基于3D打印技术的创客教育在初中物理教学中的实践研究

梁东沃

文/江门市怡福中学

3D打印技术是一种是以数字模型文件为基础，运用塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术。2013 年8月，习近平同志在考察3D打印企业时指出，这个技术很重要，要抓紧产业化。在教育领域，特别是中小学基础教育，3D 打印技术的应用还是一个崭新的领域。“创客”源于英文单词“Maker”，是指把自己的想法转化为现实的人。“创客教育”是指为了解决我国现阶段中小学教学体制中创新能力不足的问题，把创客的理念融入课堂教学，实施一系列创客实践活动提高学生动手能力的教育。

一、基于3D打印技术的创客教育在教学实践中的应用现状分析

“基于3D打印技术的创客教育”是指以3D打印技术为技术基础，在学科教学中践行创客教育精神的教学方式。在学科教学中，教师首先要结合3D打印技术特点进行具有实践性的教学设计，通过课堂活动引导学生动手动脑，并通过3D打印把自己的想法变成实物或者运用3D打印设计实验器材，以便更好的完成课堂实践活动。目前，只有发达地区的部分学校引进了3D打印技术的教育，而且基本停留在教技术上，还没有发挥3D打印技术在培养学生创造能力方面的作用。而且3D打印技术对于很多教师都是很陌生的，所有3D打印技术在学科教学中的实践应用很少。有条件的学校开展了“3D打印创意课程”“3D打印社团”等多种多样的3D特色课程。学生可以通过这些课程学习3D打印技术，并且把技术和实际结合起来，根据自己的想法进行设计，打印出钥匙扣、小花瓶、笔筒等设计作品。此外，有些学校鼓励教师把3D打印技术和学科整合，把抽象的知识变成看得见的具体实物，促进教学效果。例如，小学五年级语文《赵州桥》一课，如果不是赵州桥所在地的学生或者没有去过赵州桥的学生，就只能通过图片或视频来了解赵州桥的结构。3D 打印技术的出现，可以很方便地打印出赵州桥的模型，学生就可以很直观地观察、欣赏赵州桥的整体及各个部分的构成。

二、物理教学现状分析

物理是源于生活的科学，是探索世界改变世界的重要学科，物理课堂应该以实践为主，培养学生发现问题、提出问题和解决问题的能力。但是，由于“应试教育”的影响，目前的物理课堂普遍缺乏创造性，学生被动接受知识，教师把重点放在如何提高学生学习成绩上，却忽略了激发学生学习兴趣，重理论而轻实践，忽视对学生动手能力的培养。现阶段物理课堂以教师讲授为主，间隙插入一些物理实验，在实验室很多学生面对一堆实验器材，哪怕是一些简单的线路连接都感到束手无策，甚至有的同学以“我没做过”成了他们为自己懒惰找的借口。即使跟着老师步骤完成实验，但也不明白实验的原理与意义，过后很快就忘记了，效果不好。

三、基于3D打印技术的创客教育在物理教学中实践的意义

把3D打印技术运用在物理教学中，可以提升学生学习物理的主动性、培养学生的创新精神、给学生的“学习方式”带来新的改变。3D打印技术可以让抽象的物理概念和规律变得具体，可以为学生带来理论和实践、知识和思维、虚拟与现实三方面互相结合的全新体验。具体表现在：1.通过3D打印，把想法变成现实，培训学生创新思维和实践能力；2.通过3Done设计软件，发展学生立体共建思维；3.通过3D打印出来的实物，为学生提供一个新的学习渠道；4.贴近生活的创客活动，提高学生解决问题的能力。同时，3D打印技术可以为教师提供一种新的教学方式，教师可以运用3D打印技术为学生建立“体验式”的学习中心和知识运用空间。

四、3D打印技术的创客教育在物理教育中的实践案例

研究如何把3D打印技术应用在物理教育教学中，哪些物理知识点可以运用3D打印技术进行教育教学，如何通过创客活动培养学生的创客精神等问题是当下值得深入研究的。现在针对初中物理如何结合3D打印技术进行创客教育做简单介绍。

1.八年级上册第四章光现象创客教育实践案例

光现象这一章主要内容有光的直线传播、光的反射、光的折射、平面镜成像等。在教学中，学生感受到的光现象都是在平面上的，那么在3维立体空间内光现象规律是否与平面的光现象规律一致？教师创设情境、提出问题、激发学生探索兴趣，并设计课后探究活动，让学生以小组形式展开讨论和方案设计。教师针对学生提出的设计方案进行点评纠正，引导学生运用3D打印技术设计一个能够产生立体圆柱光的实验仪器，自主探索立体光的规律。

