黃建忠

摘 要：文章基于Maker（創(chuàng)客）的三維打印技術(shù)在通用技術(shù)學(xué)具開(kāi)發(fā)中的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合教育實(shí)踐，分析基于三維打印技術(shù)的通用技術(shù)學(xué)具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的流程與原則，并從結(jié)合教學(xué)重點(diǎn)制作學(xué)具、多功能演示性學(xué)具的開(kāi)發(fā)應(yīng)用兩方面入手，闡述面向Maker與三維打印技術(shù)的通用技術(shù)學(xué)具的應(yīng)用途徑。

關(guān)鍵詞：Maker（創(chuàng)客）;三維打印技術(shù);通用技術(shù);學(xué)具

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-3561（2020）25-0118-02

高中通用技術(shù)課程是一門(mén)立足實(shí)踐、高度綜合、注重創(chuàng)造、科學(xué)與人文融合的課程，注重提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。學(xué)具作為良好的教學(xué)工具，為學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，能很好地輔助教學(xué)。而就當(dāng)前的教學(xué)情況來(lái)看，通用技術(shù)課堂教學(xué)多以講授為主，學(xué)具的配置和應(yīng)用有所不足。因此，開(kāi)發(fā)自制學(xué)具極為必要。

一、基于Maker的三維打印技術(shù)在通用技術(shù)學(xué)具開(kāi)發(fā)中的優(yōu)勢(shì)分析

實(shí)踐教學(xué)是通用技術(shù)教學(xué)中極為重要的一部分。一直以來(lái)，受到教學(xué)設(shè)備等條件的限制，通用技術(shù)教學(xué)通常只重視教師的教，而忽視了學(xué)生的主體地位，這種教學(xué)模式不能達(dá)到通用技術(shù)的教學(xué)目標(biāo)，更不能培養(yǎng)出高素質(zhì)的人才。學(xué)具與教具不同，作為供學(xué)生按照教學(xué)要求進(jìn)行動(dòng)手操作的器具，學(xué)具的使用能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，有利于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，也有利于學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的形成。

在Maker（創(chuàng)客）的理念下，運(yùn)用三維打印技術(shù)可以將學(xué)生的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物，為學(xué)生的實(shí)踐操作提供有力支持。從這一角度來(lái)看，基于Maker的三維打印技術(shù)在通用技術(shù)學(xué)具應(yīng)用中有極高的價(jià)值，值得深入探討與開(kāi)發(fā)。

二、基于三維打印技術(shù)的通用技術(shù)學(xué)具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

1.開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程

第一，分析通用技術(shù)學(xué)習(xí)中的重難點(diǎn)，以此為切入點(diǎn)展開(kāi)學(xué)具的設(shè)計(jì)。第二，利用Solidworks等軟件完成設(shè)計(jì)學(xué)具的三維實(shí)體模型構(gòu)建。在該環(huán)節(jié)中，可以使用“刪減法”“層疊法”等展開(kāi)模型構(gòu)建。在實(shí)現(xiàn)學(xué)具三維實(shí)體模型的構(gòu)建與檢查后，將其導(dǎo)出STL文件。第三，篩選出更為適合開(kāi)發(fā)學(xué)具的三維打印工藝，對(duì)成本、效率、工藝精度等因素展開(kāi)綜合性考量。筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，熔融沉積三維打印工藝在通用技術(shù)學(xué)具開(kāi)發(fā)制作中更為適用，相比其他工藝來(lái)說(shuō)，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(jiǎn)單。利用多項(xiàng)打印參數(shù)的合理設(shè)置，能夠完成高質(zhì)量的通用技術(shù)學(xué)具模型制作。第四，對(duì)基于三維打印技術(shù)的通用技術(shù)學(xué)具展開(kāi)后期處理。該環(huán)節(jié)主要完成的操作包括對(duì)表面進(jìn)行拋光打磨以及去除毛刺，保證學(xué)具表面的光滑性。

2.開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)原則

（1）科學(xué)性。嚴(yán)格保證所有學(xué)具的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)出科學(xué)原理與法則，嚴(yán)禁發(fā)生違背科學(xué)原則的問(wèn)題。特別是在原創(chuàng)性學(xué)具的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，要盡可能避免存在科學(xué)性錯(cuò)誤，對(duì)所有的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、細(xì)節(jié)進(jìn)行反復(fù)推敲，保證所有的制作步驟均具有科學(xué)依據(jù)。

（2）教育性。對(duì)于通用技術(shù)學(xué)具來(lái)說(shuō)，其開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的主要目的在于加深學(xué)生對(duì)教材重難點(diǎn)的理解，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。因此，使用三維打印技術(shù)展開(kāi)學(xué)具的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)必須要嚴(yán)格遵守教育性原則，即所有學(xué)具的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與制作與通用技術(shù)教學(xué)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)。因此，教師要從高中通用技術(shù)教材入手，確定需要或是可以開(kāi)發(fā)自制學(xué)具的章節(jié)與內(nèi)容，以此為學(xué)具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)目標(biāo)并組織學(xué)生實(shí)踐。

（3）直觀(guān)性。對(duì)于通用技術(shù)學(xué)具的使用來(lái)說(shuō)，其部分用于實(shí)踐操作，還有部分用于演示。針對(duì)這些演示用的學(xué)具，應(yīng)當(dāng)盡可能做大一些，保證學(xué)生能夠直觀(guān)看到重點(diǎn)部位，最大程度發(fā)揮學(xué)具在高中通用技術(shù)教學(xué)中的演示作用。

（4）安全性。在通用技術(shù)實(shí)踐教學(xué)以及學(xué)具設(shè)計(jì)制作中，教師要注重維護(hù)學(xué)生的操作安全。此時(shí)，要指導(dǎo)學(xué)生嚴(yán)格依照操作要求、步驟安排等展開(kāi)實(shí)踐，必要時(shí)要有安全防護(hù)裝置，避免出現(xiàn)安全性問(wèn)題。

