利用3D打印技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生空間思維

汪奇

摘要：3D 打印是一項(xiàng)新興技術(shù)，能激發(fā)學(xué)生動(dòng)手操作的興趣，創(chuàng)新實(shí)踐的方式。教師應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代教育技術(shù)，適應(yīng)課堂教學(xué)變革，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，探究更為有效的課堂教學(xué)模式。同時(shí)，教師應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生空間意識(shí)，通過(guò)展示空間模型，發(fā)展學(xué)生的空間思維能力。

關(guān)鍵詞：3D打印空間思維長(zhǎng)方體

3D打印技術(shù)是一項(xiàng)新興的快速成型技術(shù)，其基本原理是通過(guò)層層疊加制造，在X軸、Y軸坐標(biāo)方向形成物體的橫截面形狀，然后在Z軸坐標(biāo)不停地做層面厚度移動(dòng)，形成三維立體空間制件。3D打印在航空、醫(yī)療、建筑、文物保護(hù)、個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域等有著廣泛的應(yīng)用，以呈指數(shù)暴增的迅猛勢(shì)頭走向我們的視野，走向我們的生活，走向我們的課堂。

3D打印筆是一項(xiàng)應(yīng)用技能創(chuàng)新實(shí)踐，具有3D 打印元素的“筆”的功能。它無(wú)須電腦支持，使用 PLA 或 ABS耗材，可以在任何物體表面上盡情“書(shū)寫(xiě)”。3D打印筆使用加溫鍵達(dá)到一定溫度，調(diào)整進(jìn)絲鍵，熔化耗材通過(guò)筆頭熱融的塑料（如 PLA ），稍后冷卻固化所需形態(tài)。一線(xiàn)教師應(yīng)充分利用這種新技術(shù)喚起學(xué)生求知熱情，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能，引導(dǎo)學(xué)生利用新媒介，引領(lǐng)學(xué)生走向未知的領(lǐng)域，為學(xué)生未來(lái)創(chuàng)新奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

一、使用3D打印筆，培養(yǎng)學(xué)生空間意識(shí)

《長(zhǎng)方體的認(rèn)識(shí)》是五年級(jí)數(shù)學(xué)（人教版）教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生經(jīng)觀察、思考、歸納長(zhǎng)方體（正方體）的特征，利用3D打印筆嘗試描繪出長(zhǎng)方體的棱長(zhǎng)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)立體圖形及它們之間的關(guān)系，掌握一些簡(jiǎn)單圖形計(jì)算的數(shù)據(jù)處理能力。

本節(jié)課中，教師通過(guò)視頻展現(xiàn)國(guó)慶七十周年前夕，全國(guó)各地慶祝偉大祖國(guó)生日的場(chǎng)面。到處洋溢著節(jié)日的喜慶氛圍，許多城市的高大建筑利用彩燈、光帶裝扮一新。通過(guò)該視頻的呈現(xiàn)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行愛(ài)國(guó)主義思想品德教育，德育、智育并舉，從高大的建筑物中抽象出建筑物的形狀，引入課題。

教師通過(guò)動(dòng)態(tài)直觀演示，剝離實(shí)物形狀，呈現(xiàn)長(zhǎng)方體（正方體），通過(guò)展現(xiàn)課前準(zhǔn)備的3D打印作品——長(zhǎng)方體形狀的框架，讓學(xué)生建立空間意識(shí)，形成空間觀念，感受幾何直觀的效果。

二、學(xué)生動(dòng)手操作，實(shí)物展示空間模型

教師呈現(xiàn)長(zhǎng)方體形狀框架，并安排組長(zhǎng)帶領(lǐng)學(xué)生通過(guò)小組合作形式，完成學(xué)習(xí)單內(nèi)容，從長(zhǎng)方體框架到棱的數(shù)量、長(zhǎng)度進(jìn)行觀察，并依據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行分組。讓學(xué)生初步了解長(zhǎng)方體框架基本特征、每四條棱組成的面（本節(jié)課主要研究長(zhǎng)方體的棱，面另行研究。教材內(nèi)容先研究面，再研究棱及相關(guān)知識(shí)，教者對(duì)教材進(jìn)行深入探究，改變教學(xué)策略，先行研究棱）以及棱之間的相互關(guān)系。長(zhǎng)方體有三組不同的棱長(zhǎng)，相等的六個(gè)面，每個(gè)面都有兩組不同的棱。（特殊情況下，只有一組相對(duì)的面，兩組四條棱相等。）

