3D打印技術在英國中小學不同學科教學中的應用,多角度展示3D打印技術在促進學科教與學的功能的優勢和應用方式,為優化技術與學科知識的整合提供可借鑒的觀點與方法,為實現學科教學目標以及突破學科教學難點提供策略。
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1.在“科學”學科教學中的應用
“科學”學科的教學內容涉及生物、化學和物理三方面的知識,其教學目標是通過學習與探索生物、化學和物理的基礎知識,發展學生對科學本質、過程和方法的理解力,并通過不同形式的科學調查,幫助他們回答現實生活中的科學問題,提高科學素養。
基于對3D打印技術功能特性與“科學”學科教學目標及特點的關聯與分析,發現該技術可以觀摩和協助探究兩種方式促進學科教學目標的實現。首先,3D打印技術支持學生通過觀摩教師利用3D打印機打印的模型來獲得相關知識內容,有助于發展他們的觀察能力、分析能力以及理解力。比如“科學”學科教師可以利用3D打印機打印眼球模型,幫助學生理解有關眼球構造、功能等知識。其次,3D打印技術支持學生在教師協助下主動構建3D模型,并對相關知識進行深度學習,提升他們探究事物本質、規律的能力。如“科學”學科教師可以組織學生在3D打印技術環境下討論塑料的性能,也可以利用3D打印機協助學生構建分子、細胞甚至正弦波等模型,學生在構建過程中可以通過研究這些數字模型文件的數據信息進行深度學習與探究,最終獲得相關知識。當然,在項目中該學科的打印活動大部分依靠如Thingiverse等提供設計文件網站所共享的3D模型源數字文件。
3D打印技術通過提供觀摩與協助構建這兩種技術使用方式,為學生在“科學”學科學習中營造體驗式的學習空間,促使學生獲得更加直接的學習體驗。學生通過主動進入該學習空間,獲取空間中所展示和隱藏的知識,探究事物本質、過程和變化規律等,提高科學理解力、探究能力以及科學素養。觀摩與協助構建體現了3D打印技術作為教學工具與學習工具應用到“科學”學科教學中的功能優勢,對拓展教學工具的廣度、挖掘教學工具深層內涵有重要意義。
2.在“數學”學科教學中的應用
中小學“數學”學科的培養目標是通過頻繁的計算、推理、演示等教學活動,促進學生對數學基本概念和原理的理解和應用,培養學生推理能力和問題解決能力。“數學”學科的教學難點是將抽象的數學概念或規律以簡單可視化方式呈現給學生,促進學生理解和掌握。
基于對3D打印技術功能特性與“數學”學科教學目標、特點及難點的關聯與分析,發現該技術可以通過演示和協同構建兩種方式幫助突破數學學科教學難點,促進教學目標的實現。一方面,3D打印技術為教師演示數學抽象概念或規律形成過程提供技術支持。比如立體幾何中關于畢達哥拉斯定理(勾股定理)和三角法的教學,一般停留在平面演示、想象、計算、推理的層面,但在3D打印技術支持下,教師可以利用3D打印機輕松簡單地構建立體幾何體,使該定理的推理演示過程更加直接地呈現給學生,促進學生從形象的實物和過程演示、推理中理解并掌握數學抽象概念和知識,而且有助于提升學生的立體空間感。另一方面,3D打印技術支持學生協同構建或探究數學規律。例如,沃特福德男子文法學校(Watford Grammar School for Boys)六年級組教師和學生協同研究與拋射體速度、高度和距離相關的微積分。首先,他們利用3D打印機產生一個支持內部彈射器的聯結,然后再利用3D打印機為這個項目生產一系列的拋射體。在實驗中,學生可以通過立體多角度的觀察物體運動與變化規律,促進他們對微積分知識的深度理解和掌握。此外,該校學生還打印出各種代數方程的3D圖形,幫助理解代數方程的內涵。
