陳利+王佑漢+房娜艷??
摘要:3D打印技術已經在工業(yè)、醫(yī)學、建筑、軍事等諸多領域得到了廣泛利用,但在教育領域,特別是基礎教育領域應用還不多見。本文在介紹3D打印筆的基礎上,以“經驗之塔”理論和“教學做合一”理論為指導思想,探討了3D打印筆在數學、化學、地理學科教學中的應用。
關鍵詞:3D打印筆;學科教學;中學
一、 3D打印筆簡介
3D打印筆的外形就像一支大號鋼筆,其工作原理是通過擠壓出特定的耗材,然后在三維空間依次分層涂抹形成三維物體。現如今的3D打印筆絕大多數為熔融擠出式3D打印筆,其內部結構十分簡單,主要就是由擠出頭(負責將打印材料擠出)、控制馬達(調整出料轉速),還有溫控(負責將材料融化)組成。熔融擠出式3D打印筆是將ABS或者PLA塑料線材在筆內加熱融化后再擠出,依靠空氣自然冷卻固化成型。但熔融擠出式3D打印筆的筆尖溫度很高,有被燙傷的風險;光固化式3D打印筆則是使用光敏樹脂液體作為原料,在常溫下就可直接擠出,利用筆頭上的LED燈發(fā)出藍光或紫外光進行固化成型。
二、 3D打印筆與3D打印機的比較優(yōu)勢
1. 3D打印機技術原理
3D打印機又稱三維打印機,其制作過程可以劃分為設計和打印兩個階段。在設計階段,主要使用三維建模軟件或掃描設備進行設計;在打印階段,是將3D模型數據按照某一坐標軸進行逐層分切,通過讀取文件中的橫截面信息,對分切的每一層進行構建,然后逐層打印,再粘合起來形成一個實體的立體模型。
2. 3D打印筆與3D打印機的比較優(yōu)勢
3D打印筆與3D打印機相比,在推廣利用上具有明顯的優(yōu)勢:第一,3D打印筆結構簡單、體積小巧,便于攜帶;第二,3D打印筆價格低廉,常見的3D打印筆兩三百左右就能購買,使用的原料也比較便宜,比3D打印機的門檻更低;第三,3D打印筆操作系統(tǒng)簡單易懂,且無需電腦和軟件支持;第四,3D打印筆在塑形和創(chuàng)作上擁有更多的可能性,任何人都可以隨意的去打印任何東西。隨著3D打印筆的不斷優(yōu)化,產品會做得越來越精致、安全、穩(wěn)定和高效。未來3D打印筆也必將成為最先普及的民用化3D打印技術產品。
三、 3D打印筆教學應用理論依據
1. “經驗之塔”理論
1946年,美國視聽教育專家埃德加·戴爾(Edgar Dale)在其所著的《教學中的視聽方法》一書中提出了“經驗之塔”理論?!敖涷炛睂⑷藗儷@得的經驗分為三大類:做的經驗、觀察的經驗和抽象的經驗。將3D打印筆應用于教學過程中,可以讓學生自己使用3D打印筆構想、打印物體以獲得有目的的直接經驗和設計經驗,也可以是教師將抽象的知識通過3D打印筆進行可視化演示展現,以幫助學生將“做的經驗”、“觀察的經驗”和“抽象的經驗”三者有機結合,既拓展了學生的感覺和知覺,又使學生的思維能力得到進一步發(fā)展。
2. “教學做合一”理論
“教學做合一”是我國教育學家陶行知教育思想的精髓,強調在“做”上下功夫,在做中教,做中學,他提倡“做中學”、反對“坐中學”。將3D打印筆應用于學科教學過程中,教師可以在做中教,學生也可以在做中學,在加強了師生互動的同時,也解放了學生的雙手,讓他們動手操作、親身體驗。
四、 3D打印筆在教育領域的應用案例
1. 3D打印筆在中學數學教育中的應用
中學數學可以分為代數和幾何,而幾何當中的立體幾何要求學生要有較強的空間抽象思維,這對大部分學生來說都是難點。在這部分教學內容上,以往教師多采用平面斜二測畫法來畫出立體幾何的平面直觀圖,或者用架小棒、削蘿卜、捏橡膠模型等方式自制一些簡單的教具來幫助學生理解。但平面直觀圖難以讓學生憑空構想出三維幾何體,教具的準備又需要教師花費大量的時間和精力,且如何保證這些教具不變形、不變質也是個難題,學生在整個學習過程中的參與性也較低。往往是費力不討好,并不能達到理想的教學效果。而使用3D打印筆時,教師只需寥寥幾筆就能在空氣中直接畫出一個三維立體的幾何圖,并且可以隨意的更改或添加輔助線,也可以用不同顏色來表示截面,學生一看便知長方體、圓柱體等被橫切、斜切、豎切后的截面是一個什么圖像。通過3D打印筆可以將數學問題形象化、可視化,不僅培養(yǎng)了學生的空間思維和抽象思維,也激發(fā)了學生的學習興趣,提高了教學效率。
2. 3D打印筆在中學化學教育中的應用
在中學化學教學中,涉及了分子、原子等的結構和形狀時,一般采用平面圖或者實物模型來開展教學。然而平面圖在反映分子等的空間結構和立體形狀上效果不佳,而實物模型價格又比較貴,只能少量配備,不能完全滿足教學需求。而使用3D打印筆則可以隨教學需要,實時的將分子結構按比例放大并呈現出來,立體形象而直觀,且單位價格便宜。
3. 3D打印筆在中學地理教育中的應用
中學地理中也有很多知識點可以利用到3D打印筆幫助教學。例如,“氣壓帶和風帶的形成”是高中地理必修一的教學重點和難點之一,課標要求學生能“繪制全球氣壓帶、風帶分布示意圖,”但由于缺乏空間想象力,學生往往只能死記硬背,并不能很好地理解并繪制出示意圖。利用3D打印筆,可以直接在傳統(tǒng)的地球儀繪制三維立體的三圈環(huán)流圖,而且能直觀地看到高空和近地面風向的偏轉,便于學生知識的掌握和空間能力的培養(yǎng)。
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