3D打印技術(shù)與高中化學(xué)融合的教學(xué)設(shè)計與實踐效果

徐 文

上海市風(fēng)華中學(xué)

一、 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）》提出了對學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的要求，化學(xué)核心素養(yǎng)是高中生必備的科學(xué)素養(yǎng)［1］。在近些年的教育實踐中，教師進行了基于核心素養(yǎng)的化學(xué)教學(xué)的各種創(chuàng)新嘗試與實踐。與此同時，3D建模打印技術(shù)作為新興的現(xiàn)代制造技術(shù)，也在教育教學(xué)領(lǐng)域中受到關(guān)注［2］。目前，在我國的高中教育階段，3D建模打印技術(shù)主要是作為一種嘗試在勞技課程中應(yīng)用。在高中化學(xué)課堂教學(xué)中，用到3D打印技術(shù)的教學(xué)案例不多見。其實，3D打印技術(shù)不僅能為高中化學(xué)的教學(xué)提供更現(xiàn)代化的新媒體形式，還豐富了課堂內(nèi)容，從而有助于學(xué)生發(fā)展創(chuàng)新能力與實踐能力［3］。筆者基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培育，使用3D建模打印技術(shù)作為課堂工具，希望讓學(xué)生通過使用3D打印技術(shù)理解、模仿、構(gòu)建分子模型，培育“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”等核心素養(yǎng)并提升動手實踐能力。筆者設(shè)計了一系列化學(xué)教學(xué)案例并進行實踐，用以探索在高中化學(xué)教學(xué)中融入3D打印技術(shù)的實踐效果。

二、 3D打印技術(shù)在中小學(xué)應(yīng)用的現(xiàn)狀

隨著3D打印技術(shù)日漸成熟，其在中小學(xué)教學(xué)中的相關(guān)應(yīng)用也呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢。部分中小學(xué)開始嘗試開設(shè)集3D設(shè)計和3D打印于一身的相關(guān)課程。比如，上海市和田路小學(xué)和高校合作開設(shè)了“虛實創(chuàng)造”3D打印校本課程，廣州市珠海小學(xué)則在四年級的信息技術(shù)課上運用3DOne建模軟件開設(shè)了3D打印課程［4］。也有部分中小學(xué)開設(shè)了與3D打印相關(guān)的興趣班，開展相關(guān)社團活動。比如，福州市錢塘小學(xué)開設(shè)了邀請家長一起參與的3D打印趣味課程，南京市馬府街小學(xué)通過社團課的形式組織學(xué)生每周參加3D打印的社團活動，江門市怡福中學(xué)3D打印社團的學(xué)生用3D打印技術(shù)制作了水位自動監(jiān)測裝置，獲得了全國科技創(chuàng)新比賽的獎項［5］。3D打印在與其他學(xué)科融合的課程上，也有一定的探索與應(yīng)用。例如，教授語文的《趙州橋》這一課時，可以通過3D打印技術(shù)來構(gòu)建“趙州橋”的3D模型，讓學(xué)生直觀地通過實物來分析趙州橋的特點。數(shù)學(xué)學(xué)科利用3D打印制作幾何體來作為教具進行教學(xué)［6］。不過，目前3D打印技術(shù)在中小學(xué)的教學(xué)應(yīng)用中缺少統(tǒng)一的課程標準指導(dǎo)，也缺少為中小學(xué)不同學(xué)段、年級設(shè)計的相關(guān)教材，因而不同地區(qū)中小學(xué)應(yīng)用3D打印技術(shù)所使用的教學(xué)方法五花八門，相關(guān)的3D打印技術(shù)課程的形態(tài)也是多種多樣［7］。

三、 教學(xué)案例總體設(shè)計

微粒模型作為化學(xué)學(xué)科的一種重要的“宏觀辨識與微觀探析”的展現(xiàn)，在高中化學(xué)的教學(xué)中占據(jù)重要地位。但是，在目前的課堂教學(xué)中，微粒模型的教具較為落后，教學(xué)方式僅為展示模型。學(xué)生在學(xué)習(xí)各種微粒模型時，參與感較弱，基本都是死記硬背。由此可見，傳統(tǒng)的化學(xué)教學(xué)中涉及新的微粒模型的學(xué)習(xí)時，問題頗多，已不能適應(yīng)新時代的教育發(fā)展。

3D打印技術(shù)則可以為高中化學(xué)課程提供新的方向與思路。為了促成3D打印技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的融合應(yīng)用，筆者從高中化學(xué)課堂教學(xué)出發(fā)，以化學(xué)核心素養(yǎng)為設(shè)計基礎(chǔ)，匹配高中化學(xué)涉及“微粒模型”的具體知識點，設(shè)計了包含“化學(xué)鍵”“晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”“有機化合物的結(jié)構(gòu)特點”“生物大分子”等內(nèi)容的系列課程。

