3D打印技术与高中化学融合的教学设计与实践效果

徐 文

上海市风华中学

一、 问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出了对学生化学核心素养的要求，化学核心素养是高中生必备的科学素养［1］。在近些年的教育实践中，教师进行了基于核心素养的化学教学的各种创新尝试与实践。与此同时，3D建模打印技术作为新兴的现代制造技术，也在教育教学领域中受到关注［2］。目前，在我国的高中教育阶段，3D建模打印技术主要是作为一种尝试在劳技课程中应用。在高中化学课堂教学中，用到3D打印技术的教学案例不多见。其实，3D打印技术不仅能为高中化学的教学提供更现代化的新媒体形式，还丰富了课堂内容，从而有助于学生发展创新能力与实践能力［3］。笔者基于化学学科核心素养培育，使用3D建模打印技术作为课堂工具，希望让学生通过使用3D打印技术理解、模仿、构建分子模型，培育“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”等核心素养并提升动手实践能力。笔者设计了一系列化学教学案例并进行实践，用以探索在高中化学教学中融入3D打印技术的实践效果。

二、 3D打印技术在中小学应用的现状

随着3D打印技术日渐成熟，其在中小学教学中的相关应用也呈现出快速发展的趋势。部分中小学开始尝试开设集3D设计和3D打印于一身的相关课程。比如，上海市和田路小学和高校合作开设了“虚实创造”3D打印校本课程，广州市珠海小学则在四年级的信息技术课上运用3DOne建模软件开设了3D打印课程［4］。也有部分中小学开设了与3D打印相关的兴趣班，开展相关社团活动。比如，福州市钱塘小学开设了邀请家长一起参与的3D打印趣味课程，南京市马府街小学通过社团课的形式组织学生每周参加3D打印的社团活动，江门市怡福中学3D打印社团的学生用3D打印技术制作了水位自动监测装置，获得了全国科技创新比赛的奖项［5］。3D打印在与其他学科融合的课程上，也有一定的探索与应用。例如，教授语文的《赵州桥》这一课时，可以通过3D打印技术来构建“赵州桥”的3D模型，让学生直观地通过实物来分析赵州桥的特点。数学学科利用3D打印制作几何体来作为教具进行教学［6］。不过，目前3D打印技术在中小学的教学应用中缺少统一的课程标准指导，也缺少为中小学不同学段、年级设计的相关教材，因而不同地区中小学应用3D打印技术所使用的教学方法五花八门，相关的3D打印技术课程的形态也是多种多样［7］。

三、 教学案例总体设计

微粒模型作为化学学科的一种重要的“宏观辨识与微观探析”的展现，在高中化学的教学中占据重要地位。但是，在目前的课堂教学中，微粒模型的教具较为落后，教学方式仅为展示模型。学生在学习各种微粒模型时，参与感较弱，基本都是死记硬背。由此可见，传统的化学教学中涉及新的微粒模型的学习时，问题颇多，已不能适应新时代的教育发展。

3D打印技术则可以为高中化学课程提供新的方向与思路。为了促成3D打印技术在高中化学教学中的融合应用，笔者从高中化学课堂教学出发，以化学核心素养为设计基础，匹配高中化学涉及“微粒模型”的具体知识点，设计了包含“化学键”“晶体的结构与性质”“有机化合物的结构特点”“生物大分子”等内容的系列课程。

四、 教学设计与实践

以上海高中化学必修第二册第七章“不饱和烃中碳原子的成键特点”这一课的教学设计为例。有机化学中有机物分子的微观结构较为抽象，在教学中进行分子模型的搭建，可以直观地让学生了解有机物中碳原子成键的特点，认识各种特殊的有机物分子构型，形成对有机物分子结构模型的整体认知。传统的分子搭建模型工具一般都是球棍模型的教具，或者是教师自制的球形或棍状组合的模型。传统分子模型的展示一般以教师演示为主，学生在课堂中参与搭建的机会较少。而课后学生用生活中的各种物品（水果、橡皮泥等）自制模型，虽然很多作品具有创意，但科学严谨性不足。因此，笔者尝试在课堂中让学生使用3D建模打印技术，自己设计创造出科学、准确的有机分子模型。学生在自己设计创造的过程中，体验建立模型的一系列思维，不仅是对于具体的这个有机分子的模型，而且是对于有机化合物中碳原子成键的特点以及各种特殊的有机物分子构型有一个全面的模型方面的认知。

