3D打印在教學(xué)中的應(yīng)用

郭建才

摘要：3D打印技術(shù)是近年來受到廣泛關(guān)注的一種新型技術(shù)，如何將3D打印技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，已經(jīng)成為眾多教育工作者所關(guān)注的問題。本文通過一些具體案例，探討了3D打印在學(xué)科課堂教學(xué)、自制教學(xué)模型、學(xué)生科技活動、畢業(yè)設(shè)計、教學(xué)模型共享、教學(xué)方法改革等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D打??；教學(xué)應(yīng)用；教學(xué)模型；三維建模

中圖分類號：G420 文獻標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）08-0063-02

隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，其已應(yīng)用于工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、建筑工程、文化創(chuàng)意、航空航天、教育、汽車、消費品和日用品等眾多領(lǐng)域。在美國，3D打印已廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域，美國的大多數(shù)大中小學(xué)已經(jīng)開設(shè)了3D打印課程。在我國，3D打印也逐步在教育領(lǐng)域得到應(yīng)用，因此如何在教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，已經(jīng)成為眾多教育工作者所關(guān)注的問題。

3D打印在學(xué)科課堂教學(xué)中的應(yīng)用

3D打印出的教學(xué)模型具有具體、直觀、形象的特點。教師利用3D打印出的教學(xué)模型在課堂上進行講解，使教學(xué)內(nèi)容直觀、生動、形象，有利于學(xué)生理解復(fù)雜抽象的教學(xué)內(nèi)容，從而突破教學(xué)的重點、難點。

例如，基因控制蛋白質(zhì)的合成這部分知識，是生物教學(xué)的重點和難點，將堿基序列轉(zhuǎn)化成氨基酸序列是遺傳信息表達過程，復(fù)雜且抽象，學(xué)生往往難以理解和掌握。但利用3D打印出“基因表達模型”，教師利用“基因表達模型”邊演示邊講解，能把遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯結(jié)合在一起的過程直觀地展示出來，將復(fù)雜、抽象的問題簡單化、直觀化，使學(xué)生很快就理解了基因表達的過程。

3D打印在自制教學(xué)模型中的應(yīng)用

過去，教師在自制教學(xué)模型時，盡管有很好的靈感和設(shè)計方案，但由于材料及制作工藝的限制，自制的教學(xué)模型往往比較簡陋，甚至有時因為材料難找或者造型加工困難而不得不放棄，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，使得這一問題迎刃而解。利用3D打印，不僅可以快速打印教學(xué)模型，還可以對教學(xué)模型進行修改。

目前，學(xué)校使用的教學(xué)模型存在更新周期慢，不能滿足教學(xué)的個性化需求等不足。有了3D打印，可以很好地解決這方面的問題，教師可以根據(jù)教學(xué)需要，自己設(shè)計制作個性化的教學(xué)模型，可以對教學(xué)模型進行修改，而且教師、學(xué)生也可以一起設(shè)計、制作教學(xué)模型。師生共同制作教學(xué)模型，不僅能夠幫助學(xué)生加深對重難點知識的理解和掌握，還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3D打印在學(xué)生科技活動中的應(yīng)用

3D打印機可制造傳統(tǒng)方法難以加工甚至無法加工的復(fù)雜構(gòu)體，打破了傳統(tǒng)制造的局限性。學(xué)生只要能把“想象”轉(zhuǎn)化成三維數(shù)據(jù)模型，就可以通過3D打印機打印出實物成品，從而縮短了設(shè)計“想象”與“實物成品”之間的距離。因此，可以將3D打印機、電腦、各種測試儀器等組建成創(chuàng)客實驗室，在實驗室里，學(xué)生可以將自己的“想法”打印出來，使其變?yōu)楝F(xiàn)實。

例如，在設(shè)計制作火箭機翼的科技活動時，學(xué)生首先通過上網(wǎng)查找、搜集火箭機翼設(shè)計的相關(guān)資料，學(xué)習(xí)相關(guān)知識，然后自行設(shè)計火箭的機翼，用3D打印出機翼等零件后，進行空氣動力學(xué)的風(fēng)動測試，最后對設(shè)計的機翼進行修改，直到機翼設(shè)計達到預(yù)定目標(biāo)。3D打印極大地拓展了學(xué)生的創(chuàng)新思維空間。

