基于能力培養的高中生科學探究實踐

石中琦

摘 要：該文通過3D浮雕這一高中生的科技創新項目，簡單描述了科創的流程。通過對科創項目在高中學生科學探究能力培養過程中的具體實施與研究，指出了科創項目在學生能力培養方面的意義以及現存的一些缺陷。建議社會學校能重視科學實踐探究，增加資源供給，增加動手參與的機會。該研究內容可為學校與學生科創項目的實施提供參考。

關鍵詞：能力 高中 科創

中圖分類號：G633 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（a）-0-02

Abstract：This paper briefly describes the process of Science and Technology through the 3D embossing technology innovation project of high school students. Through the concrete implementation and research of the science and technology project in the process of cultivating the scientific inquiry ability of high school students， the significance of the science and technology project in the cultivation of students' ability and some existing defects are pointed out. It is suggested that social schools can attach importance to scientific practice， increase resource supply， and increase opportunities for hands-on participation. The research content of the thesis can provide reference for the implementation of the school and student science and technology projects.

Key Words：Ability； High school； Science innovation

為了選拔和培養品學兼優的青少年科技后備人才，上海市科學技術委員會和上海市教育委員會聯合制定并實施了“2004—2010青少年科技人才培養計劃”[1]，同時委托上海市青少年科技教育中心建立了上海市青少年科學研究院，以建立完善的優秀人才發現、跟蹤與培養機制，培育一批具有創新潛力和一定科學實踐能力的科技后備人才[2]。

上海市青少年科技教育中心逐步建設了具有現代教育理念、跨學科、綜合性、多功能、開放型的創新工作室，開展了組建學員隊伍、構建資源網絡、建設實驗基地、組織指導力量、創建信息平臺、形成運作模式、實施教育研究等具體工作。并通過專題研修、課題研究、科學沙龍等活動為青少年搭建開放多元、互動協作、自主創新和親歷科學的平臺。筆者依托這一平臺進行了3D浮雕技術的實踐與創新項目，該文將圍繞這一項目探討高中生的科學探究實踐。

1 3D浮雕項目簡述

激光3D浮雕是激光雕刻工藝的一種，是由傳統平面激光雕刻工藝衍生出的一種新型激光雕刻工藝，雕刻過程對物件表面逐層剝除，形成有立體感的圖像[3]。激光3D浮雕控制系統通過導入事先制作的三維浮雕模型圖形文件，先根據設定的加工參數對三維浮雕模型圖形進行Z向逐層分割，再對分割得到的平面輪廓做幾何路徑處理，然后沿Z向從頂至底對輪廓進行激光填充掃描以得到完整的輪廓凹凸效果。而該課題即研究激光浮雕機理及應用。

與傳統的模切方式相比，激光模切取消了模切版等硬件，減少了該部分的生產成本。由于不涉及制版，因此生產周期大大縮短。如果要2h內制作成品，采用激光模切是可行的，而傳統的模切方式則難以做到。通過高速三維動態聚焦控制系統，利用激光在一些材料（比如鋼，鋁等）中的作用，使得材料逐層去除，從而形成有立體感的圖像。

3D浮雕項目主要研究如何利用激光3D浮雕控制系統通過導入事先制做的三維雕刻模型文件，根據設定的加工參數對三維浮雕模型圖形進行Z軸方向的逐層分割。研究沿Z軸向從頂至底對輪廓進行激光填充掃描以得到完整的輪廓凹凸效果的工藝參數。制作一元硬幣模型，進而DIY自己喜歡的圖形。利用激光浮雕技術，使得材料逐層去除，從而得到自己想要得到的圖像。

3D浮雕項目可以掌握課堂學習之外的知識和能力。在使用激光浮雕技術過程中學習掌握激光浮雕技術，掌握AutoCAD等雕刻設計軟件的使用。研究3D激光浮雕的工作原理，研究AutoCAD等雕刻設計軟件的使用技巧，研究如何掌握輪廓凹凸效果的工藝參數的控制，研究激光雕刻加工與其他金屬加工技術如切屑加工（鉆孔，銑磨，沖床加工等）以及其他非切屑加工（化學腐蝕，熱加工）的差別。