2.八年级上册第六章质量创客教育实践案例

在质量一课中，学生要理解什么是物质、什么是质量、质量的属性、质量的测量等知识。在教学中，教师设计创客活动，引导学生运用3D打印技术打印出形状一样但大小不同的物体3个，形状不同但体积一样的物体3个。在学生完成器材打印后，教师设计探究活动，引导学生通过比较形状一样但大小不同的3个物体，用感官感受这三个物体，得出物体是由物质组成，物体含有物质的多少叫质量，大的物体含有物质多，重量也比较重，因此质量也大的结论；学习质量的测量后，引导学生测量形状不同但体积一样的3个物体，得出物体的质量与形状无关，改变位置再次测量，得出质量与位置无关，改变3个物体的温度，得出物体质量与温度无关。

3.八年级上册第七章力学创客教育实践案例

在八年级上册第七章，学生需要感知和认识力的概念、力的三要素、力的作用效果、弹力、重力等内容，为后面力与运动的内容打下坚实基础。在弹力一课中，学生需要理解弹力的概念，弹簧测力计的原理与使用，教师可以设计创客活动，引导学生运用3D打印设计和制作简易弹簧测力计，在设计和制作过程中，学生了解到弹簧测力计的结构构成、工作原理等。在探究重力一课中，学生通过3D打印重锤和支架，探究重力的方向。

4.八年级下册第八章摩擦力创客教育实践案例

在探究摩擦力与什么因素有关的实验中，学生需要探究摩擦力与接触面粗糙程度、接触面受到的压力大小、接触面大小等因素的关系。传统实验中，我们通过改变滑块上面的钩码个数改变压力大小、通过在水平面上铺毛巾改变粗糙程度、通过平放和侧方改变接触面大小。在3D打印技术支持下，教师可以设计创客活动，引导学生运用3D打印技术打印两面粗糙程度不同的水平板、2个接触面粗糙程度和接触面大小一样但质量不同的滑块、2个粗糙程度和质量一样但接触面积不同的滑块，运用以上打印出来的实验器材进行影响摩擦力因素的探究。学生通过自主设计和制作实验器材，通过自主探索实验，可以提高学生的动手能力，提高学生的学习兴趣，培养学生的创新思维。

5.八年级下册第十章浮力创客教育实践案例

物体浮沉条件的探究是重点和难点，也是学生难理解和容易混淆的知识。运用3D打印技术，学生可以打印出质量相同的两个球，一个空心，一个实心，然后用这两个球进行实验，探究密度比水大的物体要浮在水面上可以做成空心，从而理解轮船为什么可以浮在水面上。

6.八年级下册第十一章动能和势能创客教育实践案例

在动能和势能的转化教学中，学生很难理解重力势能、弹性势能、动能之间的转化过程。在传统教育教学中，教师只能通过PPT和动画形式进行解释说明，但是学生没有亲身经历过也是很难理解。在3D打印技术的支持下，教师可以创设情境，引导学生通过3D打印设计打印并制作滚摆和简易弓箭模型，通过实物体验理解能量的转化过程。例如，当弓箭被拉伸发生弹性形变具有弹性势能，放手后箭向前飞，弹性势能转化为箭的动能。滚摆具有重力势能，当滚摆下落过程中重力势能转化为动能，当滚摆上升过程中动能转化为重力势能。经过3D打印出来的实物感受，亲身体验，学生的学习也会事半功倍，学习兴趣也会有很大提升。

7.3D打印技术在物理力学课外创客实践活动的案例

在物理课外实践活动中，教师经常会举行“纸桥承重”等创客活动，让学生用纸和胶水等工具制作一座纸桥，并比试其承受重量。3D打印技术的引入，教师可以让学生通过3Done设计软件进行桥梁结构设计，测试不同的桥梁结构承受情况，并通过3D打印机把模型打印出来，作为参考模型。教师也可以用3D打印技术把各种桥梁结构打印出来，作为教学使用。

以上列举的只是一部分案例，在教育教学中，教师可以根据物理知识的特点，开发更多的课堂创客活动和课外创客活动，充分发挥3D打印技术优势，提高学生的学习兴趣和创新精神，提高教学质量和效率。

五、结束语

3D打印技术是一种新兴的生产工具，在工业设计方面已经得到广泛应用。在教育教学中，特别是创客教育方面也展示出其广阔的前景，把3D打印技术运用到初中物理教学中的优势极其明显。尽管3D打印技术可以帮助教师打印各种教学模型，也可以引导学生进行创新性活动，但也对教师提出更高的要求，教师需要熟练掌握3D打印设计软件的使用，能够引导学生运用3D打印技术进行课堂探究。

作为一名一线教师，我们应该大胆尝试把3D打印技术运用在物理教学，践行创客教育思想，开启3D打印技术与学科整合的教与学的探索，确定更适合学科与创客教育相整合的试点，优化教学过程，提升教学质量，为其他学校或教师引入该技术提供成果的案例和有价值的指导。