地理学科视角下3D打印创新课程资源的开发实践

摘 要：在中学教育阶段，3D打印创新课程普及率相对较低，在实践中面临着诸多难题，课程资源不足、学生创新能力不足等问题尤为突出。开封市某中学在3D打印课程资源开发的过程中，将地理节日作为整个课程开发的突破口，形成了一套以地理视角为主导的高效课程开发模式。地理学科具有综合性强的特征，可促进学科知识的交叉融合，激发学生的创造力，同时可作为3D打印技术走进各学科教学的中转站，对3D打印课程的开发有很大的启示意义。

关键词：3D打印;创新课程;课程资源开发;初中地理;地理节日

中图分类号：G4 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2019）02-0078-04

收稿日期：2019-01-21

基金项目：河南省教育科学“十三五”规划电化教育专项课题“地理节日为主题的3D打印教学资源开发研究”（〔2017〕-JKGHDHZX-095）

作者简介：贾海军（1973— ），男，河南济源人，中学高级教师，研究方向为地理教育。

一、引言

3D打印创新课程是以计算机数字模型设计为基础，通过3D打印设备来构造物体的创新设计课程，属于STEM教育、创客教育的重要组成部分。3D打印技術在我国教育领域的应用目前尚处于初级阶段，一些高校正在建立公用的创客空间来普及这项技术。在中学教育阶段，3D打印创新课程普及率相对较低，在实践中面临着诸多难题。

首先，缺乏专职的任课教师和足够的课程资源。3D打印活动课对任课教师的教学能力和知识面要求极高。教师不仅要有从事3D创新教学的热情、时间和精力，而且要具备信息技术能力、社会实践活动课的组织能力以及各学科知识综合运用能力。课前要精心设计活动场景。在授课过程中要改变传统授课方式，成为学生活动的辅助者和引导者;在活动开展过程中，要善于协调小组内和小组间的各种关系;在活动结束后，要对学生进行恰当的合理的评价。目前，3D打印活动课任课教师的培训尚处在摸索实践阶段，普遍缺乏有针对性的培训资源，尤其缺乏足够的可以借鉴的案例。

其次，中学生缺乏自主学习的时间，自主学习的能力较差。3D打印创新设计活动是一种实践性很强的创造性活动，活动内容具有很强的综合性，需要跨领域、跨学科的知识整合，需要学生对自己不知道、不了解的知识进行课下学习，要求学生自觉地将自己的学习范围不断地扩大，采用多种方式、多种工具获得学习资源，自觉地从多学科、多层面探究学习。许多学生缺乏自主学习的动力和能力，致使许多创新设计活动事倍功半，甚至半途而废，不能达到教师所设定的项目活动目标和能力培养目标[1]。

最后，学生普遍缺乏创新思维能力。由于多种因素的影响，目前中学生普遍缺乏创新思维、创新能力和创新意识，学生设计的作品普遍缺乏新颖性、前瞻性，多数学生只能完成教师硬性规定的作业。学习运用3D打印技术可以充分锻炼学生的动手能力、设计能力和思维能力等，有利于培养创新型人才，对促进学生创新精神和创造能力的发展具有积极的意义。

二、3D打印课程资源开发的研究和探索

为了解决3D打印课程资源不足的问题，为了更好地激发学生学习3D打印技术的兴趣，开发学生深层次的创造力，同时也为了促进3D打印技术与中学各学科的教学相结合，开封地区某中学进行了一系列的3D打印校本课程的开发。

2017年6月，开封地区某中学数据中心建立3D课程开发课题组，着手课程的研发工作，课题组主要成员由学科教师与3D创客教师共同组成。

在以往的3D打印教学实践中，教师普遍感到最急需的是具有一定数量的、具有可操作性的教学案例，经课题组成员共同研讨，确立了一个中心、六个步骤的整体思路。课题组把案例设计作为整个课程研发的中心，并以此为中心制定了六个研发步骤：资料搜集—寻找学科结合点确立主题—分头设计—具体实施—学生反馈—总结报告。

