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3D打印技術(shù)在英國(guó)中小學(xué)不同學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用，多角度展示3D打印技術(shù)在促進(jìn)學(xué)科教與學(xué)的功能的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用方式，為優(yōu)化技術(shù)與學(xué)科知識(shí)的整合提供可借鑒的觀點(diǎn)與方法，為實(shí)現(xiàn)學(xué)科教學(xué)目標(biāo)以及突破學(xué)科教學(xué)難點(diǎn)提供策略。 　　1.在“科學(xué)”學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用 　　“科學(xué)”學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容涉及生物、化學(xué)和物理三方面的知識(shí)，其教學(xué)目標(biāo)是通過(guò)學(xué)習(xí)與探索生物、化學(xué)和物理的基礎(chǔ)知識(shí)，發(fā)展學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)、過(guò)程和方法的理解力，并通過(guò)不同形式的科學(xué)調(diào)查，幫助他們回答現(xiàn)實(shí)生活中的科學(xué)問(wèn)題，提高科學(xué)素養(yǎng)。 　　基于對(duì)3D打印技術(shù)功能特性與“科學(xué)”學(xué)科教學(xué)目標(biāo)及特點(diǎn)的關(guān)聯(lián)與分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以觀摩和協(xié)助探究?jī)煞N方式促進(jìn)學(xué)科教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。首先，3D打印技術(shù)支持學(xué)生通過(guò)觀摩教師利用3D打印機(jī)打印的模型來(lái)獲得相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，有助于發(fā)展他們的觀察能力、分析能力以及理解力。比如“科學(xué)”學(xué)科教師可以利用3D打印機(jī)打印眼球模型，幫助學(xué)生理解有關(guān)眼球構(gòu)造、功能等知識(shí)。其次，3D打印技術(shù)支持學(xué)生在教師協(xié)助下主動(dòng)構(gòu)建3D模型，并對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，提升他們探究事物本質(zhì)、規(guī)律的能力。如“科學(xué)”學(xué)科教師可以組織學(xué)生在3D打印技術(shù)環(huán)境下討論塑料的性能，也可以利用3D打印機(jī)協(xié)助學(xué)生構(gòu)建分子、細(xì)胞甚至正弦波等模型，學(xué)生在構(gòu)建過(guò)程中可以通過(guò)研究這些數(shù)字模型文件的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深度學(xué)習(xí)與探究，最終獲得相關(guān)知識(shí)。當(dāng)然，在項(xiàng)目中該學(xué)科的打印活動(dòng)大部分依靠如Thingiverse等提供設(shè)計(jì)文件網(wǎng)站所共享的3D模型源數(shù)字文件。 　　3D打印技術(shù)通過(guò)提供觀摩與協(xié)助構(gòu)建這兩種技術(shù)使用方式，為學(xué)生在“科學(xué)”學(xué)科學(xué)習(xí)中營(yíng)造體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)空間，促使學(xué)生獲得更加直接的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)主動(dòng)進(jìn)入該學(xué)習(xí)空間，獲取空間中所展示和隱藏的知識(shí)，探究事物本質(zhì)、過(guò)程和變化規(guī)律等，提高科學(xué)理解力、探究能力以及科學(xué)素養(yǎng)。觀摩與協(xié)助構(gòu)建體現(xiàn)了3D打印技術(shù)作為教學(xué)工具與學(xué)習(xí)工具應(yīng)用到“科學(xué)”學(xué)科教學(xué)中的功能優(yōu)勢(shì)，對(duì)拓展教學(xué)工具的廣度、挖掘教學(xué)工具深層內(nèi)涵有重要意義。 　　2.在“數(shù)學(xué)”學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用 　　中小學(xué)“數(shù)學(xué)”學(xué)科的培養(yǎng)目標(biāo)是通過(guò)頻繁的計(jì)算、推理、演示等教學(xué)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)基本概念和原理的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生推理能力和問(wèn)題解決能力。