基于Maker的三維打印技術在通用技術學具開發(fā)中的應用

黃建忠

摘 要：文章基于Maker（創(chuàng)客）的三維打印技術在通用技術學具開發(fā)中的優(yōu)勢，結合教育實踐，分析基于三維打印技術的通用技術學具開發(fā)設計的流程與原則，并從結合教學重點制作學具、多功能演示性學具的開發(fā)應用兩方面入手，闡述面向Maker與三維打印技術的通用技術學具的應用途徑。

關鍵詞：Maker（創(chuàng)客）;三維打印技術;通用技術;學具

中圖分類號：G633.93 文獻標志碼：A文章編號：1008-3561（2020）25-0118-02

高中通用技術課程是一門立足實踐、高度綜合、注重創(chuàng)造、科學與人文融合的課程，注重提高學生的技術素養(yǎng)。學具作為良好的教學工具，為學生動手實踐提供了物質基礎，能很好地輔助教學。而就當前的教學情況來看，通用技術課堂教學多以講授為主，學具的配置和應用有所不足。因此，開發(fā)自制學具極為必要。

一、基于Maker的三維打印技術在通用技術學具開發(fā)中的優(yōu)勢分析

實踐教學是通用技術教學中極為重要的一部分。一直以來，受到教學設備等條件的限制，通用技術教學通常只重視教師的教，而忽視了學生的主體地位，這種教學模式不能達到通用技術的教學目標，更不能培養(yǎng)出高素質的人才。學具與教具不同，作為供學生按照教學要求進行動手操作的器具，學具的使用能極大地調動學生的積極性，有利于學生動手能力的培養(yǎng)，也有利于學生技術素養(yǎng)的形成。

在Maker（創(chuàng)客）的理念下，運用三維打印技術可以將學生的創(chuàng)意、設計迅速轉變?yōu)閷嵨?，為學生的實踐操作提供有力支持。從這一角度來看，基于Maker的三維打印技術在通用技術學具應用中有極高的價值，值得深入探討與開發(fā)。

二、基于三維打印技術的通用技術學具開發(fā)設計要點分析

1.開發(fā)設計流程

第一，分析通用技術學習中的重難點，以此為切入點展開學具的設計。第二，利用Solidworks等軟件完成設計學具的三維實體模型構建。在該環(huán)節(jié)中，可以使用“刪減法”“層疊法”等展開模型構建。在實現學具三維實體模型的構建與檢查后，將其導出STL文件。第三，篩選出更為適合開發(fā)學具的三維打印工藝，對成本、效率、工藝精度等因素展開綜合性考量。筆者在實踐中發(fā)現，熔融沉積三維打印工藝在通用技術學具開發(fā)制作中更為適用，相比其他工藝來說，該工藝所消耗的材料成本更低，制作效率更高，操作也更為簡單。利用多項打印參數的合理設置，能夠完成高質量的通用技術學具模型制作。第四，對基于三維打印技術的通用技術學具展開后期處理。該環(huán)節(jié)主要完成的操作包括對表面進行拋光打磨以及去除毛刺，保證學具表面的光滑性。

2.開發(fā)設計原則

（1）科學性。嚴格保證所有學具的開發(fā)設計能夠體現出科學原理與法則，嚴禁發(fā)生違背科學原則的問題。特別是在原創(chuàng)性學具的開發(fā)設計中，要盡可能避免存在科學性錯誤，對所有的設計環(huán)節(jié)、細節(jié)進行反復推敲，保證所有的制作步驟均具有科學依據。

（2）教育性。對于通用技術學具來說，其開發(fā)設計的主要目的在于加深學生對教材重難點的理解，提升學生的實踐能力。因此，使用三維打印技術展開學具的開發(fā)設計必須要嚴格遵守教育性原則，即所有學具的開發(fā)設計與制作與通用技術教學內容相關聯(lián)。因此，教師要從高中通用技術教材入手，確定需要或是可以開發(fā)自制學具的章節(jié)與內容，以此為學具開發(fā)設計目標并組織學生實踐。

（3）直觀性。對于通用技術學具的使用來說，其部分用于實踐操作，還有部分用于演示。針對這些演示用的學具，應當盡可能做大一些，保證學生能夠直觀看到重點部位，最大程度發(fā)揮學具在高中通用技術教學中的演示作用。

（4）安全性。在通用技術實踐教學以及學具設計制作中，教師要注重維護學生的操作安全。此時，要指導學生嚴格依照操作要求、步驟安排等展開實踐，必要時要有安全防護裝置，避免出現安全性問題。