2 實踐中的難點

科學探究對能力的要求很高，常常超出了學生的知識認知。主要表現在以下幾個方面。

（1）超出高中學生所掌握的技術手段。如，利用AutoCAD進行如圖1所示圖形的繪制時，如何安裝CAD、如何操作CAD、如何進行圖案的修改與優化等都是新鮮的事物，筆者通過在圖書館查閱相關文獻、前往附近高校學習、互聯網的專業論壇等方式，花費了一個月的時間自學克服了上述困難，掌握了CAD的操作，并可以繪制出如圖1所示的各類圖案。通過課題中所用軟件的學習，筆者學會了如何學習、如何解決科研探究中碰到的難點。

（2）超出高中學生所掌握的理論知識。如，激光的衍射直徑公式（1）：

（1）

筆者通過文獻檢索與查閱，認識到了λ是波長，f是棱鏡的聚焦長度，D是棱鏡的輸入柱直徑，M2是棱鏡輸入柱模式參數。通過課題中所用基礎理論的學習，筆者有如下的心得體會。

（1）在學校中，我們所學習的物理光學知識僅限于一些基本的射線和一些較古典的模型，最近代也只稍微涉及到了波爾模型和楊氏雙縫干涉，對于激光基本可以說是知之甚少。而對于該創新活動所使用的設備、材料和軟件更是完全第一次接觸。然而在該科學創新實踐中對于超出課本以外的知識和對于較專業設備和軟件應用的要求卻不低，在第一次接觸激光以及激光雕刻原理時，筆者也因其晦澀難懂和對于知識理解吸收能力的高要求而倍感壓力。然而在克服了這些難題后所收獲的則是遠超出課本外的知識，科學探究對拓寬超出課本知識的作用是巨大的。

（2）科學創新實踐同樣也提高了學生的科學素養。在實踐中，學生嘗試運用一些科學實踐常用的科學方法；由于對于專業知識和設備軟件的不熟悉而常常使得實驗受阻，就迫使學生們去思考如何解決這些問題；在實驗結束后又促使學生們去思考實驗中存在的可改進的步驟和實驗的不足之處以及對于實驗數據的分析處理。這些都對于學生的科學素養有提升的作用。

總之，該科學創新實踐給筆者帶來了多方面的益處，如知識的增加、能力的提升、自信的增加、堅持的精神、團隊合作能力的增加等。

3 結語

通過長達半年的科學探究，學生們的能力得到了一定程度的提高，這樣的主動探索式學習給學生的體驗和提升是在學校中知識灌輸式教育下難以獲取的，體現了從灌輸式教育到主動式探究學習的精神。

但是，我們也發現，進行科學實踐探究需要大量的知識儲備和掌握一些設備軟件的運用能力，對于高中學生來說這部分知識是薄弱的，這恰恰是對于學生的引導環節做得并不夠好，只是較為籠統地進行了介紹。建議增加指導，增加學生們必要的知識儲備，并且能讓學生有機會事先了解和掌握一些設備和軟件的使用知識。

進行科學實踐探究需要增加動手機會，但是科學實踐探究的設備供應較為緊張，常常是許多學生輪流使用同一個設備，并且筆者所在的3D浮雕小組加工一個工件常常需要超過1h，在一個學生加工完之前，其他人只能干等。科學創新實踐時間過短，學生的探索不夠充分，建議增加資源供給。

此外，學校對于科學實踐探究并不是非常重視，參加科學實踐探究的學生大概只占了1/10，并且不少學生認為科學實踐探究無關緊要，抱著一種隨意的心態參加實踐活動。希望社會學校能重視科學實踐探究，改善氛圍。

參考文獻

[1] 中國科協青少年科技中心.“英才計劃”簡介[Z].

[2] 中國科學技術協會.2016年安徽省中學生英才計劃拜師儀式[Z].2016-01-21.

[3] 楊勇.激光3D打標機加工浮雕工藝技術的研究[J].山東工業技術，2018（6）：38.