“數(shù)學(xué)”學(xué)科的教學(xué)難點(diǎn)是將抽象的數(shù)學(xué)概念或規(guī)律以簡(jiǎn)單可視化方式呈現(xiàn)給學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生理解和掌握。 　　基于對(duì)3D打印技術(shù)功能特性與“數(shù)學(xué)”學(xué)科教學(xué)目標(biāo)、特點(diǎn)及難點(diǎn)的關(guān)聯(lián)與分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以通過(guò)演示和協(xié)同構(gòu)建兩種方式幫助突破數(shù)學(xué)學(xué)科教學(xué)難點(diǎn)，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。一方面，3D打印技術(shù)為教師演示數(shù)學(xué)抽象概念或規(guī)律形成過(guò)程提供技術(shù)支持。比如立體幾何中關(guān)于畢達(dá)哥拉斯定理(勾股定理)和三角法的教學(xué)，一般停留在平面演示、想象、計(jì)算、推理的層面，但在3D打印技術(shù)支持下，教師可以利用3D打印機(jī)輕松簡(jiǎn)單地構(gòu)建立體幾何體，使該定理的推理演示過(guò)程更加直接地呈現(xiàn)給學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生從形象的實(shí)物和過(guò)程演示、推理中理解并掌握數(shù)學(xué)抽象概念和知識(shí)，而且有助于提升學(xué)生的立體空間感。另一方面，3D打印技術(shù)支持學(xué)生協(xié)同構(gòu)建或探究數(shù)學(xué)規(guī)律。例如，沃特福德男子文法學(xué)校(Watford Grammar School for Boys)六年級(jí)組教師和學(xué)生協(xié)同研究與拋射體速度、高度和距離相關(guān)的微積分。首先，他們利用3D打印機(jī)產(chǎn)生一個(gè)支持內(nèi)部彈射器的聯(lián)結(jié)，然后再利用3D打印機(jī)為這個(gè)項(xiàng)目生產(chǎn)一系列的拋射體。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過(guò)立體多角度的觀察物體運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律，促進(jìn)他們對(duì)微積分知識(shí)的深度理解和掌握。此外，該校學(xué)生還打印出各種代數(shù)方程的3D圖形，幫助理解代數(shù)方程的內(nèi)涵。 　　3D打印技術(shù)通過(guò)演示和協(xié)同構(gòu)建兩種技術(shù)使用方式，為學(xué)生理解和掌握數(shù)學(xué)抽象概念，探究數(shù)學(xué)規(guī)律提供了可靠的技術(shù)支持。同樣，教師可以借助3D打印機(jī)以立體簡(jiǎn)易化方式呈現(xiàn)數(shù)學(xué)概念或規(guī)律，有助于提升學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)的理解度和掌握度。演示與協(xié)同構(gòu)建體現(xiàn)了3D打印技術(shù)在“數(shù)學(xué)”學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用對(duì)拓展教學(xué)工具深度的意義。第一，在知識(shí)展示方面。以往的學(xué)習(xí)內(nèi)容大多基于二維平面進(jìn)行展示，除非一些需要學(xué)生親自操作的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，否則都是依靠想象、理解或死記硬背的方式來(lái)獲取知識(shí)。利用3D打印技術(shù)可以將概念和知識(shí)立體化、具體化、可視化，幫助學(xué)生擺脫對(duì)抽象概念和知識(shí)的空想，促進(jìn)他們?nèi)胬斫庵R(shí)并激發(fā)他們的求知欲。第二，在知識(shí)實(shí)踐方面，3D打印技術(shù)支持學(xué)生的創(chuàng)造活動(dòng)，并能快速物化設(shè)計(jì)，既促進(jìn)了學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，也有助于學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐相聯(lián)系。 　　3.在“設(shè)計(jì)與技術(shù)”學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用 　　“設(shè)計(jì)與技術(shù)”學(xué)科是一門(mén)具有啟發(fā)性、嚴(yán)謹(jǐn)性和實(shí)用性特點(diǎn)的學(xué)科，更是一門(mén)綜合性學(xué)科。