基于Maker的三维打印技术在通用技术学具开发中的应用

黄建忠

摘 要：文章基于Maker（创客）的三维打印技术在通用技术学具开发中的优势，结合教育实践，分析基于三维打印技术的通用技术学具开发设计的流程与原则，并从结合教学重点制作学具、多功能演示性学具的开发应用两方面入手，阐述面向Maker与三维打印技术的通用技术学具的应用途径。

关键词：Maker（创客）;三维打印技术;通用技术;学具

中图分类号：G633.93 文献标志码：A文章编号：1008-3561（2020）25-0118-02

高中通用技术课程是一门立足实践、高度综合、注重创造、科学与人文融合的课程，注重提高学生的技术素养。学具作为良好的教学工具，为学生动手实践提供了物质基础，能很好地辅助教学。而就当前的教学情况来看，通用技术课堂教学多以讲授为主，学具的配置和应用有所不足。因此，开发自制学具极为必要。

一、基于Maker的三维打印技术在通用技术学具开发中的优势分析

实践教学是通用技术教学中极为重要的一部分。一直以来，受到教学设备等条件的限制，通用技术教学通常只重视教师的教，而忽视了学生的主体地位，这种教学模式不能达到通用技术的教学目标，更不能培养出高素质的人才。学具与教具不同，作为供学生按照教学要求进行动手操作的器具，学具的使用能极大地调动学生的积极性，有利于学生动手能力的培养，也有利于学生技术素养的形成。

在Maker（创客）的理念下，运用三维打印技术可以将学生的创意、设计迅速转变为实物，为学生的实践操作提供有力支持。从这一角度来看，基于Maker的三维打印技术在通用技术学具应用中有极高的价值，值得深入探讨与开发。

二、基于三维打印技术的通用技术学具开发设计要点分析

1.开发设计流程

第一，分析通用技术学习中的重难点，以此为切入点展开学具的设计。第二，利用Solidworks等软件完成设计学具的三维实体模型构建。在该环节中，可以使用“删减法”“层叠法”等展开模型构建。在实现学具三维实体模型的构建与检查后，将其导出STL文件。第三，筛选出更为适合开发学具的三维打印工艺，对成本、效率、工艺精度等因素展开综合性考量。笔者在实践中发现，熔融沉积三维打印工艺在通用技术学具开发制作中更为适用，相比其他工艺来说，该工艺所消耗的材料成本更低，制作效率更高，操作也更为简单。利用多项打印参数的合理设置，能够完成高质量的通用技术学具模型制作。第四，对基于三维打印技术的通用技术学具展开后期处理。该环节主要完成的操作包括对表面进行抛光打磨以及去除毛刺，保证学具表面的光滑性。

2.开发设计原则

（1）科学性。严格保证所有学具的开发设计能够体现出科学原理与法则，严禁发生违背科学原则的问题。特别是在原创性学具的开发设计中，要尽可能避免存在科学性错误，对所有的设计环节、细节进行反复推敲，保证所有的制作步骤均具有科学依据。

（2）教育性。对于通用技术学具来说，其开发设计的主要目的在于加深学生对教材重难点的理解，提升学生的实践能力。因此，使用三维打印技术展开学具的开发设计必须要严格遵守教育性原则，即所有学具的开发设计与制作与通用技术教学内容相关联。因此，教师要从高中通用技术教材入手，确定需要或是可以开发自制学具的章节与内容，以此为学具开发设计目标并组织学生实践。

（3）直观性。对于通用技术学具的使用来说，其部分用于实践操作，还有部分用于演示。针对这些演示用的学具，应当尽可能做大一些，保证学生能够直观看到重点部位，最大程度发挥学具在高中通用技术教学中的演示作用。

（4）安全性。在通用技术实践教学以及学具设计制作中，教师要注重维护学生的操作安全。此时，要指导学生严格依照操作要求、步骤安排等展开实践，必要时要有安全防护装置，避免出现安全性问题。