三、基于三維打印技術的通用技術學具的應用

1.結合教學重點，組織學生動手制作

（1）實踐性學具。教師可以結合高中通用技術教學中的經典案例、重難點等引導學生自己設計與制作學具。例如，在閉環(huán)控制系統(tǒng)的教學中，教師可以組織學生以小組為單位，完成“牛用自動飲水器”的設計與制作。該學具模型中包含的主要結構為飲水槽、蓄水箱、浮子、水位控制水箱等。其中，水位控制水箱與飲水槽中包含的注射器管構成連通器系統(tǒng);在浮子上設置錐形閥，并在蓄水箱下部連接一根硬管;為了模擬牛喝水，在飲水槽處加設放水管;設定水位，一旦飲水器中的水位低于設定水位時，水位控制水箱中的水位也隨之下降。在制作該學具過程中，對于一些無法迅速獲取、且難以找到合適替代物的構件，教師可以引導學生使用三維打印技術進行設計與制作，最終完成“牛用自動飲水器”學具的整體開發(fā)。通過這樣的方式教學，實現了對學生動手實踐能力的有效培養(yǎng)。

（2）人文性學具。教師可以引導學生展開具有人文性的學具設計與制作，促進學生創(chuàng)新意識與實踐能力的增強。例如，在“控制及其設計”的教學中，筆者聯(lián)合同年段的其他班級展開了“滅火大賽”（即滅火器設計活動）。此時，學生可依托學校內的創(chuàng)客實驗室、科技活動室、機器人工作室以及多種創(chuàng)客工具資源，包括3D打印機、激光雕刻機、ARDUINO開源硬件、EV3樂高機器人等，結合所學內容，以活動小組為單位完成學具設計與制作。之后，經過班級初步篩選后對每個班級上交作品進行比較與評選，最終確定優(yōu)勝班級，并組織學生學習、了解其設計原理。

（3）生活性學具。高中通用技術課程的內容與學生的日常生活有緊密的聯(lián)系，基于此，教師可以組織學生開發(fā)生活性學具。例如，在“開環(huán)控制系統(tǒng)”的教學中，筆者組織學生展開了家庭版地震報警器的設計與制作。該學具中包含的主要結構為報警裝置（發(fā)聲裝置）、注射器管、浮子、水盆等。其中，報警裝置外接兩條導線，控制線頭不接觸且相對較近;放入注射器管內，并加設玻璃珠;密封注射器管，將其放置于浮子內;將浮子放入水盆。此時，一旦外界環(huán)境發(fā)生振動，浮子會隨著水盆中水的波動而出現傾斜，玻璃珠運動促使導線接觸，最終使得報警裝置的線路連通并發(fā)出警報。在制作該學具的過程中，對于一些無法迅速獲取且難以找到合適替代物的構件，教師可以引導學生使用三維打印技術進行設計與制作，最終完成家庭版地震報警器學具的整體開發(fā)，從而實現對學生動手實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.多功能演示性學具的開發(fā)應用

依托三維打印技術，教師可以完成一體多用的演示性學具的設計與制作，為通用技術教學的展開提供更多支持。在此過程中，筆者采用了與學生共同開發(fā)學具的模式，依托學校內科技活動室等資源，結合教學內容與學具功能需求，指導學生完成一體多用學具的設計與制作。本次實踐主要結合必修教材中的“三視圖教學”“剖視圖教學”“機械加工工藝的教學”“攻絲方法的教學”“不規(guī)則金屬表面處理的教學”進行一體多用學具的設計。在此過程中，學生要明確上述模塊的重點內容，以此為基礎完成學具設計，并使用三維打印技術進行制作。通過這樣的方式，學生加深了對通用技術教學內容的認識與理解，也實現了實踐能力的培養(yǎng)和提高。

綜上所述，基于Maker的三維打印技術在通用技術學具開發(fā)設計中有獨特的優(yōu)勢。在明確開發(fā)設計流程與原則的基礎上，教師要引導學生開發(fā)設計實踐性學具、人文性學具、生活性學具，并注重一體多用學具的設計與制作，推動通用技術學具與課堂實踐的有機融合。

參考文獻：

[1]何國安.創(chuàng)客教育背景下通用技術教學開展的新思路[J].高考，2020（03）.

[2]陳以波.通用技術課程師資培養(yǎng)方案的設計研究[D].聊城大學，2019.

[3]何硯洲，劉傳斌，王永忠.怎樣建設高中通用技術實踐室[J].中小學實驗與裝備，2010（03）.