該學(xué)科的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)是通過(guò)組織和引導(dǎo)學(xué)生使用創(chuàng)造力和想象力設(shè)計(jì)并制造出能夠解決各種情境下的現(xiàn)實(shí)及相關(guān)問(wèn)題的產(chǎn)品，同時(shí)也考慮產(chǎn)品使用者的需求、愿望以及價(jià)值觀；通過(guò)支持學(xué)生獨(dú)立完成簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)與制造工作，提升其參與“設(shè)計(jì)與技術(shù)”學(xué)習(xí)活動(dòng)的自信心，促進(jìn)創(chuàng)造性專業(yè)技能的獲得；通過(guò)批判、評(píng)估和測(cè)試他們的想法或產(chǎn)品，理解和應(yīng)用相關(guān)項(xiàng)目學(xué)習(xí)事項(xiàng)、技能和流程。 　　基于對(duì)3D打印技術(shù)功能特性和“設(shè)計(jì)與技術(shù)”學(xué)科教學(xué)目標(biāo)和特點(diǎn)的關(guān)聯(lián)與分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以通過(guò)創(chuàng)造與設(shè)計(jì)促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)以及跨學(xué)科知識(shí)的融會(huì)貫通。第一，3D打印技術(shù)為教師和學(xué)生發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力等創(chuàng)造性活動(dòng)提供便捷性的技術(shù)支持。師生利用CAD等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件充分發(fā)揮想象、聯(lián)想能力設(shè)計(jì)出3D立體數(shù)字模型，再使用3D打印機(jī)將模型實(shí)體化。第二，該技術(shù)為師生制造實(shí)用性產(chǎn)品提供技術(shù)保證。由于該學(xué)科特別注重產(chǎn)品的實(shí)用性，所以3D打印技術(shù)支持的教學(xué)活動(dòng)不僅需要學(xué)生系統(tǒng)地考慮、細(xì)致地分析打印任務(wù)，并通過(guò)迭代完善工作創(chuàng)造出實(shí)用性強(qiáng)且質(zhì)優(yōu)的產(chǎn)品，而且要盡量節(jié)省生產(chǎn)原材料、保證高精度和高堅(jiān)固性，為實(shí)際實(shí)施提供質(zhì)量保障。比如在橋梁工程學(xué)教學(xué)中，學(xué)生可以利用3D打印機(jī)打印出橋梁模型，通過(guò)力學(xué)測(cè)試來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)橋梁穩(wěn)固性、規(guī)模等問(wèn)題，為實(shí)際施工做足準(zhǔn)備。第三，該技術(shù)為跨學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用提供橋梁。例如在Cramlington學(xué)習(xí)村莊，學(xué)生在學(xué)習(xí)工程課程時(shí)，除了需要學(xué)習(xí)生產(chǎn)技能相關(guān)知識(shí)外，還包括物理、數(shù)學(xué)等方面的知識(shí)。比如學(xué)生在創(chuàng)造和生產(chǎn)椅子的過(guò)程中，首先需要考慮椅子的平衡性，防止打印過(guò)程中出現(xiàn)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(lái)的部分被后打印的部分壓擠變形；最后還需通過(guò)成本評(píng)估確保物有所值。可以看出這個(gè)過(guò)程不僅涉及有關(guān)生產(chǎn)過(guò)程的技術(shù)知識(shí)，而且涉及有關(guān)于椅子的穩(wěn)定性、承受力以及平衡性等物理知識(shí)，還涉及用三角法來(lái)計(jì)算椅子的后視角、用軟件繪制坐標(biāo)等數(shù)學(xué)和軟件操作知識(shí)。 　　3D打印技術(shù)通過(guò)創(chuàng)造與設(shè)計(jì)這兩種技術(shù)使用方式為學(xué)生獲得并應(yīng)用知識(shí)提供可靠、便捷的技術(shù)支持，實(shí)踐了“設(shè)計(jì)是重點(diǎn)，生產(chǎn)不是問(wèn)題”的新思想，在提升學(xué)生分析、設(shè)計(jì)、評(píng)估、實(shí)踐和創(chuàng)造能力,促進(jìn)學(xué)生的分析性思維與創(chuàng)新性思維以及系統(tǒng)思維發(fā)展,提高現(xiàn)實(shí)中建造高質(zhì)量的工程提供保障,并切實(shí)地實(shí)現(xiàn)了利用技術(shù)輔助工程設(shè)計(jì)等方面有重要實(shí)際意義。而且就如溫莎男子學(xué)校(The Windsor Boys' School)的DT負(fù)責(zé)人認(rèn)為，熟悉3D打印設(shè)計(jì)流程(計(jì)劃、設(shè)計(jì)、制造和評(píng)估)的學(xué)生能夠利用3D打印機(jī)來(lái)縮短“制造”階段的時(shí)間，使打印機(jī)在“打印”產(chǎn)品時(shí)更快。這意味著學(xué)生可以將更多的時(shí)間和精力分配到產(chǎn)品的“設(shè)計(jì)”上，發(fā)展他們的創(chuàng)新思維。此外，目標(biāo)指向中提到的“體驗(yàn)式學(xué)習(xí)中心”，更多地發(fā)生在“設(shè)計(jì)與技術(shù)”學(xué)科教學(xué)過(guò)程中。