三、基于三維打印技術(shù)的通用技術(shù)學(xué)具的應(yīng)用

1.結(jié)合教學(xué)重點(diǎn)，組織學(xué)生動(dòng)手制作

（1）實(shí)踐性學(xué)具。教師可以結(jié)合高中通用技術(shù)教學(xué)中的經(jīng)典案例、重難點(diǎn)等引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)與制作學(xué)具。例如，在閉環(huán)控制系統(tǒng)的教學(xué)中，教師可以組織學(xué)生以小組為單位，完成“牛用自動(dòng)飲水器”的設(shè)計(jì)與制作。該學(xué)具模型中包含的主要結(jié)構(gòu)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(gòu)成連通器系統(tǒng);在浮子上設(shè)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(shè)放水管;設(shè)定水位，一旦飲水器中的水位低于設(shè)定水位時(shí)，水位控制水箱中的水位也隨之下降。在制作該學(xué)具過(guò)程中，對(duì)于一些無(wú)法迅速獲取、且難以找到合適替代物的構(gòu)件，教師可以引導(dǎo)學(xué)生使用三維打印技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作，最終完成“牛用自動(dòng)飲水器”學(xué)具的整體開(kāi)發(fā)。通過(guò)這樣的方式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的有效培養(yǎng)。

（2）人文性學(xué)具。教師可以引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)具有人文性的學(xué)具設(shè)計(jì)與制作，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐能力的增強(qiáng)。例如，在“控制及其設(shè)計(jì)”的教學(xué)中，筆者聯(lián)合同年段的其他班級(jí)展開(kāi)了“滅火大賽”（即滅火器設(shè)計(jì)活動(dòng)）。此時(shí)，學(xué)生可依托學(xué)校內(nèi)的創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室、科技活動(dòng)室、機(jī)器人工作室以及多種創(chuàng)客工具資源，包括3D打印機(jī)、激光雕刻機(jī)、ARDUINO開(kāi)源硬件、EV3樂(lè)高機(jī)器人等，結(jié)合所學(xué)內(nèi)容，以活動(dòng)小組為單位完成學(xué)具設(shè)計(jì)與制作。之后，經(jīng)過(guò)班級(jí)初步篩選后對(duì)每個(gè)班級(jí)上交作品進(jìn)行比較與評(píng)選，最終確定優(yōu)勝班級(jí)，并組織學(xué)生學(xué)習(xí)、了解其設(shè)計(jì)原理。

（3）生活性學(xué)具。高中通用技術(shù)課程的內(nèi)容與學(xué)生的日常生活有緊密的聯(lián)系，基于此，教師可以組織學(xué)生開(kāi)發(fā)生活性學(xué)具。例如，在“開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)”的教學(xué)中，筆者組織學(xué)生展開(kāi)了家庭版地震報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作。該學(xué)具中包含的主要結(jié)構(gòu)為報(bào)警裝置（發(fā)聲裝置）、注射器管、浮子、水盆等。其中，報(bào)警裝置外接兩條導(dǎo)線(xiàn)，控制線(xiàn)頭不接觸且相對(duì)較近;放入注射器管內(nèi)，并加設(shè)玻璃珠;密封注射器管，將其放置于浮子內(nèi);將浮子放入水盆。此時(shí)，一旦外界環(huán)境發(fā)生振動(dòng)，浮子會(huì)隨著水盆中水的波動(dòng)而出現(xiàn)傾斜，玻璃珠運(yùn)動(dòng)促使導(dǎo)線(xiàn)接觸，最終使得報(bào)警裝置的線(xiàn)路連通并發(fā)出警報(bào)。在制作該學(xué)具的過(guò)程中，對(duì)于一些無(wú)法迅速獲取且難以找到合適替代物的構(gòu)件，教師可以引導(dǎo)學(xué)生使用三維打印技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作，最終完成家庭版地震報(bào)警器學(xué)具的整體開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.多功能演示性學(xué)具的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

依托三維打印技術(shù)，教師可以完成一體多用的演示性學(xué)具的設(shè)計(jì)與制作，為通用技術(shù)教學(xué)的展開(kāi)提供更多支持。在此過(guò)程中，筆者采用了與學(xué)生共同開(kāi)發(fā)學(xué)具的模式，依托學(xué)校內(nèi)科技活動(dòng)室等資源，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容與學(xué)具功能需求，指導(dǎo)學(xué)生完成一體多用學(xué)具的設(shè)計(jì)與制作。本次實(shí)踐主要結(jié)合必修教材中的“三視圖教學(xué)”“剖視圖教學(xué)”“機(jī)械加工工藝的教學(xué)”“攻絲方法的教學(xué)”“不規(guī)則金屬表面處理的教學(xué)”進(jìn)行一體多用學(xué)具的設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中，學(xué)生要明確上述模塊的重點(diǎn)內(nèi)容，以此為基礎(chǔ)完成學(xué)具設(shè)計(jì)，并使用三維打印技術(shù)進(jìn)行制作。通過(guò)這樣的方式，學(xué)生加深了對(duì)通用技術(shù)教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)與理解，也實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐能力的培養(yǎng)和提高。

綜上所述，基于Maker的三維打印技術(shù)在通用技術(shù)學(xué)具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在明確開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程與原則的基礎(chǔ)上，教師要引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)踐性學(xué)具、人文性學(xué)具、生活性學(xué)具，并注重一體多用學(xué)具的設(shè)計(jì)與制作，推動(dòng)通用技術(shù)學(xué)具與課堂實(shí)踐的有機(jī)融合。

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