3D打印在畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

3D打印的快速打印功能，可以快速將畢業(yè)設(shè)計變成實物，極大地方便了畢業(yè)設(shè)計的效果檢測及修改，提高了設(shè)計的效率。過去，由于制造材料、工藝技術(shù)的限制，學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計轉(zhuǎn)化成為實物時間很長，修改設(shè)計也需要花很長的時間，非常麻煩，現(xiàn)在，我們有了3D打印，就可以快速將設(shè)計轉(zhuǎn)化成為實物，方便了后期對實物產(chǎn)品進行試驗檢測，及時發(fā)現(xiàn)問題并對設(shè)計進行修改。

例如，在做橋梁設(shè)計時，學(xué)生利用3D打印機打印出橋梁部件后，通過實物組建橋梁，不僅可以觀察到設(shè)計的實際效果，還可以分析檢測橋梁的受力情況，如果發(fā)現(xiàn)達不到設(shè)計要求，可以及時對設(shè)計方案進行修改，直到達到設(shè)計要求。

3D打印在教學(xué)模型資源庫使用及共享中的應(yīng)用

3D打印的基礎(chǔ)是建立三維建模，有了三維模型，才可以打印實物。因此，教師在教學(xué)應(yīng)用中，可以分門別類地建立各學(xué)科的3D教學(xué)模型資源庫，如物理教學(xué)模型資源庫、生物教學(xué)模型資源庫等，供各學(xué)科師生使用。在教學(xué)中，教師可以根據(jù)教學(xué)需要，從教學(xué)模型資源庫調(diào)取所需的教學(xué)模型進行打印，也可以對教學(xué)模型資源庫中的教學(xué)模型進行修改后打印，還可以將自己設(shè)計的新教學(xué)模型添加到教學(xué)模型資源庫中，供其他教師共享使用。

例如，機械制圖專業(yè)可以建立機械制圖的3D模型素材庫，在進行機械設(shè)計時，師生可以從3D模型素材庫中調(diào)取所需的零件模型，也可以將師生設(shè)計的新零件模型添加到模型庫中，供大家共享使用，這樣設(shè)計效率大大提高了。另外，對醫(yī)學(xué)解剖、文物古跡等難以獲取的模型，也可以通過3D掃描儀進行掃描，添加到3D模型資源庫中，供師生共享使用，這樣特殊的、難以獲取的模型也可以在課堂呈現(xiàn)。

3D打印在教學(xué)方法改革中的應(yīng)用

3D打印為教學(xué)方法改革提供了良好的條件。將3D打印融合到課程教學(xué)中，有利于探究式教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法、項目教學(xué)法的實施，有利于學(xué)生體會到“做中學(xué)”的樂趣，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新思維。

例如，在學(xué)生學(xué)習(xí)潛水艇的原理之后，教師可提出“設(shè)計制作簡易潛水艇”這一任務(wù)。學(xué)生根據(jù)所學(xué)過的知識，分小組上網(wǎng)查找潛水艇的相關(guān)資料，設(shè)計出制作潛水艇的方案，對設(shè)計好的潛水艇方案進行三維建模，利用3D打印機將設(shè)計好的潛水艇各個部件打印出來，組裝成潛水艇模型。然后，教師要求學(xué)生現(xiàn)場演示、測試潛水艇模型的性能，師生一起對制作的潛水艇模型進行評價，提出修改意見?！爸谱鳚撍А边@一探究式教學(xué)實踐，不但激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新思維，提高了學(xué)生的動手能力，而且促進了教學(xué)方法的改革。

結(jié)束語

盡管目前3D打印技術(shù)還面臨著材料、成本以及三維建模等方面的問題，但隨著3D打印機成本的降低以及學(xué)校師生三維建模能力的提高，相信3D打印將會逐漸走進課堂，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、提高學(xué)生動手能力、促進教學(xué)改革等方面發(fā)揮重要的作用。

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