四、 教學(xué)設(shè)計與實踐

以上海高中化學(xué)必修第二冊第七章“不飽和烴中碳原子的成鍵特點”這一課的教學(xué)設(shè)計為例。有機化學(xué)中有機物分子的微觀結(jié)構(gòu)較為抽象，在教學(xué)中進行分子模型的搭建，可以直觀地讓學(xué)生了解有機物中碳原子成鍵的特點，認識各種特殊的有機物分子構(gòu)型，形成對有機物分子結(jié)構(gòu)模型的整體認知。傳統(tǒng)的分子搭建模型工具一般都是球棍模型的教具，或者是教師自制的球形或棍狀組合的模型。傳統(tǒng)分子模型的展示一般以教師演示為主，學(xué)生在課堂中參與搭建的機會較少。而課后學(xué)生用生活中的各種物品（水果、橡皮泥等）自制模型，雖然很多作品具有創(chuàng)意，但科學(xué)嚴謹性不足。因此，筆者嘗試在課堂中讓學(xué)生使用3D建模打印技術(shù)，自己設(shè)計創(chuàng)造出科學(xué)、準確的有機分子模型。學(xué)生在自己設(shè)計創(chuàng)造的過程中，體驗建立模型的一系列思維，不僅是對于具體的這個有機分子的模型，而且是對于有機化合物中碳原子成鍵的特點以及各種特殊的有機物分子構(gòu)型有一個全面的模型方面的認知。

本節(jié)課的設(shè)計以Tinkercad作為課堂中教師展示和學(xué)生活動使用的3D建模軟件。Tinkercad是適合高中生使用、易于操作的3D設(shè)計和編程的免費在線軟件。在前期準備時，教師用視頻演示的形式介紹使用Tinkercad進行3D建模的方法。在此基礎(chǔ)上，以項目方式開展融合3D打印技術(shù)的高中化學(xué)教學(xué)，把3D打印與化學(xué)微粒模型相結(jié)合，用來豐富課堂教學(xué)手段，有利于對學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”等核心素養(yǎng)的培育，在培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣的同時，也能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力與實踐能力。具體的教學(xué)內(nèi)容與環(huán)節(jié)設(shè)計如下。

（一） 前端分析

本節(jié)課基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，結(jié)合3D建模打印技術(shù)，將教學(xué)目標整合后，分為三個部分，分別為“學(xué)科知識”“關(guān)鍵能力”與“核心品質(zhì)”。

1. 教學(xué)目標

（1） 學(xué)科知識目標。了解有機物中不飽和烴的結(jié)構(gòu)特點與不飽和碳的成鍵方式，知道不飽和烴乙烯、乙炔、苯的分子式、結(jié)構(gòu)式及空間構(gòu)型，并能通過3D建模打印自主搭建出分子模型。

（2） 關(guān)鍵能力目標。通過對不飽和烴的信息進行分析，結(jié)合碳原子在有機物中的成鍵特點，在建模前進行微觀結(jié)構(gòu)的預(yù)設(shè)，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認知能力。

通過自主使用3D建模軟件進行不飽和烴的空間結(jié)構(gòu)搭建，培養(yǎng)學(xué)生建立科學(xué)思維，從微觀角度認識有機物，即培養(yǎng)“微觀探析”能力。

（3） 核心品質(zhì)目標。通過典型不飽和烴分子的3D建模，讓學(xué)生感受化學(xué)物質(zhì)微觀世界之美，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。通過探究苯的分子結(jié)構(gòu)模型環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的探究欲與科學(xué)精神。通過使用3D打印技術(shù)自主創(chuàng)作出模型成果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與動手實踐能力。

2. 教學(xué)內(nèi)容

本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容包含不飽和烴乙烯、乙炔、苯的結(jié)構(gòu)特點與不飽和碳成鍵方式的基本知識與規(guī)律的講解，以及相關(guān)微粒模型的3D建模、打印。整體內(nèi)容循序漸進，由淺入深。希望通過微粒模型的建模設(shè)計與打印實踐，幫助學(xué)生更深入地理解和掌握不飽和烴的結(jié)構(gòu)特點與不飽和碳的成鍵方式。

3. 學(xué)情分析

教學(xué)對象為上海市靜安區(qū)某中學(xué)的高二學(xué)生。本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了甲烷、乙烷等飽和烴的空間結(jié)構(gòu)，對有機化合物中飽和碳原子的成鍵特點與分子結(jié)構(gòu)模型有了一定程度的了解。同時，該學(xué)段學(xué)生的動手實踐能力與空間抽象思維都已經(jīng)有了一定的進階發(fā)展，可以運用所學(xué)的新知來進行3D建模與打印的實踐操作。學(xué)生此前在勞技課上已經(jīng)接觸過3D建模，有了一定的基礎(chǔ)。課前，培訓(xùn)學(xué)生能掌握基礎(chǔ)的3D建模程序Tinkercad的操作，并會使用簡單的可進行基礎(chǔ)打印的Einstart-L 3D打印機即可。

