3D打印技術在分子球棍模型中的實踐初探

張凱++趙騰任

【摘要】3D打印作為快速成形技術的一種，通過逐層堆疊累積的方式打印出各種實物。該技術在工業(yè)、建筑、醫(yī)療、生活等領域應用越來越廣泛，而在基礎教育領域的應用仍處于起步探索階段。文章首次列舉了幾種3D打印分子球棍模型教具在課堂教學中的實踐應用，實現了傳統(tǒng)球棍模型在使用過程中的新突破。對比傳統(tǒng)有機分子球棍模型教具，顯示出3D打印球棍模型無可比擬的諸多優(yōu)點。

【關鍵詞】3D打印技術；化學；教學；球棍模型

【中圖分類號】G434

2013年美國新媒體聯(lián)盟與美國高等教育信息化協(xié)會合作發(fā)布的《地平線報告》中首次將3D打印的教育應用列入“待普及”，并且預測在未來的4-5年內，3D打印技術將成為主流趨勢大面積走進中小學課堂。3D打印技術對教育的重要價值不僅在于它能夠創(chuàng)造對事物真實、直觀的探索機會，還在于為學科教學帶來新視角和新思路，有效改善教師的教學效果，提高學生的學習效率，提升學生的創(chuàng)新能力和問題解決能力，促進各學科課堂三維教學目標的落實和突破。

一、3D打印技術及其在學科教學中的應用現狀概述。

3D 打印，屬于快速成形技術的一種，也叫增材制造技術[1-2]，它是一種以三維數字模型為基礎，運用粉末狀塑料或金屬等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術。3D 打印技術能夠成功地利用各種材料打印出汽車零件、建筑模型、珠寶配飾、身體器官等多種多樣的實物，在工業(yè)制造、建筑設計、生物醫(yī)療、日常生活等領域得到了廣泛的應用[3]。

3D打印技術在國外教育領域已出現一些優(yōu)秀的應用案例，然而在國內中小學教學活動中的應用才剛剛起步[4]。例如語文學科中3D打印人民大會堂、趙州橋結構教具用于更直觀說明兩者的結構；數學學科中各種幾何體的3D打印切割用于立體幾何的教學.遺憾的是，3D打印技術在化學課堂教學中的應用卻鮮有報道。

二、3D打印分子球棍模型教具在中學化學課堂教學中的實踐應用

1.傳統(tǒng)球棍模型教具的使用特點

在中學化學教學中，教師經常使用球棍模型幫助學生理解各種有機物的空間結構特點。教師用球棍模型代表各原子的小球多采用具有彈性的橡膠材料制成，代表共價鍵連接各小球原子的細棍多是金屬材料。教師在組裝結構較復雜的有機分子時，往往存在細棍和小球連接不緊密容易松動脫落、單鍵不易旋轉等突出問題。由于橡膠小球存在很大彈性，用于組裝像環(huán)己烷等分子球棍模型時，將組裝好的球棍模型置于水平桌面上會看到：借助六個氫原子小球在桌子上的支撐作用，六條碳碳單鍵直觀顯示為同時存在于平行于桌面的同一平面上。顯然這是不符合六個碳原子成鍵特點和規(guī)律的，也暴露出傳統(tǒng)教師用球棍模型橡膠小球和金屬細棍在組裝連接過程中由于受力不均而隱藏扭曲，缺失真實客觀性的弊端，易對學生造成誤導。

2.3D打印球棍模型教具的應用優(yōu)勢

使用3D打印技術，選擇采用ABS、PVA等硬度較大的合成材料，根據需要打印不同尺寸的圓球和細棍并進行連接組合，可有效克服圓球和細棍由于受力不均，無法客觀再現分子真實結構的缺點。通過巧妙設計小球孔徑及內部結構，可實現代表共價單鍵的細棍在緊密連接兩頭原子的同時根據需要手動旋轉。3D打印球棍模型所用材料質量輕易于攜帶，可供選擇顏色種類多，打印模型更美觀精細，原子符號可以直接打印至小球表面便于辨認。3D打印各小球和細棍從數量上不受任何限制，如有損壞遺失可及時打印補充，從而滿足教師和學生在不同場合的各種使用需求，大大提高了球棍模型的使用范圍和靈活性。以下從幾個方面，著重介紹幾例3D打印分子球棍模型教具在課堂教學中的創(chuàng)新應用。