在學(xué)生猜想、觀察、討論、交流的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有序思考，利用直尺實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證，發(fā)展學(xué)生推理能力。學(xué)生充分認(rèn)識(shí)長(zhǎng)方體特征、長(zhǎng)方體棱長(zhǎng)之間的相互關(guān)系后，利用3D打印筆（溫度調(diào)至195℃，速度為3檔，連接時(shí)速度調(diào)至為1檔，確保制作精細(xì)、美觀。如果速度過(guò)快，制作會(huì)不夠精細(xì)），用不同顏色制成每組四根長(zhǎng)度相等的耗材，供學(xué)生連接長(zhǎng)方體框架。教師可以讓學(xué)生選擇不同的連接方法（多數(shù)學(xué)生先用四條棱連接成一個(gè)面，再連接另一個(gè)同樣的面，最后用四條棱連接成長(zhǎng)方體）對(duì)不同面進(jìn)行組合，現(xiàn)場(chǎng)制成長(zhǎng)方體框架。學(xué)生在動(dòng)手過(guò)程中解決問(wèn)題，并提出新問(wèn)題，思考制成這個(gè)長(zhǎng)方體框架所用耗材有多長(zhǎng)，并進(jìn)行驗(yàn)證。

三、充分利用學(xué)生想象，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建幾何空間

利用3D打印筆，能幫助學(xué)生形成空間意識(shí)，發(fā)揮學(xué)生想象力，使其學(xué)會(huì)描述空間圖形。也可激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新靈感，使其進(jìn)一步認(rèn)識(shí)立體圖形及它們之間的關(guān)系，掌握一些簡(jiǎn)單圖形計(jì)算的數(shù)據(jù)處理能力。

在能力拓展環(huán)節(jié)，精心設(shè)計(jì)題型。教師應(yīng)精準(zhǔn)把握課堂教學(xué)核心，滲透教材，抓住數(shù)學(xué)的本質(zhì)。例如給出長(zhǎng)方體框架其中一組長(zhǎng)、寬、高的數(shù)量，讓學(xué)生閉起雙眼，發(fā)揮想象力，想象長(zhǎng)方體物體的形狀，大約占有空間，從橫向、縱向、高度考慮大概形成的樣子，以及相互之間長(zhǎng)度的關(guān)系。

學(xué)生通過(guò)認(rèn)識(shí)事物基本特征，經(jīng)歷實(shí)踐動(dòng)手操作，由表及里，探究事物的本質(zhì)，理解數(shù)學(xué)的真正價(jià)值。教師可要求學(xué)生利用剪刀，將制好的長(zhǎng)方體剪成只能看到4個(gè)完整的頂點(diǎn)，并且每個(gè)頂點(diǎn)上有三條棱的物體。學(xué)生在操作中，再次體驗(yàn)一個(gè)頂點(diǎn)三條棱，共有四組，每組長(zhǎng)、寬、高的長(zhǎng)度一樣。學(xué)生經(jīng)歷真正意義上的剖析過(guò)程，能清楚認(rèn)識(shí)事物，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)長(zhǎng)方體特征的目的。

四、選擇多維度設(shè)計(jì)，形成空間思維

學(xué)生通過(guò)數(shù)量、棱長(zhǎng)，長(zhǎng)方體棱長(zhǎng)、數(shù)量之間的關(guān)系，認(rèn)識(shí)長(zhǎng)方體，了解長(zhǎng)方體的特征。從不同維度思考，可以選擇點(diǎn)、線(xiàn)、面分別認(rèn)識(shí)長(zhǎng)方體。