（一）课程的开发目标

建立3D打印电子资源库，编写3D打印主题活动教材，形成具有本校特色的校本课程资源，尝试建立一套有关3D打印课程资源高效开发模式。

（二）课程开发的三维模式

该课程开发模式有三个主要的视角：地理节日视角、研究性学习视角、3D打印视角。以地理节日为突破口，筛选重组与生活实践中密切相关的地理学科知识和原理，并从研究性学习的角度重新审视这些知识和原理，以知识和原理为基础，开发3D打印教学资源，并在实践中探寻一些具体可行的操作模式，提供一些有价值的教学案例。

1.地理节日视角

以地理节日为突破口，寻找社会热点，拓展课程资源的广度和深度。地理节日是指与地理知识密切相关的节日和纪念日[2]。为引起全社会对资源、环境、人口、贫困、灾害等问题的关注，国际组织和各国政府设立了许多相关节日，如世界湿地日、世界林业节、国际生物多样性日、中国水周等，这些节日与地理学科所研究的问题密切相关，可通称为地理节日。这些节日不仅与地理学科知识的关系十分密切，而且与其他学科知识也有千丝万缕的联系。这些节日不仅数量十分可观，而且往往是与国计民生相关的重点问题，可以进行深度挖掘。

2.研究性学习视角

综合学科知识和原理，寻找学科交叉点和创新点，引导学生的创造性思维。研究性学习是以科学研究为主的课题研究活动，不再局限于对学生进行纯粹的书本知识传授，包括社会调查、搜集资料、制订研究计划、撰写研究报告等一系列过程。

3.3D打印视角

依托3D打印，让学生充分发挥想象，激发学生的创造热情。3D打印本身对学生有很强的吸引力，为学生的学习活动开辟了一个全新的空间，可以有效地激发学生实践的积极性和DIY兴趣。在课程设计中要有意识地筛选那些适合3D打印的题材和内容，寻找那些有利于激发学生想象力和创造力的主题。

（三）课程开发的初步成果

课题组经过一年多时间的努力，所开发的3D打印课程资源已经初具规模。课程内容不仅包括指导学生运用3D技术打印各种作品，还包括指导学生运用3D打印技术开展研究性学习。

1.形成一系列的教学案例和课件

在实际教学中，课题组成员密切联系教学实际，努力将一些地理节日及传统文化融入日常课堂教学，取得了较好的效果，并形成了3D打印技术基础课程、二十四节气与太极图创意设计、3D打印春节等一系列典型课例。

2.初步建立3D模型库

3D模型的设计十分耗时耗力，学生在两个小时内未必能完成一件理想的作品。为了提高课堂效率，课题组成员在教学过程中搜集、下载、自行设计了近千个3D数字模型，作为学生课堂活动的公用资源库。学生在课堂活动中可在资源库中查询并导入3D模型，并在原有模型的基础上按照自己的想法加以改造。为了提高学生的查询速度，课题组成员对3D模型进行了归类整理，大体包含五个部分，即基础模型部分、生活用品部分、文物艺术部分、建筑部分、地形园林部分，每个部分还有更详细的分类。此外，还建立了专门的学生优秀作品集，以激励学生积极参与。

3.编写完成教材《3D打印中华传统节日》

该教材以传统节日、3D打印、创意设计为主要内容，三者密切结合，融于一体。教材主体结构以传统节日为主线，引导学生了解传统节日的特点以及相关的文化习俗，探究其背后蕴含的科学原理;以五个3D打印案例为主体，由易到难，层层递进，培养学生3D打印的基本操作技能，引导学生在深入探究的基础上进行创意设计;教材图文结合，通俗易懂，适合中学生学习。

随着课程资源的不斷丰富，参与的学生数量不断增多，学生的创新能力和创新意识不断增强。学校两支3D创客社团队伍在全国第二届青少年创客活动中双双取得“3D打印创新设计”一等奖。

三、 地理视角对3D打印课程资源开发的特殊意义

课题组在3D打印课程资源开发的过程中，将地理节日作为整个课程开发的突破口，是课程开发工作得以快速、高效开展的重要保证。通过课程资源的开发，我们得到了如下几点经验和启示。