3D打印技術通過演示和協同構建兩種技術使用方式,為學生理解和掌握數學抽象概念,探究數學規律提供了可靠的技術支持。同樣,教師可以借助3D打印機以立體簡易化方式呈現數學概念或規律,有助于提升學生對抽象知識的理解度和掌握度。演示與協同構建體現了3D打印技術在“數學”學科教學中的應用對拓展教學工具深度的意義。第一,在知識展示方面。以往的學習內容大多基于二維平面進行展示,除非一些需要學生親自操作的實驗活動,否則都是依靠想象、理解或死記硬背的方式來獲取知識。利用3D打印技術可以將概念和知識立體化、具體化、可視化,幫助學生擺脫對抽象概念和知識的空想,促進他們全面理解知識并激發他們的求知欲。第二,在知識實踐方面,3D打印技術支持學生的創造活動,并能快速物化設計,既促進了學生主動參與學習活動,也有助于學生將理論知識與實踐相聯系。
3.在“設計與技術”學科教學中的應用
“設計與技術”學科是一門具有啟發性、嚴謹性和實用性特點的學科,更是一門綜合性學科。該學科的教學培養目標是通過組織和引導學生使用創造力和想象力設計并制造出能夠解決各種情境下的現實及相關問題的產品,同時也考慮產品使用者的需求、愿望以及價值觀;通過支持學生獨立完成簡單的設計與制造工作,提升其參與“設計與技術”學習活動的自信心,促進創造性專業技能的獲得;通過批判、評估和測試他們的想法或產品,理解和應用相關項目學習事項、技能和流程。
基于對3D打印技術功能特性和“設計與技術”學科教學目標和特點的關聯與分析,發現該技術可以通過創造與設計促進教學目標的實現以及跨學科知識的融會貫通。第一,3D打印技術為教師和學生發揮想象力和創造力等創造性活動提供便捷性的技術支持。師生利用CAD等計算機輔助設計軟件充分發揮想象、聯想能力設計出3D立體數字模型,再使用3D打印機將模型實體化。第二,該技術為師生制造實用性產品提供技術保證。由于該學科特別注重產品的實用性,所以3D打印技術支持的教學活動不僅需要學生系統地考慮、細致地分析打印任務,并通過迭代完善工作創造出實用性強且質優的產品,而且要盡量節省生產原材料、保證高精度和高堅固性,為實際實施提供質量保障。比如在橋梁工程學教學中,學生可以利用3D打印機打印出橋梁模型,通過力學測試來及時發現并改進橋梁穩固性、規模等問題,為實際施工做足準備。第三,該技術為跨學科知識的綜合運用提供橋梁。例如在Cramlington學習村莊,學生在學習工程課程時,除了需要學習生產技能相關知識外,還包括物理、數學等方面的知識。比如學生在創造和生產椅子的過程中,首先需要考慮椅子的平衡性,防止打印過程中出現斜倒、扭曲的狀況;其次要考慮椅子的承重力,防止先打印出來的部分被后打印的部分壓擠變形;最后還需通過成本評估確保物有所值。可以看出這個過程不僅涉及有關生產過程的技術知識,而且涉及有關于椅子的穩定性、承受力以及平衡性等物理知識,還涉及用三角法來計算椅子的后視角、用軟件繪制坐標等數學和軟件操作知識。
3D打印技術通過創造與設計這兩種技術使用方式為學生獲得并應用知識提供可靠、便捷的技術支持,實踐了“設計是重點,生產不是問題”的新思想,在提升學生分析、設計、評估、實踐和創造能力,促進學生的分析性思維與創新性思維以及系統思維發展,提高現實中建造高質量的工程提供保障,并切實地實現了利用技術輔助工程設計等方面有重要實際意義。而且就如溫莎男子學校(The Windsor Boys' School)的DT負責人認為,熟悉3D打印設計流程(計劃、設計、制造和評估)的學生能夠利用3D打印機來縮短“制造”階段的時間,使打印機在“打印”產品時更快。這意味著學生可以將更多的時間和精力分配到產品的“設計”上,發展他們的創新思維。此外,目標指向中提到的“體驗式學習中心”,更多地發生在“設計與技術”學科教學過程中。
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