基于 3 D打印技术的高中通用技术课堂案例探究

程超

【摘要】通过对通用技术课堂上3 D打印技术实践应用的分析与总结，发现在课堂上引入3 D打印技术可以很好地激发学生学习通用技术的兴趣；并初步探讨了3 D打印技术在通用技术课堂上的作用。

【关键词】3 D打印技术 通用技术 技术素质

一、引言

在通用技术课堂上引入3 D打印技术与当代科技和教育的发展趋势高度契合，这也与我国实施素质教育，培养创新型人才的战略步调一致。3 D打印技术渗入到通用技术课堂，不仅能激发学生学习的兴趣，培养学生的创新意识，还能提高学生的动手能力，更与当今新兴的创客教育不谋而合。

二、通用技术和3 D打印技术的概述

通用技术是指信息技术以外，较为宽泛的、体现基础性和通用性并与专业技术相区别的技术。通用技术是一门立足实践、高度综合、注重创造、教学与人文融合的课程。如果仅用传统的教学方式来进行通用技术学科的教学，不但枯燥无味，难以激发学生的兴趣，也脱离了新课标对学生的培养目标。只有把“学中做”和“做中学”有机结合，才能更好地培养学生的技术素养，而3 D打印技术为其提供了一个很好的平台。

3 D打印技术最早出现于20世纪90年代中期，是通过三维建模软件和3 D打印机将材料逐层打印而形成物品的一种新型工艺。与普通打印机相比，3 D打印机所使用的材料有PLA、ABS塑料、金属、陶瓷等，可将原材料打印成为3 D立体实物。在舰艇制造、航天、医学、建筑、汽车和电子等领域，3 D打印技术有着广泛的应用，因此在通用技术课堂上引入3 D打印技术，不仅顺应时代潮流，让学生了解前沿科技，更能激发学生学习通用技术的兴趣，培养学生的动手和创新能力。

三、课堂实践过程

为了激发学生学习通用技术的兴趣，在《技术与设计1》第二章第一小节“技术与设计的关系”课堂上引入3 D打印技术，让学生将自己的创意设计变为现实，具体过程：

（一）三维建模

3 D one软件是一款适合学生使用的建模软件，界面简洁易操作（如图1），主要包含了7部分：主菜单、标题栏、左侧工具栏、绘图区、资源栏、视图导航器、底部工具栏。学生只要掌握了左侧和底部工具栏里的基本功能，构建模型就很简单了。下面通过简单的logo模型制作来了解3 D one的建模过程。首先用左侧工具栏中的基本实体命令画出一个直径为80 mm的圆柱体（如图2-a）；其次用左侧工具栏中特殊功能的浮雕命令，打开需要雕刻的图片（如图2-b），点击确定命令就制成了如图2-c的模型。在此基础上学生通过激烈讨论，精心挑选，用3D one软件分别建造了8个模型（如图3），上有不同的8个logo：学校校徽（3-a）、文明诸暨（3-b）、山水绍兴（3-b）、大江之美（3-c）、杭州亚运会（3-e）、改革开放（3-f）、初心（3-g）和国徽（3-h）。

（二）切片处理

打印机与建模软件之间的协议文件格式为STL格式，因此要将建造的模型进行切片处理，即将模型分区成逐层的截面，从而引导打印机打印。这里学生用Cura软件进行切片处理。主要参数设置：（1）质量：层高设为0.2mm，外壳厚度设置为0.6mm，勾选开启回抽；（2）填充：底部/顶部厚度设为0.6mm，填充密度设为20%-30%；（3）速度和温度：打印速度设为80mm/s，打印温度（喷头温度）设为220度，热床温度根据需要设置为合适值；（4）线材：线材直径设置为1.77mm，流量设置为100%。

（三）模具打印

学生将设计的模型通过3 D打印机打成模具。在打印过程中由于打印需要不同的时间，通过合理安排打印的顺序，为后面学习流程设计章节奠定基础。

（四）实物制作

通过小组合作模式，大家分工协作，自己通过动手和面、揉面等一系列的实践操作，将自己制作的创意logo做在了月饼上。由于学生动手能力的差异，导致制作速度的不同，针对此问题，作者专门让学生以小组为单位来制作。

四、分析与总结

随着计算机技术的飞速发展，越来越多的教师都喜欢借助计算机教学，在这种教育模式的发展趋势下，处理好与计算机的联系必然促进教学方式的革新[1]。3 D打印技术真正实现了与计算机的无缝对接，在3 D课堂上，学生的视觉、触觉等学习器官被充分调动了起来，学生通过小组讨论、精心挑选，选出具有时代气息的logo，并通过电脑进行设计，与传统的设计表现方式草图绘制进行比较，真正理解设计与技术的关系：技术为设计提供平台，丰富了设计的表达手段。这不仅可以学习到书本的新知识，还能进行模型构建，真正实现“做中学”。切片处理阶段让学生更好地理解了3 D打印的原理，让学生明白任何事物都有其规律，学习过程中要学会透过现象找本质。参数的设置让学生切身体会到任何事物都有其标准和原则，这为通用技术第三章节“设计过程、原则及评价”的学习打下了良好的基础。模具打印过程给学生提供了一个操作机器的机会，有的学生是第一次近距离接触科技前沿设备，因此很兴奋，这不仅激发了学生的好奇心，还为培养学生学习通用技术的兴趣提供了有利的条件。制作实物阶段让学生亲自动手，不仅提高了学生的动手能力，更锻炼了学生的团队合作能力。最后欣赏和品尝到自己亲手制作的月饼，使学生切身体会技术就在身边。

