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3D开发学具助力通用技术课堂教学

发布时间:2020-12-13 人气:

  摘 要:当今,随着3D打印技术在航空航天、建筑、汽车、医疗等领域的广泛应用,3D打印技术也走进中学校园、用于开发学具、服务于课堂。经过实践,在3D技术与通用技术学科融合之下,开发学具,助力通用技术学科教学,打造模仿体验式、合作探究式、作品展示型的课堂教学模式。
  关键词:学具;3D打印;课堂;教学
  近年来,随着3D打印技术进入中学校园,3D技术用于开发学具、服务于课堂教学成为时下备受探讨的问题。与传统制造方法相比,3D打印技术有着低成本、易成型、方便操作等特点。笔者经过多次的开发与实践,,发现利用3D开发学具,助力通用技术课堂教学是一种不错的选择。因此,文章从3D技术与通用技术学科的融合入手,阐述3D技术开发符合学科特点、适合学生年龄的学具,助力通用技术的课堂教学。
  一、 3D打印技术的优势
  3D打印是快速成型技术中的一种。在无须借助其他辅助工装夹具下,3D打印就能直接将三维模型快速加工制造成实体模型。当今,3D打印在许多领域得到广泛的应用,例如航空航天、建筑、汽车和医疗等。3D打印技术原理有很多种,常用的有激光粉末成型法、熔融塑料成型法、光敏树脂成型法等。大多数学校配置的3D打印机是采用熔融塑料成型技术法,这种技术是通过层层堆积材料的方式制造出几何实体,操作方便、成本低廉、无污染。教师要先选择一款建模软件(如3Done),利用建模软件设计出符合学科特点、适合学生年龄的学具模型,然后分层切片,再用3D打印出来,为课堂教学提供设备保障。
  二、 与通用技术学科的融合
  《普通高中通用技术课程标准(2017年版)》明确指出,技术发展日新月异,大数据、人工智能、虚拟现实、新材料、新能源技术等开始走进日常生活,通用技术课程内容应与时俱进。因此,3D技术开发通用技术学具应运而生。笔者经过实践发现,依托3D打印技术与通用技术学科的融合,创设通用技术学科学具,突破教学条件局限,丰富教学手段。主要优势如下。
  (一)打造可视化模型
  1. 教学中发现问题
  在技术与设计1(苏教版)第六章第二节《常见的技术图样》的教学中,笔者发现学生绘制三视图时畏难情绪有点严重,轴测图转化为三视图的空间思维能力不足,对零件形体的视图表达不完整。在技术工程上,三视图是设计交流与表达的一种常用技术语言,识读与绘制简单的三视图是高中学生应具备的通用技术学科素养。
  2. 3D学具优化教学条件
  在《简单三视图的绘制》的教学中,笔者发现三视图的辅助教学手段,不论采用多媒体的课件,还是借助硬纸板制作零件模型,都有利于学生空间思维的构建,能够达到一定的教学成效,但不是最理想的效果。在教学实践中,笔者先收集学生易错的三视图典型案例,然后应用3D打印技术将典型案例制成实物模型,再把实物模型分配给学生去观察、去分析,从而优化课堂教学条件,突破教学上的瓶颈。3D学具不仅便于学生全方位观察零件形体,还有助于学生领悟三视图的形成原理及投影规律。在教学任务得以顺利地完成情况下,进一步培育了学生技术图样表达的学科核心素养。
  (二)提高学具的精度
  1. 原教材试验内容
  在技术与设计2中,为了引导学生探究结构强度与构件的截面形状有怎样的关系时,教材安排了测试试验,内容如下。
  用周长相同的纸质材料自制测试构件,截面分别为三角形、圆形、正方形的纸筒作为悬梁结构来进行测试,看看哪种截面形状的悬梁结构承受最大的力?
  2. 3D学具改进试验内容
  在教学实践中,笔者发现,用纸质材料制作测试构件,在折叠过程中,可能力度分配不均衡或者黏合剂用量不一样,这些都会导致测试纸筒尺寸有所偏差,测试构件规格不统一、不规范,甚至弯曲强度也会不一致,从而影响试验的测试结果。而利用3D技术设计并制作不同形状截面的悬梁来做测试构件,则先应用电脑软件建模,然后3D打印出测试构件,这样能做到构件尺寸精确、误差较小。试验结果自然而然会更科学、更合理、更有说服力。因此,应用3D打印的测试构件进行试验是一种可行的方案,也是值得推广的学具制作方法。具体步骤如下。
  第一步,学会如何运用3D技术自制测试构件。
  第二步,需要考虑选用什么形状的截面构件进行测试比较合适?
  在苏教版教材中,选用周长相同的三角形、圆形、长方形截面作为测试构件,显然这个试验测出来的结论是在同等周长的情况下,圆形构件的强度最好,三角形构件的强度最弱。为了让这个测试试验与实际生活紧密联系,更具现实意义,比如房屋的横梁为何采用高度>宽度?桌椅的横杆大多采用高度>宽度?基于这些现象,则选用截面积相等的构件,形状分别是正方形、圆形、宽高比0.5的矩形、宽高比2.0的矩形。探究同种规格材料做成不同截面形状的构件,哪种形状的构件抗弯强度最大?
  第三步,需要考虑测试构件的件数要多少合适?
  教师提供给每个小组的测试构件件数要适量。如果测试构件过多的话,不单单会造成材料的浪费、增加学具的开发经费,在课堂上还会耗费学生许多测试时间;如果测试构件过少的话,容易出现测试的偶然性,试验数据会产生很大的误差。综合这些因素,同一种形状的截面构件各测试三次,求其平均值,避免了随机误差的发生,这样得出的数据合理、真实。
  (三)增加创新方案的物化率
  1. 现实条件的限制
  创新方案的物化需要依托一定的工艺方法才能实现。掌握工艺方法之前,学生需要熟悉材料的属性、学习工具和设备的使用方法、了解工艺的流程等。这些前期的准备时间较长,往往不利于创新方案的物化实施。而更多创新方案无法物化,是因为找不到合适的材料、或缺乏应有的加工工具、或加工场地的限制、或物化的成本过高。
  2. 3D技術促进物化

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