3D开发学具助力通用技术课堂教学

摘 要：当今，随着3D打印技术在航空航天、建筑、汽车、医疗等领域的广泛应用，3D打印技术也走进中学校园、用于开发学具、服务于课堂。经过实践，在3D技术与通用技术学科融合之下，开发学具，助力通用技术学科教学，打造模仿体验式、合作探究式、作品展示型的课堂教学模式。

关键词：学具;3D打印;课堂;教学

近年来，随着3D打印技术进入中学校园，3D技术用于开发学具、服务于课堂教学成为时下备受探讨的问题。与传统制造方法相比，3D打印技术有着低成本、易成型、方便操作等特点。笔者经过多次的开发与实践，发现利用3D开发学具，助力通用技术课堂教学是一种不错的选择。因此，文章从3D技术与通用技术学科的融合入手，阐述3D技术开发符合学科特点、适合学生年龄的学具，助力通用技术的课堂教学。

一、 3D打印技术的优势

3D打印是快速成型技术中的一种。在无须借助其他辅助工装夹具下，3D打印就能直接将三维模型快速加工制造成实体模型。当今，3D打印在许多领域得到广泛的应用，例如航空航天、建筑、汽车和医疗等。3D打印技术原理有很多种，常用的有激光粉末成型法、熔融塑料成型法、光敏树脂成型法等。大多数学校配置的3D打印机是采用熔融塑料成型技术法，这种技术是通过层层堆积材料的方式制造出几何实体，操作方便、成本低廉、无污染。教师要先选择一款建模软件（如3Done），利用建模软件设计出符合学科特点、适合学生年龄的学具模型，然后分层切片，再用3D打印出来，为课堂教学提供设备保障。

二、 与通用技术学科的融合

《普通高中通用技术课程标准（2017年版）》明确指出，技术发展日新月异，大数据、人工智能、虚拟现实、新材料、新能源技术等开始走进日常生活，通用技术课程内容应与时俱进。因此，3D技术开发通用技术学具应运而生。笔者经过实践发现，依托3D打印技术与通用技术学科的融合，创设通用技术学科学具，突破教学条件局限，丰富教学手段。主要优势如下。

（一）打造可视化模型

1. 教学中发现问题

在技术与设计1（苏教版）第六章第二节《常见的技术图样》的教学中，笔者发现学生绘制三视图时畏难情绪有点严重，轴测图转化为三视图的空间思维能力不足，对零件形体的视图表达不完整。在技术工程上，三视图是设计交流与表达的一种常用技术语言，识读与绘制简单的三视图是高中学生应具备的通用技术学科素养。

2. 3D学具优化教学条件

在《简单三视图的绘制》的教学中，笔者发现三视图的辅助教学手段，不论采用多媒体的课件，还是借助硬纸板制作零件模型，都有利于学生空间思维的构建，能够达到一定的教学成效，但不是最理想的效果。在教学实践中，笔者先收集学生易错的三视图典型案例，然后应用3D打印技术将典型案例制成实物模型，再把实物模型分配给学生去观察、去分析，从而优化课堂教学条件，突破教学上的瓶颈。3D学具不仅便于学生全方位观察零件形体，还有助于学生领悟三视图的形成原理及投影规律。在教学任务得以顺利地完成情况下，进一步培育了学生技术图样表达的学科核心素养。

（二）提高学具的精度

1. 原教材试验内容

在技术与设计2中，为了引导学生探究结构强度与构件的截面形状有怎样的关系时，教材安排了测试试验，内容如下。

用周长相同的纸质材料自制测试构件，截面分别为三角形、圆形、正方形的纸筒作为悬梁结构来进行测试，看看哪种截面形状的悬梁结构承受最大的力？

2. 3D学具改进试验内容

在教学实践中，笔者发现，用纸质材料制作测试构件，在折叠过程中，可能力度分配不均衡或者黏合剂用量不一样，这些都会导致测试纸筒尺寸有所偏差，测试构件规格不统一、不规范，甚至弯曲强度也会不一致，从而影响试验的测试结果。而利用3D技术设计并制作不同形状截面的悬梁来做测试构件，则先应用电脑软件建模，然后3D打印出测试构件，这样能做到构件尺寸精确、误差较小。试验结果自然而然会更科学、更合理、更有说服力。因此，应用3D打印的测试构件进行试验是一种可行的方案，也是值得推广的学具制作方法。具体步骤如下。

第一步，学会如何运用3D技术自制测试构件。

第二步，需要考虑选用什么形状的截面构件进行测试比较合适？

在苏教版教材中，选用周长相同的三角形、圆形、长方形截面作为测试构件，显然这个试验测出来的结论是在同等周长的情况下，圆形构件的强度最好，三角形构件的强度最弱。为了让这个测试试验与实际生活紧密联系，更具现实意义，比如房屋的横梁为何采用高度>宽度？桌椅的横杆大多采用高度>宽度？基于这些现象，则选用截面积相等的构件，形状分别是正方形、圆形、宽高比0.5的矩形、宽高比2.0的矩形。探究同种规格材料做成不同截面形状的构件，哪种形状的构件抗弯强度最大？

第三步，需要考虑测试构件的件数要多少合适？

教师提供给每个小组的测试构件件数要适量。如果测试构件过多的话，不单单会造成材料的浪费、增加学具的开发经费，在课堂上还会耗费学生许多测试时间;如果测试构件过少的话，容易出现测试的偶然性，试验数据会产生很大的误差。综合这些因素，同一种形状的截面构件各测试三次，求其平均值，避免了随机误差的发生，这样得出的数据合理、真实。