在通用技术课堂上如何创新是我们每位通用技术老师都应关注的问题，而要创新首先得培养学生的兴趣。从学生的主体看，中学阶段的学生对未知事物有很强的好奇心，而好奇心是兴趣的源动力，也是创新的源动力。他们喜欢与众不同，这为培养学生的创新意识提供了有利的条件，因此，在通用技术课堂上首先要激发他们的好奇心和学习的兴趣。而引入3 D打印技术，很大程度上吸引学生去了解，去参与，彻底激发他们的求知欲。高中的知识比较抽象、难理解，需要学生有较强的逻辑思维和想象能力。但由于个性化的差异，导致了很多学生在理解上会产生较大的偏差，影响学生知识思维的建立[1]。而3 D打印技术可以很好地解决这个问题，让模型或原型真正走进课堂。教师通过3 D打印机将模型打印出来，直观展示给学生，从而让学生通过视觉来验证知识的正确性，更好地学习并理解新知。3 D打印技术走进通用课堂，在实现了“实例化”教学的同时，也让学生真正融入课堂，不再把学习认为是抽象的、枯燥的，而是直观的、生动的。这样，不仅提高了教师的教学效率，还提高了学生的学习能力。

高中通用技术教学力求教师能够以“指导者”身份引导学生参与技术探究和技术试验，充分发挥学生的主体作用，这才是真正意义上的创新教育。创新强调的是与众不同，因此想要培养学生的创新思维，就要鼓励学生多观察、多动手、多思考，做到知其所以然。鼓励学生勇于探索、敢于发表自己独到的见解，做到主动求知。例如在《技术与设计1》第五章“方案的构思”中，作者以“多功能椅子”的方案设计为切入点，让学生以小组为单位，开展“头脑风暴”活动，引导学生积极思考，大胆想象，设计出了各式各样的方案。

五、3 D打印技术在通用技术课堂的作用

1. 有利于理论和实践相结合

通用技术学科非常注重理论和实践相结合，若采用传统的方式进行教学，《技术与设计1》中的理论知识比较容易理解和掌握，但是学生的动手能力和创新思维就得不到提升。而3 D打印技术为理论和实践相结合的实现提供了可能。如本文中的教学实践，学生对“技术与设计的关系”这一章节内容不仅有了更深的理解，而且还增强了他们的动手能力，同时也为他们创新意识的培养提供了可能。不断的在这种实践的熏陶下，学生分析问题和解决问题的能力也会逐步提高。

在通用技术课堂引入3D打印技术，不仅让学生的理论学习更加容易，而且让学生参与技术实践活动，提升了他们的技术素养。通过将前沿技术引进通用技术课堂，让理论与实践有机结合在了一起，让技术融入生活，让生活充满技术，真正地把课堂还给学生。

2. 快速有效地制作教具

相对于实际需求而言，高中通用技术配置的教具多少会存在一些适应性的问题。本文作者觉得，教师应该结合本校学生的特点探究研发适合通用技术教学的相关教具。而3 D打印技术就可以打印出一些三维立体的教具，既能使教师的教学生动有趣，又能让学生的学习轻松愉快。利用模型教学可以充分调动学生的多方位感官，使抽象难懂的知识变得直观形象。这样可以营造出立体式教学的良好氛围，让学生在轻松愉悦的环境中学习，从而对于知识的学习与理解更加深入。

随着3 D打印技术的日趋成熟，相对于市场采购，3 D打印还具有周期短、成本低等优势[2]，还可以制作出适合不同年龄段、不同学科的教具。设计的一般过程包括发现与明确问题、制定设计方案、制作模型或原型、评估优化等，此种流程比较费时。如利用传统方式制作便携式小凳的模型，包含了下料、划线、锯割、凿削、锉削等多种复杂工艺，操作不当还存在安全隐患。但利用3 D打印技术则可以避免这些，还大大节省了时间。在测试评估阶段，如果要进行方案修改，利用传统方式比较麻烦，而3 D打印技术可以在计算机上进行方案的修改，也可以结合3 D扫描技术将实物直接扫描到电脑上进行修改，大大提高了效率。而且可以根据需要，进行计算机仿真虚拟试验来测试产品的结构、性能和质量等是否符合设计要求，从而减少实物模拟的次数，节省资源。

