3D打印與化學模型教學深度融合的綜合實踐 論文

PAGEPAGE13D打印與化學模型教學深度融合的綜合實踐摘 要：3D打印技術的應用已非常廣泛，但是在化學教學中的應用較少，尤其是在晶體模型輔助教學中的應用尚無先例。筆者通過將3D打印技術中的模型建構及“STEAM突顯了綜合實踐課程的核心素養(yǎng)，有效突破了傳統(tǒng)教學方式中的難點，取得了較好的教學效果。關鍵詞：3D打印，中學化學，綜合實踐，核心素養(yǎng)，STEAM教育引 言：3D打印是一種新型數(shù)字化制造技術，包括建模與打印兩個方面。該技術在軟件和硬件方面的發(fā)展都非常迅速，目前已廣泛應用于各種工業(yè)設計和制造中。在基礎教育和高等教育，尤其是制造類及相關專業(yè)中進行了較多的嘗試與探索，并取得一定的成績。但是應用于中學化學輔助教學的例子非常少，筆者查閱文獻也僅找到極少數(shù)相關的論述，僅有的少數(shù)嘗試也是關于分子模型的簡單構建。筆者擔任學校的綜合實踐課程教師，同時兼任3D打印社團輔導員，在日常工作中經(jīng)常與各科老師探討如何將“STEAM本文主要以3D打印技術與高中化學中晶體模型教學的深度融合為例進行相關闡述。一、當前在晶體模型教學方面存在的不足晶體模型的構建與晶胞的切割一直是教學中的重難點內(nèi)容，需要學生有較強的空間想象能力與計算能力，并對各種基本模型有著清晰的認知。但是由于紙質課本很難在二維平面上完全展示出三維結構的特點，尤其是在金屬晶體的四種堆積方式這一部分，老許多教師試著解決這一難題，但也都存在著較多不足，現(xiàn)簡要概括如下。1．球棍模型的缺點現(xiàn)在晶胞教學中使用最多的輔助工具是球棍模型。筆者查閱淘寶等網(wǎng)絡購物平臺發(fā)現(xiàn)，目前市面上關于晶體結構的球棍模型種類較少，而且大多數(shù)比較簡單，例如比較復雜的六方最密堆積模型很少，價格也普度比較昂貴。球棍模型的另一個缺點是學生很難球棍模型容易讓學生形成微粒間是用鍵相連的錯誤思維，誤以為其間有較大距離，不能認識到硬球接觸和密堆積的真正含義，進而造成思維僵化，不能根據(jù)原子的半徑大小變化聯(lián)想到其堆積方式的變化。例如2017年新課標理綜試卷的全國III卷第35題第（5）不理想。2．傳統(tǒng)多媒體教學的不足晶胞的切割方式大多只能一知半解，到最后仍舊會陷入通過做題來死記硬背的境地。3．手工制作模型的困難之處嘗試后不得不放棄，復雜的晶體模型很難搭建。尤其是比例模型，小球之間無法固定，學生們很難獲得成功的喜悅。二、3D打印技術在解決金屬晶體堆積模型方面的嘗試筆者在與相關學科教師探討后，認為可以將綜合實踐課程中學習過的3D打印建模校本課程內(nèi)容的同時，培養(yǎng)學生在問題解決、創(chuàng)意物化方面的核心素養(yǎng)。下面以金屬晶體的四種堆積方式的3D建模過程為例進行說明。本文中所用3D建模軟件主要為AutoDesk123D3DOneCura，打印機為立體易FDMi2型桌面級。PAGEPAGE101．簡單立方堆積AutoDesk123DDesign最基本的簡單立方堆積模型開始建模。學生們首先在網(wǎng)格平面上繪制出四個半徑均為1mm球體，彼此相切，成正四邊形排列（圖2mm，構成簡單立方堆積（圖3D2mm晶胞的切割過程展現(xiàn)給學生，這是傳統(tǒng)教學方式所無法比擬的。