2.1 含大π鍵苯環(huán)結構整體在苯環(huán)相關結構學習中的應用?，F有苯的球棍模型都是按照苯的凱庫勒式進行拼接，單雙鍵交替的結構顯然與苯分子結構特點存在沖突，不利于學生理解苯環(huán)六條完全相同的碳碳鍵的獨特性。利用3D打印技術完全可以實現打印苯環(huán)結構中特殊的大π鍵。利用透明材料將六個碳原子與苯環(huán)中兩個直徑大小不一的同心圓相連，同心圓之間放置六個與同心圓大小匹配的圓球代表六個碳原子提供的六個電子。巧妙之處在于借助3D打印的“一體成型”的特點，六個“電子”還可以在兩個同心圓之間靈活活動。含有大π鍵的苯環(huán)整體結構球棍模型無疑更加符合苯環(huán)自身結構特點，更具科學性，給學習程度較好的學生提供了進一步深入探討的空間和可能。通過對含大π鍵苯環(huán)結構大小的調整，還可打印教師、學生兩用含大π鍵的苯環(huán)結構整體用于與其它原子相連，為研究芳香族化合物結構特點提供便利。

2.2 虛擬分子結構打印幫助學生對比學習有機結構知識。以甲烷的空間構型學習為例，教師經常會引導學生討論甲烷的空間構型為何。借助3D打印技術，教師不妨進行大膽嘗試，讓學生自己想想一個碳原子和四個氫原子可以組成哪些相對對稱的結構，并將任何可能的結構打印出來進行實物對比。學生可結合科學實驗事實，分析討論，得到正確結論。3D打印虛擬結構的球棍模型已經完全突破了傳統(tǒng)球棍模型教具的使用范圍，對于培養(yǎng)學生科學探究的學習思維大有裨益。

2.3 經典有機分子模型打印幫助學生充分理解分子構型變化。在碳原子成鍵特點的講解過程中，學生經常容易受碳鏈碳環(huán)結構簡式書寫的影響，學生易將環(huán)己烷等結構機械的理解為平面結構。通過3D打印環(huán)己烷球棍模型使用，學生可以一目了然的觀察到碳環(huán)的結構特點。

2.4 復雜有機分子模型在原子共線共面判斷中的應用。有機分子中各原子共線共面問題正確合理的分析能夠幫助學生更好理解碳、氫、氮、氧等原子成鍵特點。但很多分子結構模型往往比較復雜，涉及多個母體結構，存在很多理解困難。通過3D打印較復雜有機分子球棍演示模型的使用，教師可以將復雜分子結構模型直觀立體的呈現在學生面前，手動旋轉球棍模型中的單鍵，幫助學生更直觀的觀察學習，總結原子共線共面的情況，變抽象為具體有效突破理解難度。

英國經濟學家Paul·Markillie將3D打印技術譽為第三次工業(yè)革命的重要標志之一 。隨著3D打印時代的來臨，各行各業(yè)將面臨巨大的變革，教育行業(yè)自然不能例外。在國家和政府對3D打印技術發(fā)展的大力支持和鼓勵下，將3D打印技術引入化學課堂教學，發(fā)揮先進技術和一線教學整合的優(yōu)勢彌補常態(tài)課堂直接經驗不足的劣勢，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的科技創(chuàng)新人才的重要途徑，也是我國教學改革的需要。

【參考文獻】

[1]劉金暢。3D打印技術以及應用趨勢[J].電腦知識與技術，2014，（10）： 8315-8316

[2]李媛媛，艾賢明。3D打印技術在高中通用技術課程中的應用研究[J].中小學電教，2015，（4）：19-21

[3]本刊記者。簡談3D打印現狀及在各行業(yè)的應用[J].信息技術與信息化， 2014，（4）：10-14

[4]花燕鋒，張龍革。3D打印技術在教育中的應用研究[J].中小學電教， 2014，（6）：16-18endprint