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摘要：国外3D打印技术已普遍运用于基础教育阶段，并开设相关课程和教学体系；国内虽然开展了3D打印的教学研究和课程改革，但在中学学科教学中应用的实践案例很少。基于3D打印技术，对分子构型及特殊实验装置进行了教学尝试，在培养学生能力方面取得了较好效果。
关键词：3D打印；化学教具；实验仪器
文章编号：1005–6629（2016）9–0025–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
3D打印技术是一种新型数字化制造技术，以计算机辅助设计软件生成的或通过实体扫描设备扫描实物所获得的数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过“积层造型法”逐层打印材料层创建物体，主要用于原型设计以及组件产品的制造[l，2]。3D打印逐渐在教育领域中受到研究者的关注，一些国家和组织也开始对3D打印在基础教育阶段的教学和应用实践进行探索[3，4]。我国也正在逐步推进3D打印的教学研究和课程改革[5～7]，但目前主要是作为劳技课程的拓展与延伸，对学生自主设计的要求相对较低，其发展处在起步阶段，尚未发现在中学学科教学中应用的实践案例。因此，笔者基于3D打印技术对解决当前高中化学在化学教具和实验教学方面的某些不足之处进行了尝试和探索。
1 当前高中化学教具和实验仪器方面存在的一些问题
高中化学教学中，教师讲解分子构型、形状时，一般通过诸如图片或实物模型等教具开展教学。这些教具通常存在两个问题：第一，固定静态的平面展示。如挂图、图片类，不能很好地反映分子的立体形状和空间结构，对于高一高二学生来说，单靠图片等二维平面教具想象实际的三维立体结构相对困难。第二，传统的分子结构实物模型成本较高，购买困难。实物模型教具可以让学生充分了解分子在三维方向的空间结构。然而，一方面实体模型教具购买成本较高（通常一个需要百元左右），另一方面类型和数量有限，不一定能满足所有的教学内容，且经常因为缺货使得购买周期加长，导致不能匹配教学进度。
此外，在实验教学中，经常在实际应用或题目中有一些设计新颖、形状特殊、功能特别的仪器和装置。由于无法购买到实物，难以激发学生的实验兴趣和讨论氛围。对于实验教学中的一些基本实验思想和实验原理，也由于缺乏相关的仪器和实物，使得学生缺乏学习积极性，当遇到难以理解的实验器材和原理时，不愿意多思考、多质疑，只是简单地按照教材的说明和教师的解释机械记忆相关原理，使得创造性思维的培养、实验动手能力和科学实验素养的提高都难以落到实处。
2 3D打印技术在化学教学中的应用尝试
笔者将3D打印引入课堂，对分子构型及特殊实验装置进行了教学尝试，收到了良好效果。本文中的3D建模软件为AutoDesk 123D Design，3D打印软件为Preform、Cura，3D打印机为：Form1+光固化3D打印机、Hori Z300 PLA打印机。
2.1 分子模型的制作及教学 
学生掌握上述基本绘制工具后，教师引入本节课的教学内容，请学生思考并构建SF6的空间结构和3D模型。学生在3D软件的帮助下可以尽情地发挥他们的想象力，画出各种形状的分子模型，如正六边形、三棱柱、五角锥、正八面体等。在充分展示和交流之后，由教师给出SF6分子的相关参数，如键长、键角等，学生通过比较、讨论可以得出SF6正确的空间构型。最后，由教师审核3D模型，确认无误后导出为“stl”格式文件（File-export-stl），用preform或Cura等3D打印软件打开stl文件后传输到3D打印机进行打印，打印成品可赠予学生留念或用于今后的教学，见图3。 
制作分子模型的过程中，学生通过在3D建模软件中对“球”、“棍”等基本构建单元的调整和连接的不断尝试以及相互间的交流和讨论，对不同分子的空间构型和立体结构有了深入了解和直观的认识。与传统教学模式中仅通过图片展示或模型观看，要求学生记住不同的分子构型和键角等参数不同，学生在3D建模过程中自然而然地就掌握了这些知识并能熟练运用。实践过程中，有些学生甚至在课后进一步提出要求构建更为复杂的分子模型，如二茂铁、C60、金刚石晶胞等3D模型并进行3D打印。
2.2 用于冷凝回流装置的尾气吸收部件制作及讨论 
文中提到该装置的优点是：可以将冷凝管流出的水通入其中一侧的进水管，在球型容器中充分吸收另一侧通入的由冷凝管口产生的尾气，从而达到将废气有效密封并充分吸收的作用。该装置的另一优点是进入仪器的水流对废气进行有效吸收的同时还源源不断地将溶有废气的液体排出下端出水口，增大了废气吸收容量。同时液体的流动阻止了水流的逆流倒吸，有效防止了传统装置中水倒吸至反应瓶的情况出现。
但学生在制作过程中也提到该改进装置的不足：排出的废水若直接排放，则会对环境造成危害；若再用其他试剂处理，则由于低浓度废水量相对较大会造成尾气处理的困难和成本的上升。 
3 结语
将3D打印技术引入分子模型和化学实验的教学，取得了较好的效果，小结如下： 第一，教学效果的显著提高。相较于传统教学模式，教师拿着一个模型给全班四五十人讲解，然后模型在每个学生手里传看一遍，再由教师引导学生进行理论知识的学习；而通过3D打印技术可以让学生自己动手构建模型，制作过程中在三维空间对原子、化学键的空间位置、取向进行调整，通过“在做中学”能够充分掌握分子的立体构型。
第二，教学成本的降低。实物教具的购买和供应渠道往往不稳定，通常一个实物教具价格都在百元以上，数量少，价格高满足不了所有学生的需要；有些特殊需求、形状和规格的仪器更是没有生产。3D打印技术的引入实现了分子模型的批量化、低成本的生产（3D分子模型打印每个仅1～30元不等，其中PLA材料相对便宜，光固化树脂材料较贵），学生甚至可以人手一个仔细观察空间结构。打印特殊结构的化学仪器更是体现了3D打印技术在化学实验教学中的不可或缺的作用。
第三，学生学习积极性的提升。对于任何知识的学习，实践动手操作远比纯理论讲述更容易被学习者接受。通过3D打印技术在学习环节中的应用，不仅能够让学生亲身感受到动手实践的热情，成功3D打印出的模型同时也能激发他们主动学习的积极性并从中体验到掌握各种知识技能对自身能力的提高。
当然，3D打印技术在当下依然有一些自身的不足，如：打印速度较慢、打印材料限制较多、维护较为复杂。但科学技术和工业生产的快速发展，3D打印技术将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等趋势，3D打印技术也将在教育领域发挥更为重要的积极作用。
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