三、基于三维打印技术的通用技术学具的应用

1.结合教学重点，组织学生动手制作

（1）实践性学具。教师可以结合高中通用技术教学中的经典案例、重难点等引导学生自己设计与制作学具。例如，在闭环控制系统的教学中，教师可以组织学生以小组为单位，完成“牛用自动饮水器”的设计与制作。该学具模型中包含的主要结构为饮水槽、蓄水箱、浮子、水位控制水箱等。其中，水位控制水箱与饮水槽中包含的注射器管构成连通器系统;在浮子上设置锥形阀，并在蓄水箱下部连接一根硬管;为了模拟牛喝水，在饮水槽处加设放水管;设定水位，一旦饮水器中的水位低于设定水位时，水位控制水箱中的水位也随之下降。在制作该学具过程中，对于一些无法迅速获取、且难以找到合适替代物的构件，教师可以引导学生使用三维打印技术进行设计与制作，最终完成“牛用自动饮水器”学具的整体开发。通过这样的方式教学，实现了对学生动手实践能力的有效培养。

（2）人文性学具。教师可以引导学生展开具有人文性的学具设计与制作，促进学生创新意识与实践能力的增强。例如，在“控制及其设计”的教学中，笔者联合同年段的其他班级展开了“灭火大赛”（即灭火器设计活动）。此时，学生可依托学校内的创客实验室、科技活动室、机器人工作室以及多种创客工具资源，包括3D打印机、激光雕刻机、ARDUINO开源硬件、EV3乐高机器人等，结合所学内容，以活动小组为单位完成学具设计与制作。之后，经过班级初步筛选后对每个班级上交作品进行比较与评选，最终确定优胜班级，并组织学生学习、了解其设计原理。

（3）生活性学具。高中通用技术课程的内容与学生的日常生活有紧密的联系，基于此，教师可以组织学生开发生活性学具。例如，在“开环控制系统”的教学中，笔者组织学生展开了家庭版地震报警器的设计与制作。该学具中包含的主要结构为报警装置（发声装置）、注射器管、浮子、水盆等。其中，报警装置外接两条导线，控制线头不接触且相对较近;放入注射器管内，并加设玻璃珠;密封注射器管，将其放置于浮子内;将浮子放入水盆。此时，一旦外界环境发生振动，浮子会随着水盆中水的波动而出现倾斜，玻璃珠运动促使导线接触，最终使得报警装置的线路连通并发出警报。在制作该学具的过程中，对于一些无法迅速获取且难以找到合适替代物的构件，教师可以引导学生使用三维打印技术进行设计与制作，最终完成家庭版地震报警器学具的整体开发，从而实现对学生动手实践能力、创新能力的培养。

2.多功能演示性学具的开发应用

依托三維打印技术，教师可以完成一体多用的演示性学具的设计与制作，为通用技术教学的展开提供更多支持。在此过程中，笔者采用了与学生共同开发学具的模式，依托学校内科技活动室等资源，结合教学内容与学具功能需求，指导学生完成一体多用学具的设计与制作。本次实践主要结合必修教材中的“三视图教学”“剖视图教学”“机械加工工艺的教学”“攻丝方法的教学”“不规则金属表面处理的教学”进行一体多用学具的设计。在此过程中，学生要明确上述模块的重点内容，以此为基础完成学具设计，并使用三维打印技术进行制作。通过这样的方式，学生加深了对通用技术教学内容的认识与理解，也实现了实践能力的培养和提高。

综上所述，基于Maker的三维打印技术在通用技术学具开发设计中有独特的优势。在明确开发设计流程与原则的基础上，教师要引导学生开发设计实践性学具、人文性学具、生活性学具，并注重一体多用学具的设计与制作，推动通用技术学具与课堂实践的有机融合。

参考文献：

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[2]陈以波.通用技术课程师资培养方案的设计研究[D].聊城大学，2019.

[3]何砚洲，刘传斌，王永忠.怎样建设高中通用技术实践室[J].中小学实验与装备，2010（03）.