（二） 教學(xué)環(huán)節(jié)

1. 創(chuàng)設(shè)情境，引入活動

引入階段，教師先通過一段由宏觀物質(zhì)微縮成微觀模型的視頻，創(chuàng)設(shè)一個有機物“大夢微城”的模型設(shè)計情境，激發(fā)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)興趣。教師展示打印出的3D甲烷模型，并引入本節(jié)課的教學(xué)主題，即根據(jù)本節(jié)課所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，建模打印出典型不飽和烴的微粒模型，并探究特殊的不飽和烴的微粒模型。

2. 學(xué)習(xí)新知，觀摩建模

教師以不飽和烴乙烯為例，向?qū)W生介紹不飽和碳的成鍵特點及不飽和烴的結(jié)構(gòu)特點。教師演示乙烯分子的3D建模過程（圖1），幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)了解有關(guān)不飽和烴的基本知識的同時，幫助學(xué)生熟悉3D建模的基本操作，為之后的建模設(shè)計活動做好鋪墊。

圖1 演示3D建模的乙烯模型

3. 小組協(xié)作，初探建模

學(xué)生分小組活動。第一個活動任務(wù)是向?qū)W生提供不飽和烴乙炔的相關(guān)信息，學(xué)生通過分析乙炔的結(jié)構(gòu)信息，先在任務(wù)單上畫出簡易的設(shè)計圖，在小組內(nèi)交流討論后，確定乙炔的空間結(jié)構(gòu)，再使用3D建模軟件進行不飽和烴乙炔的建模（圖2）。

圖2 3D建模的乙炔模型

4. 進階思考，探究創(chuàng)造

學(xué)生經(jīng)過了較為簡單的乙炔分子的3D建模，對軟件的操作已經(jīng)比較熟悉，能夠嘗試進行自主3D建模。第二個活動任務(wù)就是向?qū)W生提供特殊的不飽和烴苯的相關(guān)信息，學(xué)生同樣以小組為單位，一起分析討論，探究苯分子的空間結(jié)構(gòu)，并進行建模與打印，最后形成小組成果。

5. 展示成果，評價交流

每個小組展示打印出的模型成果，教師與其他小組從成果是否符合所給的信息、3D打印設(shè)計的規(guī)范等角度進行評價。教師評價學(xué)生以單雙鍵交替制作的苯分子3D模型的結(jié)構(gòu)時，引入苯的凱庫勒式結(jié)構(gòu)（圖3）的故事。然后，教師以一段微視頻展示苯中特殊的結(jié)構(gòu)：苯中的碳碳鍵是介于碳碳單鍵與碳碳雙鍵之間的特殊的鍵，相比于球棍模型，空間填充模型更適合詮釋苯的特殊結(jié)構(gòu)（圖4）。最后，教師布置課后作業(yè)，請學(xué)生課后進行苯分子的3D空間填充模型的建模與制作。

圖3 3D建模的苯模型（凱庫勒式）

圖4 3D建模的苯模型（空間填充模型）

（三） 教學(xué)評價

評價分為過程性評價與總結(jié)性評價。

教師根據(jù)學(xué)生在課堂建模打印活動中的表現(xiàn)，以及活動任務(wù)單的填寫情況進行過程性評價，評價維度包括學(xué)生對教師講解知識、演示操作的理解度，小組討論時的參與積極度，建模打印的熟練度，以及課堂上參與的每個學(xué)習(xí)活動任務(wù)的達成情況等。過程性評價可以更加直觀地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)情況與知識內(nèi)容的掌握程度。

教師將對小組的活動成果與課后作業(yè)成果的評價作為總結(jié)性評價?？偨Y(jié)性評價主要是為了了解學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中掌握的學(xué)科知識、技能等的學(xué)習(xí)效果。具體的評價內(nèi)容包括學(xué)生對本課知識內(nèi)容的掌握度、3D建模設(shè)計的完整度、3D打印成果作品的成型度，以及小組合作探究的參與度等。

總結(jié)性評價在課程學(xué)習(xí)任務(wù)完成后進行，結(jié)合過程性評價，進行量化的評價數(shù)據(jù)分析，有利于教師對學(xué)生在課程中的學(xué)習(xí)效果有更具體的了解，使得教師能對課程進行教學(xué)反思，并有針對性地優(yōu)化后續(xù)的教學(xué)設(shè)計，使課程能更加適應(yīng)學(xué)生當前的學(xué)習(xí)需求與能力發(fā)展。