切割后的晶胞（圖4）可很好幫助學生理解均攤法的含義。由于學生親自動手制作，對于各種參數(shù)非常熟悉，空間利用率等計算過程也比較順利。 圖1平面非密置排列 圖2平簡單立方堆積圖3切割晶體圖圖4切割晶體2．體心立方堆積型如何確定參數(shù)呢？學生們又重新進行了計算，根據(jù)體心三原子相切得出體對角線長c=4r=3a，計算出非密置層原子間距離即晶胞邊長為非密置層。第二層填充在第一層的凹穴中，只需將第一層復制后，在X和Y和Z方向各移動1.15m即可。再復制第一層，向上移動2.31mm，便可得出體心立方堆積模型（圖切割與計算的理解。圖5體心立方 圖6體心立方堆積圖7體心立方堆積晶胞切割3．面心立方最密堆積在進行了簡單的兩種非密置堆積模型構建后，學生對軟件操作已經(jīng)比較熟悉了，對于堆積模型的理解也得到了加深。面心立方最密堆積與六方最密堆積兩種模型比較復單的面心立方最密堆積開始構建模型。首先進行簡單的模型重構過程。由學生根據(jù)課本圖示分析面心立最密堆積模型中原子之間的位置關系。有了之前體心立方的基礎后，學生們很快分析得出相切的原子是位=4r=2aa=制作面心立方最密堆積模型（圖圖8面心立方堆積模型圖9面心立方的晶胞切割（1）上述對于面心立方最密堆積模型的建構過程是由課本上的模型進行反推得到的，并重新進行了模型建構。首先進行平面密置層排列（A為2.83mm的立方體，調整角度，使其頂點位于球心位置。再根據(jù)計算結果（由學生先層）放置于A層的凹穴中，并與A層相切，第三層（C層）同樣放置在A層對應的凹穴上方，與B層相切。注意B、C兩層在A層上的投影位置不同（如圖10A層于C胞（圖晶胞切割方式的多樣化。圖10人教版課本關于面心立方堆積過程的圖示圖11面心立方的分層堆積過程圖12面心立方的晶胞切割（2）4．六方最密堆積片展示的方式去理解其特殊晶胞的由來。但是運用3D建模的方式卻能比較好的解決這一問題。首先與面心立方最密堆積方式類似，繪制出最密堆積的A層與B層。不同點在于其第三層是A層的重復，而不是面心立方最密堆積方式的C的晶胞切割方式比較特殊，不是立方體切割，而六棱柱切割。繪制一個邊長為2mm，高為3.266mm導學生們進行進一步的切割，得到菱平形六面體形狀的晶胞（圖想，筆者請另一位老師運用3DOne建模軟件進行了模擬，將中間球體的三部分合成一個球體后即與課本一致（圖次探索。圖13六方最密堆積模型圖14六方最密堆積的晶胞切割過程圖15六方最密堆積晶胞的進一步切割圖163DOne建模軟件模擬結果三、成功與不足之處1．成功之處3D打印建模在晶體模型構建中的應用嘗試，克服了傳統(tǒng)教學中的種種不足，降低數(shù)的計算能力，還促進了多學科知識的融合，體現(xiàn)了“STEAM教育”的理念，提升了學培養(yǎng)。2．不足之處3D建模理念與技術運用于化學教學中，對于教學效果確實有著明顯的提升。但是也有著一定的局限性。任3D打印社團的輔導老師，深感自身能力的不足，在實踐過程中也確實不斷遇到種種問題，又苦于無人指點，只能自己摸索。這使得備課過程非常漫長和艱辛。其次，學生需要擁有使用3D軟件建模的相應能力。但限于種種條件的制約，很難在全體學生中大規(guī)模開展3D打印技術輔導。同時，學生的興趣與基礎不同，對于軟件的掌握程度也不相同，導致部分同學在