浅谈3D打印笔在中学学科教学中的应用

陈利+王佑汉+房娜艳��

摘要：3D打印技术已经在工业、医学、建筑、军事等诸多领域得到了广泛利用，但在教育领域，特别是基础教育领域应用还不多见。本文在介绍3D打印笔的基础上，以“经验之塔”理论和“教学做合一”理论为指导思想，探讨了3D打印笔在数学、化学、地理学科教学中的应用。

关键词：3D打印笔；学科教学；中学

一、 3D打印笔简介

3D打印笔的外形就像一支大号钢笔，其工作原理是通过挤压出特定的耗材，然后在三维空间依次分层涂抹形成三维物体。现如今的3D打印笔绝大多数为熔融挤出式3D打印笔，其内部结构十分简单，主要就是由挤出头（负责将打印材料挤出）、控制马达（调整出料转速），还有温控（负责将材料融化）组成。熔融挤出式3D打印笔是将ABS或者PLA塑料线材在笔内加热融化后再挤出，依靠空气自然冷却固化成型。但熔融挤出式3D打印笔的笔尖温度很高，有被烫伤的风险；光固化式3D打印笔则是使用光敏树脂液体作为原料，在常温下就可直接挤出，利用笔头上的LED灯发出蓝光或紫外光进行固化成型。

二、 3D打印笔与3D打印机的比较优势

1. 3D打印机技术原理

3D打印机又称三维打印机，其制作过程可以划分为设计和打印两个阶段。在设计阶段，主要使用三维建模软件或扫描设备进行设计；在打印阶段，是将3D模型数据按照某一坐标轴进行逐层分切，通过读取文件中的横截面信息，对分切的每一层进行构建，然后逐层打印，再粘合起来形成一个实体的立体模型。

2. 3D打印笔与3D打印机的比较优势

3D打印笔与3D打印机相比，在推广利用上具有明显的优势：第一，3D打印笔结构简单、体积小巧，便于携带；第二，3D打印笔价格低廉，常见的3D打印笔两三百左右就能购买，使用的原料也比较便宜，比3D打印机的门槛更低；第三，3D打印笔操作系统简单易懂，且无需电脑和软件支持；第四，3D打印笔在塑形和创作上拥有更多的可能性，任何人都可以随意的去打印任何东西。随着3D打印笔的不断优化，产品会做得越来越精致、安全、稳定和高效。未来3D打印笔也必将成为最先普及的民用化3D打印技术产品。

三、 3D打印笔教学应用理论依据

1. “经验之塔”理论

1946年，美国视听教育专家埃德加·戴尔（Edgar Dale）在其所著的《教学中的视听方法》一书中提出了“经验之塔”理论。“经验之塔”将人们获得的经验分为三大类：做的经验、观察的经验和抽象的经验。将3D打印笔应用于教学过程中，可以让学生自己使用3D打印筆构想、打印物体以获得有目的的直接经验和设计经验，也可以是教师将抽象的知识通过3D打印笔进行可视化演示展现，以帮助学生将“做的经验”、“观察的经验”和“抽象的经验”三者有机结合，既拓展了学生的感觉和知觉，又使学生的思维能力得到进一步发展。

2. “教学做合一”理论

“教学做合一”是我国教育学家陶行知教育思想的精髓，强调在“做”上下功夫，在做中教，做中学，他提倡“做中学”、反对“坐中学”。将3D打印笔应用于学科教学过程中，教师可以在做中教，学生也可以在做中学，在加强了师生互动的同时，也解放了学生的双手，让他们动手操作、亲身体验。

四、 3D打印笔在教育领域的应用案例

1. 3D打印笔在中学数学教育中的应用

中学数学可以分为代数和几何，而几何当中的立体几何要求学生要有较强的空间抽象思维，这对大部分学生来说都是难点。在这部分教学内容上，以往教师多采用平面斜二测画法来画出立体几何的平面直观图，或者用架小棒、削萝卜、捏橡胶模型等方式自制一些简单的教具来帮助学生理解。但平面直观图难以让学生凭空构想出三维几何体，教具的准备又需要教师花费大量的时间和精力，且如何保证这些教具不变形、不变质也是个难题，学生在整个学习过程中的参与性也较低。往往是费力不讨好，并不能达到理想的教学效果。而使用3D打印笔时，教师只需寥寥几笔就能在空气中直接画出一个三维立体的几何图，并且可以随意的更改或添加辅助线，也可以用不同颜色来表示截面，学生一看便知长方体、圆柱体等被横切、斜切、竖切后的截面是一个什么图像。通过3D打印笔可以将数学问题形象化、可视化，不仅培养了学生的空间思维和抽象思维，也激发了学生的学习兴趣，提高了教学效率。

2. 3D打印笔在中学化学教育中的应用

在中学化学教学中，涉及了分子、原子等的结构和形状时，一般采用平面图或者实物模型来开展教学。然而平面图在反映分子等的空间结构和立体形状上效果不佳，而实物模型价格又比较贵，只能少量配备，不能完全满足教学需求。而使用3D打印笔则可以随教学需要，实时的将分子结构按比例放大并呈现出来，立体形象而直观，且单位价格便宜。

3. 3D打印笔在中学地理教育中的应用

中学地理中也有很多知识点可以利用到3D打印笔帮助教学。例如，“气压带和风带的形成”是高中地理必修一的教学重点和难点之一，课标要求学生能“绘制全球气压带、风带分布示意图，”但由于缺乏空间想象力，学生往往只能死记硬背，并不能很好地理解并绘制出示意图。利用3D打印笔，可以直接在传统的地球仪绘制三维立体的三圈环流图，而且能直观地看到高空和近地面风向的偏转，便于学生知识的掌握和空间能力的培养。

参考文献：

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