（三）增加创新方案的物化率

1. 现实条件的限制

创新方案的物化需要依托一定的工艺方法才能实现。掌握工艺方法之前，学生需要熟悉材料的属性、学习工具和设备的使用方法、了解工艺的流程等。这些前期的准备时间较长，往往不利于创新方案的物化实施。而更多创新方案无法物化，是因为找不到合适的材料、或缺乏应有的加工工具、或加工场地的限制、或物化的成本过高。

2. 3D技術促进物化

例如，有的学生设计了厨房护指套，设计目的是为了保护厨师在切菜时手指不会受到伤害，设计时主要考虑的人机关系是：使用者穿戴舒适，为了适合不同大小手指的人群，有不同型号供选择，材料采用食品级。

这款厨房护指套，如果采用传统加工方法来物化，不仅需要熟悉多道工艺流程，还需要掌握较多的工具使用方法，比如裁剪工具、测量工量、打磨工具。而借助3D打印技术，学生可以较方便把方案在3Done建模软件上设计表达、修改，直至打印，测试。初步测试完，还需要对模型的厚薄、长短、大小进行多次的调整，这些操作只要在建模软件直接修改设计参数就能实现。甚至方案的调整，也可以类似操作。3D打印技术进行创新方案的物化是方便又可期的。这种技术无须其他工具或学习其他工艺，就能增加创新方案的物化率，实现学与做的一体化模式。

三、 3D学具在课堂教学中的应用

（一）模仿体验式的课堂

模仿体验式的课堂，是借助3D打印技术开发学具，模拟现实情境，引导学生角色扮演，利用角色效应，学生在体验过程中主动学习，充分发挥自我潜能，运用所学知识分析问题、解决问题。学生在角色情境的体验中，学科技术素养进一步得到培育，个性也得到充分的发展。

例如，在绘制三视图的教学中，借助3D学具模型，巧设情境，课堂上赋予学生工程师的使命，让学生带着使命去完成三视图的绘制任务。学生扮演角色热情高、参与绘制任务主动积极。在小组成员团结协作下，学生探讨完成任务。由于3D学具模型的直观性，学生畏惧的绘制任务变得形象、具体了。在绘制三视图的过程中，学生领略技术图样表达的魅力，养成了细致、嚴谨的技术学科态度。

（二）合作探究式的课堂

合作探究式的课堂，是学生以小组进行合作，教师充分利用3D学具搭建学习平台，引领学生对身边事物充满好奇心、关注未来和未知世界，启发学生要敢于质疑、勇于探究，在试验探究过程中发现事物规律，把握事物本质特征的教学活动。

例如，在探究结构强度与截面形状之间的关系时，利用3D打印技术开发学具，将试验条件进行优化，试验内容进行拓展，创设与学生生活息息相关的问题情境，彰显技术学科的社会价值，激发学生探究试验的热情。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。学生在亲历试验的过程中，分组合作测得形状截面分别为：正方形、圆形、宽高比0.5的矩形、宽高比2.0的矩形构件所能承受的最大载荷，在表格上记录翔实数据，计算其平均数据，对比、分析得出宽高比0.5的矩形截面构件在这四种中抗弯强度最强，进一步诠释了房屋采用宽高比<1的承重横梁现象的本质特征。学生亲历探究，在探究中得出答案，将认知的困苦变为求索的乐趣，学习的负累变为思维的享受。

（三）作品展示型的课堂

通用技术课程倡导学生在“学中做，做中学”的理念，教师鼓励学生平时多动脑、勤动手，勇于创新，把技术创新的构思、方案积极表达出来。借助3D打印技术，学生能够较方便地把自己的创新方案进行物化，然后不断优化、改进，再物化，最后创新设计作品汇聚在课堂进行展示交流。学生上台分享设计目的和意义，交流制作技巧与心得，相互借鉴、取长补短，实现了技能互动和思维互动的课堂。正如萧伯纳说的：“倘若你有一种思想，我也有一种思想，我们彼此交流这些思想，我们每个人将有两种思想。”

例如，有的学生展示了服药提示器，专为患有慢性病的老人按时服药而设计，其功能设有提示音、屏幕显示器、分装三餐药品的空间。课堂由多位学生展示作品，这样展示型的课堂，面向全体学生，给学生创新设计提供了交流与借鉴的舞台，拓宽了学生的视野，实现了技术创新源于生活、服务于生活的目标。

四、 结语

目前，大多数中学配置的3D打印机，在开发学具时，其成型的长、宽、高尺寸在30cm以内，其打印精度是±0.1～0.2mm，这样参数适合用于制作配合精度要求不高、尺寸不宜过大的学具。如果要开发带有传动系统的学具，那么传动装置的配件只能去购买，或者个性化3D设计后去网上找代理打印。虽然有一定的局限性，但是3D技术开发学具还是有着广阔的前景，需要教师进一步的探索、挖掘与实践。

参考文献：

[1]章初，丛敏.乐高设备在通用技术教学中的应用[J].福建教育学院学报，2016，17（5）：116-118.

[2]沈伟春，范建荣.运用3D打印技术解决“正投影与三视图”教学的困境[J].中国信息技术教育，2019（1）：80-82.

[3]余文森.核心素养导向的课堂教学[M].上海：上海教育出版社，2017.

作者简介：

蔡梅芳，福建省福州市，福建省福州第七中学。