基于3D打印技術的中學物理科技活動課程設計

吳睿佳 程敏熙

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

3D打印技術是一項通過逐層打印的方式來構造物體的快速成型技術，常被應用于工程制造、醫療或者各種設計行業中.近年來，3D打印技術憑借著其較強的綜合性、實踐性與創新性，正越來越多地被應用于教育領域，成為許多中學開展第二課堂的較優選擇.

1 3D打印技術教育的理論基礎

STEAM即科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、藝術(Art)、數學(Mathematics)5個領域的簡稱.STEAM教育倡導學生靈活運用各領域的知識來解決實際問題.3D打印技術教育中蘊含豐富的STEAM教育思想，教師在進行基于3D打印技術的物理科技活動教學的過程中要有意識地滲透科學、技術、工程、藝術、數學這5個領域的內容，具體內容如下.

S(科學)：讓學生親歷科學探究的過程，靈活運用物理學知識，結合物理的思想和方法解決問題，培養學生科學的態度與責任.

T(技術)：讓學生掌握基本的3D建模、打印以及后期處理技術.

E(工程)：讓學生完成既定主題的項目，設計并制作出物理科技作品.

A(藝術)：讓學生進行作品的色彩、造型設計，從中體現出一定的審美觀.

M(數學)：讓學生使用函數運算、空間幾何等方法進行參數設置和結構設計.

2 目前3D打印技術課程設計中存在的問題

目前國內的3D打印技術教育仍屬于起步和摸索階段，3D打印技術的課程設計仍不夠完善，普遍存在的問題如下.

2.1 內容單薄

國內開展的3D打印技術課程大多采取在每個課時最后設計出一件小作品的形式，作品中所蘊含的科學知識過于簡單基礎，不適合中學生進行課外拓展學習；并且大多數作品只具備觀賞價值，也造成了一定的資源浪費.

2.2 課時過短

目前3D打印技術教育多為較短課時的體驗性課程，而以3D打印技術為載體培養學生的綜合能力是一個長期滲透和強化的過程，因此課程的學習時長以一到兩個學期為宜.

2.3 難度偏低

我國3D打印技術教育呈現出低齡化的趨勢，原因之一是3D建模軟件的選擇不當，目前大部分中學都選擇了123D Design,3Done等建模軟件，這些軟件為了方便入門而簡化了許多數學建模過程以及邏輯設計思想，使得原本富含知識和邏輯方法的建模過程變得“傻瓜化”，過低難度的建模更適合低齡兒童而非中學生使用.

3 3D建模軟件的選擇

筆者選擇了3D建模軟件SolidWorks進行中學3D打印技術教育，這是一款具有挑戰性的，蘊含豐富建模思想的專業軟件，該軟件功能強大，組件豐富，方便學習使用，足以支撐起較長時間的教學.SolidWorks軟件有3種文檔類型可供選擇：零件、裝配體、工程圖.設計者可根據需要進行單個零件的設計，多個零件間的空間裝配，或者在工程圖中標注零件的尺寸、材料等信息.

4 課程設計——以設計制作多功能物理簡易天平及杠桿原理模型為例

4.1 內容設計

開展基于3D打印技術的中學物理科技活動課程，首先需要選擇合適的設計主題，作品本身必須蘊含著豐富的物理內涵與科學思想，難度適中，最重要的是要留給學生自由發揮創造的空間；另外，相較于大部分3D打印課程采取的每節課設計出一個獨立作品的形式，筆者更推薦教師組織學生利用一個學期的時間，設計出一個完整的可投入物理科學活動中的實驗用具.本文選擇了多功能物理天平作為設計的主題，該模型至少可實現兩個功能：一是作為簡易物理天平使用；二是作為探究杠桿原理的教具使用.

4.2 課時設計

設計主題確定之后，教師需要羅列出該作品包含了幾個零部件，每個零部件的設計需要用到軟件中的哪些功能，并且按照功能的使用難度劃分出易、中、難3個等級，以此對應學生的3種學習模式——體驗式、探究式、項目式.體驗式學習主要讓學生了解并熟悉3D打印技術；探究式學習要求教師適當提出問題啟發學生思考，同時教授學生基本的建模方法；項目式學習則需要學生通過小組合作的方式獨立完成零件設計.3種學習模式層層遞進，逐漸提升學生的科學素養,3種學習模式的課時安排如表1所示.