五、 實踐效果分析

為了解系列課程案例教學(xué)后學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，以及3D打印技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的實踐應(yīng)用效果，以上海市某高中三個班級的學(xué)生作為研究對象，采用問卷調(diào)查與個別訪談的方法進行調(diào)查。問卷從學(xué)生學(xué)習(xí)后的知識掌握情況、學(xué)習(xí)興趣、體驗感受及對3D技術(shù)融合化學(xué)教學(xué)的態(tài)度等角度設(shè)計。總共發(fā)放調(diào)查問卷110份，回收問卷110份，有效問卷110份，回收率和有效率皆為100%。

在知識掌握情況上，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)可以分析得出，大部分學(xué)生認為使用3D打印技術(shù)建模并制作的化學(xué)微粒模型不僅符合化學(xué)學(xué)科的科學(xué)性，同樣也適用于高中化學(xué)的教學(xué)，自己提高了對化學(xué)知識的理解與掌握。對此，38.2%的學(xué)生表示自己非常同意，25.5%的學(xué)生表示同意，22.7%的學(xué)生表示較為同意，余下13.6%的學(xué)生認為一般。

在學(xué)習(xí)興趣上，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)分析得出，絕大多數(shù)學(xué)生表示該系列的課程有助于掌握和理解化學(xué)知識，由此增加了自身學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科的興趣。對此，有39.1%的學(xué)生非常同意，29.1%的學(xué)生表示同意，表示比較同意的占24.5%，余下7.3%的學(xué)生表示一般。由此可見，3D建模打印技術(shù)與高中化學(xué)融合的教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣與熱情有顯著的效果。

在學(xué)習(xí)體驗上，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)分析后可以發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生在3D技術(shù)融合化學(xué)教學(xué)的系列課程中有很好的學(xué)習(xí)體驗，83.6%的學(xué)生認為教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計合理、學(xué)生活動的實施有效，因而學(xué)習(xí)體驗很好。其中，非常贊同此觀點的有45.5%的學(xué)生，比較贊同的有24.5%，比較贊同的有13.6%，認為學(xué)習(xí)體驗一般的學(xué)生有16.4%。不難看出，3D技術(shù)融合化學(xué)教學(xué)的設(shè)計與實踐在學(xué)生中得到了較為廣泛的認可。

在對3D技術(shù)融合化學(xué)教學(xué)的態(tài)度上，根據(jù)調(diào)查問卷分析可以得出，表示在涉及微粒模型的課程中融合3D打印技術(shù)有效合理，且從中受益頗多的學(xué)生占比達到了82.7%。其中，非常同意此觀點的占36.4%，同意此觀點的占25.4%，比較同意的學(xué)生有20.9%。由此可以得知，絕大多數(shù)學(xué)生贊成把3D打印技術(shù)融合到化學(xué)相關(guān)課程的教學(xué)中來。

除了問卷調(diào)查以外，為了可以更深入地了解3D打印技術(shù)融合化學(xué)教學(xué)后學(xué)生的學(xué)習(xí)感想與體驗，筆者在教學(xué)實踐后訪談了一部分學(xué)生。訪談后得知，學(xué)生普遍認為，把3D打印技術(shù)結(jié)合到化學(xué)微粒模型的學(xué)習(xí)過程中來，不僅讓自己在動手創(chuàng)作的實踐中體驗到了設(shè)計建模的趣味，還讓自己對化學(xué)知識有了更深入的理解，因而能更好地將理論知識、模型認知等運用到實際的學(xué)習(xí)生活中。學(xué)生也表示，很期待能把3D打印技術(shù)與化學(xué)學(xué)科的其他知識相融合，比如化學(xué)實驗中各種儀器的3D設(shè)計與打印等，甚至期待3D打印技術(shù)能與物理、生物等理科學(xué)科融合，從而能給學(xué)生創(chuàng)造更多的自主設(shè)計的機會與空間。

六、 結(jié)語

高中化學(xué)教學(xué)注重學(xué)科核心素養(yǎng)的培育，對學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”等核心素養(yǎng)的培育有一定的要求。3D打印技術(shù)融入教學(xué)中，既可以激發(fā)學(xué)生對化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)熱情與興趣，也為化學(xué)教學(xué)提供了新的平臺與創(chuàng)造空間。3D打印技術(shù)不斷地成熟發(fā)展，相關(guān)的軟件、功能、耗材成本等不斷優(yōu)化，也為在教學(xué)中融入3D打印提供了更多的可能［8］。但與此同時，這種融入也對教師提出了更新、更高的要求。教師需要不斷地思考、探索與研究更多元化的教學(xué)設(shè)計、內(nèi)容與方法，才能使新的技術(shù)為課堂有效利用，也才能培育與促進學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。