第一，地理节日数量众多，为3D打印课程的开发提供丰富的可选择的题材。地理课程本身具有综合性强、实践性强、涉及面广等特点，为3D打印创新课程的开发提供了丰富的资源和视角[3]。课题组之前曾经做过关于地理节日与研究性学习的相关研究，在课程开发之初，根据3D打印教师的要求，迅速提出了一整套备选方案（见表1）。备选方案由6个专题和20多个备选项目组成。经3D打印教师综合筛选，最后选择春节、中秋节、二十四节气与太极图模型、大禹治水模型等题材为第一批重点活动项目。

第二，地理学科具有综合性强的特征，可促进学科知识的交叉融合，激发学生的创造力。地理学科属于一门综合性的科目，兼具综合性和地域性的特点，地理学科在形成和发展过程中涉及众多学科的基本知识和基本原理，是连接各学科的天然纽带和桥梁。地理学科内容包含自然地理、人文地理和区域地理三大主体部分，自然地理部分与物理、化学、生物等学科有密切的关联，人文地理部分与经济、人口、城镇建设等生产生活实践有密切的关联，重大历史事件和现实热点问题往往都有其相关的区域地理背景。地理学科的综合性特征有利于培养学生的综合思维能力。

“猴面包树模型制作”是一个典型的例子。猴面包树是热带草原气候区的一种较为典型的树种。热带草原气候分为明显的干季和湿季，在干旱季，多数植物因缺水严重枯黄，但是猴面包树可以在体内的空隙储存大量的水分来应对缺水问题。学生在研究猴面包树的过程中不仅要理解其储水原理，还要综合研究其生存的自然环境和社会环境;不仅要研究相关的地理学科知识，还涉及生物和化学等方面的知识。在综合研究性学习过程中，许多创造性的观点被提出。有些同学提出“利用猴面包树的储水原理来发展干旱地区的农业”的创新方案，该方案不仅具有创新性，而且还有一定的实用价值。

第三，地理学科密切结合社会现实，从地理视角开发3D打印课程，有助于提高3D打印课程的实用性。地理科学研究的中心问题是人地关系，整个地理知识以人地关系为主线，突出资源、环境、人口、发展、灾害五大主题，可充分激发学生主动参与的动力。

第四，地理学科可以作为3D打印技术走进各学科教学的中转站。目前3D技术在各学科教学中的推广应用尚处在摸索阶段，普及面很窄，推广过程中遇到了许多困难。从地理课程本身综合性强，具有天然的桥梁纽带作用，从地理角度开发的教学资源有助于将3D打印技术融入学科教学实践活动过程中，有助于3D打印技术在教学中更广泛地推广和应用。

开封地区某中学3D打印课程的开发以地理节日为突破口，以地理视角为纽带，这种做法对类似的创新课程的开发有着重要的启示意义。

参考文献

[1]徐颂凯.基于项目学习的创客活动设计研究[D].开封：河南大学，2018.

[2]夏焕春.“地理节日”的教学应用[J].中学地理教学参考，2007，（11）： 44.

[3]丁玉华.结合地理节日促进地理教学[J].中学地理教学参考，1994，（2）：34.

（责任编辑 孙震华）

Abstract： At the stage of middle school education， the popularization rate of 3D printing innovation curriculum is relatively low.In practice，it faces many problems， such as inadequate curriculum resources and students’inadequate innovation ability.In the process of developing 3D printing curriculum resources in a middle school in Kaifeng，the geographical festival is regarded as the breakthrough of the whole curriculum development，and a set of highly effective curriculum development model with geographical perspective as the leading factor has been formed.Geography has comprehensive characteristics，which can promote the cross-integration of subject knowledge and stimulate students’creativity.Meanwhile，it can also be used as a transfer station for 3D printing technology to enter the teaching of various disciplines.Therefore， the geographical perspective has strong enlightenment implications for the development of 3D printing curriculum.

Key words： 3D printing;innovative courses;curriculum resources development;junior high school geography;geographical festivals