表1 3種3D打印技術教育學習模式的課時安排

4.3 教學設計——以“杠桿制作”課為例

開展基于3D打印技術的中學物理科技活動課的關鍵，在于教師能否在教學過程中滲透STEAM教育思想，下面將以“杠桿制作”課為教學案例，展示探究式學習模式的教學設計過程.探究課的重點在提問，教師的提問一定要層層遞進，由易到難，通過提問引導學生思考，逐步分解并解決問題.

(1)結構設計——培養問題意識

師：同學們，前面我們已經完成了天平底座和圓盤的設計，這節課的任務是設計杠桿.在設計零件結構時，首先應該從哪入手呢？(從設計目的上引導)

生：首先需要考慮杠桿要實現的功能.

師：那么我們的杠桿需要實現什么功能呢？

生：一是作為物理天平的杠桿；二是作為杠桿原理模型中的杠桿.

師：請同學們回憶一下，我們平時使用天平時有哪些步驟呢？

生：使用天平前要調零，接著在左盤放置待測物體，右盤里先大后小加減適當的砝碼直至指針指向分度盤中央.

師：接著請大家思考一下，完成上面這些步驟所需的杠桿結構有哪些呢？

生：調零需要杠桿尾部有放置平衡螺母的結構，判斷平衡需要有指針.

師：請大家舉一反三，回顧探究杠桿原理的實驗，思考杠桿原理模型中的杠桿應該具備哪些結構呢？

生：探究杠桿原理的實驗中需要改變力臂，所以需要在杠桿上間隔相同距離挖出掛鉤碼的小孔.

讓學生按要求在紙上自行畫出杠桿設計圖，并標出合適的杠桿尺寸，參考尺寸為20 cm×10 cm×0.7 cm，孔徑為1 cm.

教師巡視提供必要的指導.

設計意圖：結構設計環節主要滲透STEAM中的科學思想(S)，即培養學生運用所學知識，分析拆解問題的能力與物理學科素養.比如引導學生回顧天平的使用與杠桿原理實驗，加深學生對物理知識的理解與應用；在設計配重部分時強調天平調零的重要性，培養學生科學規范的實驗習慣.

(2)作品建模——培養邏輯思維

師：回憶之前教過的基本建模方法，設計出以上結構，建模的步驟應該如何安排呢？請同學們在紙上畫出作品建模的流程圖，繪制時注意標出基準面.

學生繪制程序框圖，教師巡堂指導，某學生設計的建模步驟如圖1所示.

師：接下來請大家按照自己繪制的流程圖進行杠桿的建模.建模時注意提前選擇基準面，使用不同功能進行拉伸或切除時，注意厚度與深度的參數設置應一致.

學生按流程完成作品設計，教師提供必要的技術指導，某學生完成的杠桿3D模型圖及實物圖如圖2所示.

圖2 某學生設計的杠桿3D模型圖與實物圖

設計意圖：建模環節主要滲透STEAM中的技術(T)與數學(M)部分，教師要給予學生充分的實踐空間，讓學生在實踐中掌握使用軟件建模的基本方法，同時培養學生設計流程的邏輯思維.

(3)討論交流——培養多維思考能力

師：同學們都完成了自己作品的設計，接下來請大家反思一下，你設計的這個作品是否能實現一開始要求的兩個基本功能呢？

師：如果無法完全實現這些功能的話，你需要對作品做出哪些修改呢？

給學生時間進行作品反思與修改，教師逐個審查過關，并挑選幾位設計思路較為特色的學生進行現場展示.

師：接下來請大家在組內討論，設計零件的思路還可以有哪些呢？

設計意圖：自我反思與糾正可以鍛煉學生的獨立思考能力；同時，在討論與交流中，學生還可以了解到各種各樣的設計思路，培養多角度思考問題的能力.

教師可以參照這種拆解問題，從而抽絲剝繭，步步引導的教學設計思路，進行不同學習模式下的教學設計，并在教學過程中有意識地滲透STEAM教育理念.學生也將在教師的帶領下，逐步完成天平底座、圓盤、杠桿、螺絲螺母與圓盤底座的設計，學期結束時，某組學生設計的多功能物理簡易天平及杠桿原理模型設計圖及成品圖如圖3和圖4所示.

圖3 物理天平及杠桿原理模型3D設計圖

圖4 物理天平及杠桿原理模型3D打印實物圖

5 結束語

基于STEAM教育理念的3D打印技術課程是物理科技活動課的新主題，把科學、技術、工程、藝術及數學相融合，通過項目式的學習和團隊式的合作解決實際問題，有利于培養學生的創新思維和動手實踐能力.