探讨高中3D打印校本课程设计与应用

吴永亮

（江苏省海门中学，江苏海门 226100）

引 言

随着信息技术的不断发展与人们对生产力的不断追求，3D打印技术应运而生。并逐渐渗透到各行各业，越来越多的人将其视为推动下一次工业革命最重要的契机。3D打印不仅仅适用于各个高精尖产业，更逐渐成了人们日常生活中的使用技能。顺应时代潮流，展开3D打印课程迫在眉睫。但是，现如今高中3D打印校本课程的发展并非一帆风顺，教师专业技能薄弱、对3D打印认知程度不够、软硬件实力无法支持教学、教学内容枯燥等问题严重阻碍了3D打印教学发展。教师需要不断充实自己的专业技能、审视教学过程中的痛点、联系其他学科内容、丰富教学方式，真正提高教学质量。

一、提高教师对3D打印认识程度与重视程度

3D打印作为一门新兴信息化生产技术，提高相关教师对其认识程度才是保证高中3D打印教学效果的首要条件。3D打印英文名称叫作3D print，又被称作三维打印，是一项20世纪90年代诞生于美国麻省理工学院的全新生产技术。3D打印与传统打印相比，从打印材料、打印工具到打印流程均大相径庭，前者打印材料可以是金属、塑料、化学纤维等多种性质毫无关联的物质；打印工具需要专业的3D建模软件与3D打印机；流程主要分为设计创建三维模型、信息数据采集和进行打印三个流程[1]。

例如，在实际的3D打印课程建设过程中，海门中学（以下简称我校）主要从以下两个层次发力，旨在奠定教学基础、建设高效课堂：第一，提高学科教师专业技能。教师作为一门学科教学效果的主要负责人，对3D打印中建模立项、数据采集、捏造模型、打印问题处理、计算机及打印机维护等工作的熟练与否直接决定教学活动能否正常进行。例如，在实际打印过程中，教师对模型导出、打印材料添加等环节不熟练，教学活动将直接瘫痪。第二，硬件设施的置备。正所谓“磨刀不误砍柴工”，完备、合适的3D打印硬件设备是一切教学活动进行的基础条件，需要学校至少置备两台3D打印设备。一台侧重于打印效率，用于课堂教学与学生练习；另一台侧重于精度，用于教师备课或科研设计，供建模能力更出众的学生使用。

二、分析3D打印教学痛点，逐步丰富教学内容

3D打印教学在推广过程中，主要存在以下三个问题。第一，教师教学过于随性，学生学不到实际技能。通过调查发现，大多数3D打印教师选择的教学策略可以概括为“先从网络上下载模型，再在课堂上展示下载好的模型；接着进行打印供学生传阅，剩下时间供学生自由掌握”，3D打印中最核心的模型创建技术或3D打印机的工作原理几乎只字不提，学生课上过于散漫、学不到多少实用技能，与课程建设中“培养熟练掌握3D打印技术的新型人才”的核心要求背道而驰。第二，没有联系传统学科，不能给予其他学科教师帮助。除了培养学生3D打印技术之外，该课程另一个重要功能是联动其他学科、打印教学辅助工具，进而达到降低其他学科教学难度、活跃课堂气氛、提高学生课堂参与程度的最终目标。但是，现阶段3D课程因为与其他课程教师沟通不够或该学科教师专业技能不够，无法完成上述课程目标。第三，3D打印设计知识过于精尖，教师队伍缺乏相关人才[2]。

如在教学“打印沙漏模型”相关内容时，笔者并不会采取直接网上下载沙漏模型STL文件，然后在建模软件中打开并展示，最后打印并传阅的教学方式，而是选择在电子课堂从最基本的简单3D模型创建教起。首先，因为沙漏模型没有过多复杂性机械结构与镂空设计，所以笔者采用更适合新手上门的犀牛Rhinoceros软件进行讲解。在指导学生建模过程中，首先通过2D绘图软件几何画板建立一条方程为y=ax2+bx+c的抛物线；然后联动学生已经学习过的高中数学中圆锥曲线与图形旋转的知识，帮助他们明了沙漏纵切面是抛物线y=ax2+bx+c经过景象翻转之后绕垂直翻转方向旋转而得，沙漏的开口大小与二次项系数a的绝对值|a|呈正比例关系。这不但可以降低学生对建模的理解难度，同时图形结合的教学形式更可以帮助学生复习圆锥曲线内容。

三、开展多元化教学方式，激发学生学习欲望

3D建模总体上说仍属于工科的一种，教学内容相对枯燥，特别需要教师丰富教学形式，展开多元化教学方式，真正激发学生的学习欲望，主要有以下两种策略。第一，积极与其他传统课程融合，打破学科隔阂。正如上文所言，与其他传统课程融合仍是现阶段3D打印最高效的教学方法与最主要的教学任务之一，可以最大限度地降低学生对3D打印的理解难度与抵触性。第二，开展3D打印活动，组织兴趣小组。正所谓兴趣才是最好的教师，因为3D打印作为校本课程的特性，必然不能占据过多日常教学时间，所以教师必须充分利用课下时间，经常组织课下教学活动，指导学生正确的自学方法、培养他们对3D打印的热情，促使他们自己将3D打印“从会到精”。

在实际教学中，笔者会将打印任务努力融入其他学科内容当中，一方面提高学生理解的速度，另一方面打印出的产物还可以辅助该科教师进行教学。具体来讲，对于语文学科，笔者会选择打印“神舟五号模型”对应课文《飞向太空的航程》；对于数学科目，笔者会打印“椭圆、球、各类三角形”方便数学教师讲解圆锥曲线与三角函数；对于生物学科，笔者会选择打印动植物细胞模型等；对于物理学科，笔者会打印小车与尖劈帮助教师讲解“摩擦力”与“力与运动的关系”；对于化学学科，笔者会选择打印分子模型与原子模型等。

结 语

总之，高中3D打印是一个多角度的、多层次的教学活动，必然是未来各层次学校积极建设的校本课程之一，特别考验学校师资队伍与教育设备建设。新型学科的推广不能一蹴而就，需要广大教师持之以恒地探索、摸索与改良。在新课改的大背景下，3D打印学科教师需要不断提高自身专业素养，真正提高学生的3D打印技能，推动高中3D打印教学发展。