本节课的设计以Tinkercad作为课堂中教师展示和学生活动使用的3D建模软件。Tinkercad是适合高中生使用、易于操作的3D设计和编程的免费在线软件。在前期准备时，教师用视频演示的形式介绍使用Tinkercad进行3D建模的方法。在此基础上，以项目方式开展融合3D打印技术的高中化学教学，把3D打印与化学微粒模型相结合，用来丰富课堂教学手段，有利于对学生“宏观辨识与微观探析”等核心素养的培育，在培养学生对化学的学习兴趣的同时，也能培养学生的动手能力与实践能力。具体的教学内容与环节设计如下。

（一） 前端分析

本节课基于化学学科核心素养，结合3D建模打印技术，将教学目标整合后，分为三个部分，分别为“学科知识”“关键能力”与“核心品质”。

1. 教学目标

（1） 学科知识目标。了解有机物中不饱和烃的结构特点与不饱和碳的成键方式，知道不饱和烃乙烯、乙炔、苯的分子式、结构式及空间构型，并能通过3D建模打印自主搭建出分子模型。

（2） 关键能力目标。通过对不饱和烃的信息进行分析，结合碳原子在有机物中的成键特点，在建模前进行微观结构的预设，培养证据推理与模型认知能力。

通过自主使用3D建模软件进行不饱和烃的空间结构搭建，培养学生建立科学思维，从微观角度认识有机物，即培养“微观探析”能力。

（3） 核心品质目标。通过典型不饱和烃分子的3D建模，让学生感受化学物质微观世界之美，激发学生学习化学的兴趣。通过探究苯的分子结构模型环节，激发学生的探究欲与科学精神。通过使用3D打印技术自主创作出模型成果，培养学生的创新精神与动手实践能力。

2. 教学内容

本节课的教学内容包含不饱和烃乙烯、乙炔、苯的结构特点与不饱和碳成键方式的基本知识与规律的讲解，以及相关微粒模型的3D建模、打印。整体内容循序渐进，由浅入深。希望通过微粒模型的建模设计与打印实践，帮助学生更深入地理解和掌握不饱和烃的结构特点与不饱和碳的成键方式。

3. 学情分析

教学对象为上海市静安区某中学的高二学生。本节课之前，学生已经学习了甲烷、乙烷等饱和烃的空间结构，对有机化合物中饱和碳原子的成键特点与分子结构模型有了一定程度的了解。同时，该学段学生的动手实践能力与空间抽象思维都已经有了一定的进阶发展，可以运用所学的新知来进行3D建模与打印的实践操作。学生此前在劳技课上已经接触过3D建模，有了一定的基础。课前，培训学生能掌握基础的3D建模程序Tinkercad的操作，并会使用简单的可进行基础打印的Einstart-L 3D打印机即可。

（二） 教学环节

1. 创设情境，引入活动

引入阶段，教师先通过一段由宏观物质微缩成微观模型的视频，创设一个有机物“大梦微城”的模型设计情境，激发学生的课堂学习兴趣。教师展示打印出的3D甲烷模型，并引入本节课的教学主题，即根据本节课所学习的内容，建模打印出典型不饱和烃的微粒模型，并探究特殊的不饱和烃的微粒模型。

2. 学习新知，观摩建模

教师以不饱和烃乙烯为例，向学生介绍不饱和碳的成键特点及不饱和烃的结构特点。教师演示乙烯分子的3D建模过程（图1），帮助学生在学习了解有关不饱和烃的基本知识的同时，帮助学生熟悉3D建模的基本操作，为之后的建模设计活动做好铺垫。

图1 演示3D建模的乙烯模型

3. 小组协作，初探建模

学生分小组活动。第一个活动任务是向学生提供不饱和烃乙炔的相关信息，学生通过分析乙炔的结构信息，先在任务单上画出简易的设计图，在小组内交流讨论后，确定乙炔的空间结构，再使用3D建模软件进行不饱和烃乙炔的建模（图2）。

图2 3D建模的乙炔模型

4. 进阶思考，探究创造

学生经过了较为简单的乙炔分子的3D建模，对软件的操作已经比较熟悉，能够尝试进行自主3D建模。第二个活动任务就是向学生提供特殊的不饱和烃苯的相关信息，学生同样以小组为单位，一起分析讨论，探究苯分子的空间结构，并进行建模与打印，最后形成小组成果。

5. 展示成果，评价交流

每个小组展示打印出的模型成果，教师与其他小组从成果是否符合所给的信息、3D打印设计的规范等角度进行评价。教师评价学生以单双键交替制作的苯分子3D模型的结构时，引入苯的凯库勒式结构（图3）的故事。然后，教师以一段微视频展示苯中特殊的结构：苯中的碳碳键是介于碳碳单键与碳碳双键之间的特殊的键，相比于球棍模型，空间填充模型更适合诠释苯的特殊结构（图4）。最后，教师布置课后作业，请学生课后进行苯分子的3D空间填充模型的建模与制作。