利用3D打印筆的便捷性，隨手可以從同一個(gè)頂點(diǎn)連接三條不同棱為一組、兩組，直至連接四個(gè)頂點(diǎn)形成一個(gè)完整的長(zhǎng)方體框架。學(xué)生通過(guò)實(shí)物教具，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)方體相等長(zhǎng)度的四條棱分別平行，而且每?jī)蓷l棱在一個(gè)面且平行。也可以選擇面，首先選擇不同長(zhǎng)度的棱各兩根，連接四個(gè)頂點(diǎn)，形成一個(gè)面，用同樣的方法再連接另一個(gè)面，再用四條相同長(zhǎng)度的棱連接八個(gè)頂點(diǎn)，形成長(zhǎng)方體框架。上述長(zhǎng)方體框架的形成，可用3D打印筆迅速完成，即用即成，便捷有效。學(xué)生通過(guò)演示、觀察、操作，經(jīng)歷拼接、分解，直至從不同維度進(jìn)行連接。在此種知識(shí)的形成過(guò)程中，發(fā)生著質(zhì)的變化，能形成思維的不同維度，有利于學(xué)生空間思維的形成。

五、培養(yǎng)空間思維，思考實(shí)踐經(jīng)歷

通過(guò)深入研究，結(jié)合學(xué)生實(shí)際，利用3D建模軟件創(chuàng)造性地打印所需學(xué)具。利用獨(dú)特的3D學(xué)具，構(gòu)建學(xué)生的空間思維，在自由的觀察、討論、建模創(chuàng)作中，收獲認(rèn)知新事物的成就感。如在教學(xué)《長(zhǎng)方體的認(rèn)識(shí)》一課中，讓學(xué)生先利用3D建模軟件，在建模平臺(tái)上建立一個(gè)六面體（軟件默認(rèn)數(shù)值為20mm×20mm×20mm），然后讓學(xué)生隨意更改這個(gè)六面體長(zhǎng)、寬、高的數(shù)值。通過(guò)數(shù)值的變化，所改數(shù)值即所見(jiàn)圖形，將數(shù)學(xué)中“數(shù)”與“形”緊密地結(jié)合起來(lái)，在學(xué)生的腦海里留下數(shù)形結(jié)合的直觀表象，無(wú)形中培養(yǎng)了學(xué)生的空間思維和理解能力。

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，合理使用教材，準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)新穎獨(dú)創(chuàng)的教具、學(xué)具，需要教師付出時(shí)間、精力、物力，需要教師適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展，不斷接受新的教學(xué)理念，學(xué)習(xí)現(xiàn)代教育信息技術(shù)。同時(shí)，需要教師花費(fèi)大量的時(shí)間與精力進(jìn)行琢磨，掌握新的教學(xué)手段，應(yīng)用于課堂教學(xué)。

PLA 材料是生物降解塑料，加熱熔化后無(wú)氣味，相對(duì)于ABS材料安全而且環(huán)保，成品的變形較小，在桌面級(jí)的3D打印機(jī)里使用率比ABS材料要高。然而，我們?cè)趯?shí)際使用耗材時(shí)，

還是能嗅到耗材使用過(guò)程中彌漫在空氣中的異味。這些氣體對(duì)于未成年人，特別是發(fā)育期間的孩子的影響還有待取證。目前，3D打印筆制造、維護(hù)、耗材成本雖低，但不是十分經(jīng)濟(jì)，這無(wú)形中增加了教育成本。

在小學(xué)階段數(shù)學(xué)教學(xué)中，使用3D打印技術(shù)為構(gòu)建空間模型提供了便利，便于學(xué)生建構(gòu)空間觀念，幫助學(xué)生經(jīng)歷二維到三維，立體到平面，面、線(xiàn)、點(diǎn)的變化過(guò)程。將3D打印技術(shù)與小學(xué)數(shù)學(xué)中的空間與圖形教學(xué)結(jié)合在一起進(jìn)行創(chuàng)造性教學(xué)，有創(chuàng)新，有突破，有發(fā)展。毫無(wú)懸念，3D打印技術(shù)會(huì)越來(lái)越普及，使用會(huì)更方便。當(dāng)其實(shí)用性和使用的便捷性為人們普遍接受，3D打印技術(shù)將會(huì)徹底改變?nèi)藗兊纳?，繼而變革我們的課堂。

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責(zé)任編輯：黃大燦?趙瀟晗