3. 培养学生的技术素养

提高学生的技术素养，不仅是高中通用技术课程的重要内容，也是当今时代发展对青年学子的号召，而3 D打印技术为其提供了一个很好的途径。高中通用技术学科核心素养包括：技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力[3]。

1.技术意识

技术本身是为了满足人类的需求和愿望，改造、利用、保护自然所采取的手段。这些手段是人类在经过很长一段时间积累磨练而形成的。高中生虽然掌握了一些最基础的生活经验，但若仅有理论的学习，很难形成技术意识。因此，在通用课堂上引入3 D打印技术，让学生通过实践的慢慢积累，逐渐形成人机关系的基本观念，从而形成对技术的敏感性和负责任的态度。

2.工程思维

筹划性思维需要学生有整体观，并能够掌握一定的系统分析和方案比较的方法，而这是理论学习达不到的。学生利用3 D打印技术及相关建模软件，针对具体的问题进行分析，经历方案构思和方案筛选，并通过自己设计、自己动手来表达创意。对方案进行分析和筛选的同时，慢慢领悟基本的思想和方法，最终能够利用所学所悟进行简单的科学决策分析和实际应用，对简单的技术试验能够进行测试、评估和优化。

3.创新设计

3 D打印为学生的创新设计提供了无限可能。本文作者引导学生经历收集信息、设计分析、方案构思、方案呈现以及方案筛选，确定了最终的设计方案，以8个logo模型做出与众不同的月饼。除此之外，学生还想出了很多创意设计，如多功能椅子、水上垃圾收集器等，并取得了不错的竞赛成绩。现代科技为创新设计提供了无限可能。

4.图样表达

高中通用技术课程标准强调要重点培养学生的图样表达能力，技术图样是设计者表达创意和交流设计的有效手段，在生产生活中有着广泛的应用。《技术与设计1》第六章“设计图样的绘制”内容对学生空间思维能力有较强的要求，而3 D one软件简单易操作，对学生的空间思维培养提供了很大的帮助。3 D打印技术引进课堂的教学模式相对传统教学，让学生空间想象力的培养变得更加容易。利用3 D one等软件建造的模型，不仅仅是三维立体结构，而且还可以进行旋转、切割等操作，也可以投影出三视图，这为后期通用技术教学中遇到的三视图、草图设计教学也提供了很大的帮助。通过3 D打印技术，学生构建模型并打出实物，能让学生直观地进行选择和优化自己的设计方案，能提高学生的图样表达能力，更能提升学生的图样表达能力。

5.物化能力

通过通用课堂的实践操作，让学生对常见材料的性能、基本设施的使用方法都有了一定的了解。若经过一定时间的积累，学生会逐渐形成对材料的规划、对工艺的选择意识，并能够独立地完成模型或原型的制作，不断地改进优化自己的设计方案，这为学生的动手实践能力和创造能力提供了有利条件。

4. 为创客教育提供有效途径

“创客”，通俗点理解就是一群将创意变为现实的人。如今为了能跟上教育的发展步伐，满足学生的个性化需求，很多学校都成立了创客实验室和创客社团[4]。创客教育融合了项目式教学和体验式教学，融入了DIY理念和科技元素[5]。在一些科技比赛中3 D打印为学生们创意设计的实现提供了有效的途径，并且取得了不菲的成绩。同时，学生还把一些比较有创意的、具备时代气息的产品打印出来进行展览，经过长时间的熏陶，潜移默化地激发学生的创新热情，为创客教育的开展打下良好的基础。

六、总结与展望

通过一次尝试，在通用技术课堂引入3 D打印技术，让学生自己动手设计、制作，完成一系列的实践活动，让学生把自己所学与生活密切结合起来，效果显著。不仅陶冶了学生的情操，更让学生的动手能力、创新能力和团队合作能力得到了很大的提高。通过本次课堂案例，还初步探讨分析了3 D打印技术在通用课堂的作用：能让理论和实践充分结合；可以快速有效地帮助教师制作教学用具；可以培养学生的技术素养；还为创客教育的开展提供了有效的途径。在未来，3 D打印技术不仅能走进通用技术课堂，其它如数学、物理、地理和生物等学科也可以引入，让学生更好地学习知识，让自己所学的知识真正融入生活。

参考文献

[1]盖立慧.3D打印技术在通用技术课堂应用探究[J].信息记录材料,2017,(4):75-76.

[2]孟献军.通用技术课程陈述性知识教学方法的案例研究[J].北京教育学院学报（自然科学版）,2011,(1):53-56.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中通用技术课程标准（实验）[S]. 北京 : 人民教育出版社,2003.

[4]吕士媛.3 D建模打印在高中通用技术课程中的实践探索[J].中国教育技术装备,2017,(7):27-28.

[5]刘海青.以生成技术学科核心素养为目标的通用技术项目教学实践探析[J].中国教育技术装备,2018,(1):65-67.

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