图3 3D建模的苯模型（凯库勒式）

图4 3D建模的苯模型（空间填充模型）

（三） 教学评价

评价分为过程性评价与总结性评价。

教师根据学生在课堂建模打印活动中的表现，以及活动任务单的填写情况进行过程性评价，评价维度包括学生对教师讲解知识、演示操作的理解度，小组讨论时的参与积极度，建模打印的熟练度，以及课堂上参与的每个学习活动任务的达成情况等。过程性评价可以更加直观地反映学生的学习态度、学习情况与知识内容的掌握程度。

教师将对小组的活动成果与课后作业成果的评价作为总结性评价。总结性评价主要是为了了解学生在学习活动中掌握的学科知识、技能等的学习效果。具体的评价内容包括学生对本课知识内容的掌握度、3D建模设计的完整度、3D打印成果作品的成型度，以及小组合作探究的参与度等。

总结性评价在课程学习任务完成后进行，结合过程性评价，进行量化的评价数据分析，有利于教师对学生在课程中的学习效果有更具体的了解，使得教师能对课程进行教学反思，并有针对性地优化后续的教学设计，使课程能更加适应学生当前的学习需求与能力发展。

五、 实践效果分析

为了解系列课程案例教学后学生的学习体验，以及3D打印技术在高中化学教学中的实践应用效果，以上海市某高中三个班级的学生作为研究对象，采用问卷调查与个别访谈的方法进行调查。问卷从学生学习后的知识掌握情况、学习兴趣、体验感受及对3D技术融合化学教学的态度等角度设计。总共发放调查问卷110份，回收问卷110份，有效问卷110份，回收率和有效率皆为100%。

在知识掌握情况上，根据调查数据可以分析得出，大部分学生认为使用3D打印技术建模并制作的化学微粒模型不仅符合化学学科的科学性，同样也适用于高中化学的教学，自己提高了对化学知识的理解与掌握。对此，38.2%的学生表示自己非常同意，25.5%的学生表示同意，22.7%的学生表示较为同意，余下13.6%的学生认为一般。

在学习兴趣上，根据调查数据分析得出，绝大多数学生表示该系列的课程有助于掌握和理解化学知识，由此增加了自身学习化学学科的兴趣。对此，有39.1%的学生非常同意，29.1%的学生表示同意，表示比较同意的占24.5%，余下7.3%的学生表示一般。由此可见，3D建模打印技术与高中化学融合的教学对培养学生对化学学科的学习兴趣与热情有显著的效果。

在学习体验上，根据调查数据分析后可以发现，大部分学生在3D技术融合化学教学的系列课程中有很好的学习体验，83.6%的学生认为教学内容的设计合理、学生活动的实施有效，因而学习体验很好。其中，非常赞同此观点的有45.5%的学生，比较赞同的有24.5%，比较赞同的有13.6%，认为学习体验一般的学生有16.4%。不难看出，3D技术融合化学教学的设计与实践在学生中得到了较为广泛的认可。

在对3D技术融合化学教学的态度上，根据调查问卷分析可以得出，表示在涉及微粒模型的课程中融合3D打印技术有效合理，且从中受益颇多的学生占比达到了82.7%。其中，非常同意此观点的占36.4%，同意此观点的占25.4%，比较同意的学生有20.9%。由此可以得知，绝大多数学生赞成把3D打印技术融合到化学相关课程的教学中来。

除了问卷调查以外，为了可以更深入地了解3D打印技术融合化学教学后学生的学习感想与体验，笔者在教学实践后访谈了一部分学生。访谈后得知，学生普遍认为，把3D打印技术结合到化学微粒模型的学习过程中来，不仅让自己在动手创作的实践中体验到了设计建模的趣味，还让自己对化学知识有了更深入的理解，因而能更好地将理论知识、模型认知等运用到实际的学习生活中。学生也表示，很期待能把3D打印技术与化学学科的其他知识相融合，比如化学实验中各种仪器的3D设计与打印等，甚至期待3D打印技术能与物理、生物等理科学科融合，从而能给学生创造更多的自主设计的机会与空间。

六、 结语

高中化学教学注重学科核心素养的培育，对学生“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”等核心素养的培育有一定的要求。3D打印技术融入教学中，既可以激发学生对化学学科的学习热情与兴趣，也为化学教学提供了新的平台与创造空间。3D打印技术不断地成熟发展，相关的软件、功能、耗材成本等不断优化，也为在教学中融入3D打印提供了更多的可能［8］。但与此同时，这种融入也对教师提出了更新、更高的要求。教师需要不断地思考、探索与研究更多元化的教学设计、内容与方法，才能使新的技术为课堂有效利用，也才能培育与促进学生核心素养的发展。