张凯++赵腾任

【摘要】3D打印作为快速成形技术的一种，通过逐层堆叠累积的方式打印出各种实物。该技术在工业、建筑、医疗、生活等领域应用越来越广泛，而在基础教育领域的应用仍处于起步探索阶段。文章首次列举了几种3D打印分子球棍模型教具在课堂教学中的实践应用，实现了传统球棍模型在使用过程中的新突破。对比传统有机分子球棍模型教具，显示出3D打印球棍模型无可比拟的诸多优点。

【关键词】3D打印技术；化学；教学；球棍模型

【中图分类号】G434

2013年美国新媒体联盟与美国高等教育信息化协会合作发布的《地平线报告》中首次将3D打印的教育应用列入“待普及”，并且预测在未来的4-5年内，3D打印技术将成为主流趋势大面积走进中小学课堂。3D打印技术对教育的重要价值不仅在于它能够创造对事物真实、直观的探索机会，还在于为学科教学带来新视角和新思路，有效改善教师的教学效果，提高学生的学习效率，提升学生的创新能力和问题解决能力，促进各学科课堂三维教学目标的落实和突破。

一、3D打印技术及其在学科教学中的应用现状概述。

3D 打印，属于快速成形技术的一种，也叫增材制造技术[1-2]，它是一种以三维数字模型为基础，运用粉末状塑料或金属等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。3D 打印技术能够成功地利用各种材料打印出汽车零件、建筑模型、珠宝配饰、身体器官等多种多样的实物，在工业制造、建筑设计、生物医疗、日常生活等领域得到了广泛的应用[3]。

3D打印技术在国外教育领域已出现一些优秀的应用案例，然而在国内中小学教学活动中的应用才刚刚起步[4]。例如语文学科中3D打印人民大会堂、赵州桥结构教具用于更直观说明两者的结构；数学学科中各种几何体的3D打印切割用于立体几何的教学.遗憾的是，3D打印技术在化学课堂教学中的应用却鲜有报道。

二、3D打印分子球棍模型教具在中学化学课堂教学中的实践应用

1.传统球棍模型教具的使用特点

在中学化学教学中，教师经常使用球棍模型帮助学生理解各种有机物的空间结构特点。教师用球棍模型代表各原子的小球多采用具有弹性的橡胶材料制成，代表共价键连接各小球原子的细棍多是金属材料。教师在组装结构较复杂的有机分子时，往往存在细棍和小球连接不紧密容易松动脱落、单键不易旋转等突出问题。由于橡胶小球存在很大弹性，用于组装像环己烷等分子球棍模型时，将组装好的球棍模型置于水平桌面上会看到：借助六个氢原子小球在桌子上的支撑作用，六条碳碳单键直观显示为同时存在于平行于桌面的同一平面上。显然这是不符合六个碳原子成键特点和规律的，也暴露出传统教师用球棍模型橡胶小球和金属细棍在组装连接过程中由于受力不均而隐藏扭曲，缺失真实客观性的弊端，易对学生造成误导。

2.3D打印球棍模型教具的应用优势

使用3D打印技术，选择采用ABS、PVA等硬度较大的合成材料，根据需要打印不同尺寸的圆球和细棍并进行连接组合，可有效克服圆球和细棍由于受力不均，无法客观再现分子真实结构的缺点。通过巧妙设计小球孔径及内部结构，可实现代表共价单键的细棍在紧密连接两头原子的同时根据需要手动旋转。3D打印球棍模型所用材料质量轻易于携带，可供选择颜色种类多，打印模型更美观精细，原子符号可以直接打印至小球表面便于辨认。3D打印各小球和细棍从数量上不受任何限制，如有损坏遗失可及时打印补充，从而满足教师和学生在不同场合的各种使用需求，大大提高了球棍模型的使用范围和灵活性。以下从几个方面，着重介绍几例3D打印分子球棍模型教具在课堂教学中的创新应用。

2.1 含大π键苯环结构整体在苯环相关结构学习中的应用。现有苯的球棍模型都是按照苯的凯库勒式进行拼接，单双键交替的结构显然与苯分子结构特点存在冲突，不利于学生理解苯环六条完全相同的碳碳键的独特性。利用3D打印技术完全可以实现打印苯环结构中特殊的大π键。利用透明材料将六个碳原子与苯环中两个直径大小不一的同心圆相连，同心圆之间放置六个与同心圆大小匹配的圆球代表六个碳原子提供的六个电子。巧妙之处在于借助3D打印的“一体成型”的特点，六个“电子”还可以在两个同心圆之间灵活活动。含有大π键的苯环整体结构球棍模型无疑更加符合苯环自身结构特点，更具科学性，给学习程度较好的学生提供了进一步深入探讨的空间和可能。通过对含大π键苯环结构大小的调整，还可打印教师、学生两用含大π键的苯环结构整体用于与其它原子相连，为研究芳香族化合物结构特点提供便利。

2.2 虚拟分子结构打印帮助学生对比学习有机结构知识。以甲烷的空间构型学习为例，教师经常会引导学生讨论甲烷的空间构型为何。借助3D打印技术，教师不妨进行大胆尝试，让学生自己想想一个碳原子和四个氢原子可以组成哪些相对对称的结构，并将任何可能的结构打印出来进行实物对比。学生可结合科学实验事实，分析讨论，得到正确结论。3D打印虚拟结构的球棍模型已经完全突破了传统球棍模型教具的使用范围，对于培养学生科学探究的学习思维大有裨益。

2.3 经典有机分子模型打印帮助学生充分理解分子构型变化。在碳原子成键特点的讲解过程中，学生经常容易受碳链碳环结构简式书写的影响，学生易将环己烷等结构机械的理解为平面结构。通过3D打印环己烷球棍模型使用，学生可以一目了然的观察到碳环的结构特点。

2.4 复杂有机分子模型在原子共线共面判断中的应用。有机分子中各原子共线共面问题正确合理的分析能够帮助学生更好理解碳、氢、氮、氧等原子成键特点。但很多分子结构模型往往比较复杂，涉及多个母体结构，存在很多理解困难。通过3D打印较复杂有机分子球棍演示模型的使用，教师可以将复杂分子结构模型直观立体的呈现在学生面前，手动旋转球棍模型中的单键，帮助学生更直观的观察学习，总结原子共线共面的情况，变抽象为具体有效突破理解难度。

英国经济学家Paul·Markillie將3D打印技术誉为第三次工业革命的重要标志之一 。随着3D打印时代的来临，各行各业将面临巨大的变革，教育行业自然不能例外。在国家和政府对3D打印技术发展的大力支持和鼓励下，将3D打印技术引入化学课堂教学，发挥先进技术和一线教学整合的优势弥补常态课堂直接经验不足的劣势，是培养具有创新精神和实践能力的科技创新人才的重要途径，也是我国教学改革的需要。

【参考文献】

[1]刘金畅。3D打印技术以及应用趋势[J].电脑知识与技术，2014，（10）： 8315-8316

[2]李媛媛，艾贤明。3D打印技术在高中通用技术课程中的应用研究[J].中小学电教，2015，（4）：19-21

[3]本刊记者。简谈3D打印现状及在各行业的应用[J].信息技术与信息化， 2014，（4）：10-14

[4]花燕锋，张龙革。3D打印技术在教育中的应用研究[J].中小学电教， 2014，（6）：16-18endprint