吳睿佳 程敏熙

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

3D打印技術(shù)是一項(xiàng)通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)，常被應(yīng)用于工程制造、醫(yī)療或者各種設(shè)計(jì)行業(yè)中.近年來，3D打印技術(shù)憑借著其較強(qiáng)的綜合性、實(shí)踐性與創(chuàng)新性，正越來越多地被應(yīng)用于教育領(lǐng)域，成為許多中學(xué)開展第二課堂的較優(yōu)選擇.

1 3D打印技術(shù)教育的理論基礎(chǔ)

STEAM即科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、藝術(shù)(Art)、數(shù)學(xué)(Mathematics)5個(gè)領(lǐng)域的簡(jiǎn)稱.STEAM教育倡導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用各領(lǐng)域的知識(shí)來解決實(shí)際問題.3D打印技術(shù)教育中蘊(yùn)含豐富的STEAM教育思想，教師在進(jìn)行基于3D打印技術(shù)的物理科技活動(dòng)教學(xué)的過程中要有意識(shí)地滲透科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)這5個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)容，具體內(nèi)容如下.

S(科學(xué))：讓學(xué)生親歷科學(xué)探究的過程，靈活運(yùn)用物理學(xué)知識(shí)，結(jié)合物理的思想和方法解決問題，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的態(tài)度與責(zé)任.

T(技術(shù))：讓學(xué)生掌握基本的3D建模、打印以及后期處理技術(shù).

E(工程)：讓學(xué)生完成既定主題的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)并制作出物理科技作品.

A(藝術(shù))：讓學(xué)生進(jìn)行作品的色彩、造型設(shè)計(jì)，從中體現(xiàn)出一定的審美觀.

M(數(shù)學(xué))：讓學(xué)生使用函數(shù)運(yùn)算、空間幾何等方法進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

2 目前3D打印技術(shù)課程設(shè)計(jì)中存在的問題

目前國內(nèi)的3D打印技術(shù)教育仍屬于起步和摸索階段，3D打印技術(shù)的課程設(shè)計(jì)仍不夠完善，普遍存在的問題如下.

2.1 內(nèi)容單薄

國內(nèi)開展的3D打印技術(shù)課程大多采取在每個(gè)課時(shí)最后設(shè)計(jì)出一件小作品的形式，作品中所蘊(yùn)含的科學(xué)知識(shí)過于簡(jiǎn)單基礎(chǔ)，不適合中學(xué)生進(jìn)行課外拓展學(xué)習(xí)；并且大多數(shù)作品只具備觀賞價(jià)值，也造成了一定的資源浪費(fèi).

2.2 課時(shí)過短

目前3D打印技術(shù)教育多為較短課時(shí)的體驗(yàn)性課程，而以3D打印技術(shù)為載體培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力是一個(gè)長(zhǎng)期滲透和強(qiáng)化的過程，因此課程的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)以一到兩個(gè)學(xué)期為宜.

2.3 難度偏低

我國3D打印技術(shù)教育呈現(xiàn)出低齡化的趨勢(shì)，原因之一是3D建模軟件的選擇不當(dāng)，目前大部分中學(xué)都選擇了123D Design,3Done等建模軟件，這些軟件為了方便入門而簡(jiǎn)化了許多數(shù)學(xué)建模過程以及邏輯設(shè)計(jì)思想，使得原本富含知識(shí)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(xué)生使用.

3 3D建模軟件的選擇

筆者選擇了3D建模軟件SolidWorks進(jìn)行中學(xué)3D打印技術(shù)教育，這是一款具有挑戰(zhàn)性的，蘊(yùn)含豐富建模思想的專業(yè)軟件，該軟件功能強(qiáng)大，組件豐富，方便學(xué)習(xí)使用，足以支撐起較長(zhǎng)時(shí)間的教學(xué).SolidWorks軟件有3種文檔類型可供選擇：零件、裝配體、工程圖.設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要進(jìn)行單個(gè)零件的設(shè)計(jì)，多個(gè)零件間的空間裝配，或者在工程圖中標(biāo)注零件的尺寸、材料等信息.

4 課程設(shè)計(jì)——以設(shè)計(jì)制作多功能物理簡(jiǎn)易天平及杠桿原理模型為例

4.1 內(nèi)容設(shè)計(jì)

開展基于3D打印技術(shù)的中學(xué)物理科技活動(dòng)課程，首先需要選擇合適的設(shè)計(jì)主題，作品本身必須蘊(yùn)含著豐富的物理內(nèi)涵與科學(xué)思想，難度適中，最重要的是要留給學(xué)生自由發(fā)揮創(chuàng)造的空間；另外，相較于大部分3D打印課程采取的每節(jié)課設(shè)計(jì)出一個(gè)獨(dú)立作品的形式，筆者更推薦教師組織學(xué)生利用一個(gè)學(xué)期的時(shí)間，設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的可投入物理科學(xué)活動(dòng)中的實(shí)驗(yàn)用具.本文選擇了多功能物理天平作為設(shè)計(jì)的主題，該模型至少可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是作為簡(jiǎn)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(shí)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主題確定之后，教師需要羅列出該作品包含了幾個(gè)零部件，每個(gè)零部件的設(shè)計(jì)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(gè)等級(jí)，以此對(duì)應(yīng)學(xué)生的3種學(xué)習(xí)模式——體驗(yàn)式、探究式、項(xiàng)目式.體驗(yàn)式學(xué)習(xí)主要讓學(xué)生了解并熟悉3D打印技術(shù)；探究式學(xué)習(xí)要求教師適當(dāng)提出問題啟發(fā)學(xué)生思考，同時(shí)教授學(xué)生基本的建模方法；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)則需要學(xué)生通過小組合作的方式獨(dú)立完成零件設(shè)計(jì).3種學(xué)習(xí)模式層層遞進(jìn)，逐漸提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),3種學(xué)習(xí)模式的課時(shí)安排如表1所示.

表1 3種3D打印技術(shù)教育學(xué)習(xí)模式的課時(shí)安排

4.3 教學(xué)設(shè)計(jì)——以“杠桿制作”課為例

開展基于3D打印技術(shù)的中學(xué)物理科技活動(dòng)課的關(guān)鍵，在于教師能否在教學(xué)過程中滲透STEAM教育思想，下面將以“杠桿制作”課為教學(xué)案例，展示探究式學(xué)習(xí)模式的教學(xué)設(shè)計(jì)過程.探究課的重點(diǎn)在提問，教師的提問一定要層層遞進(jìn)，由易到難，通過提問引導(dǎo)學(xué)生思考，逐步分解并解決問題.

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——培養(yǎng)問題意識(shí)

師：同學(xué)們，前面我們已經(jīng)完成了天平底座和圓盤的設(shè)計(jì)，這節(jié)課的任務(wù)是設(shè)計(jì)杠桿.在設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)時(shí)，首先應(yīng)該從哪入手呢？(從設(shè)計(jì)目的上引導(dǎo))

生：首先需要考慮杠桿要實(shí)現(xiàn)的功能.

師：那么我們的杠桿需要實(shí)現(xiàn)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(qǐng)同學(xué)們回憶一下，我們平時(shí)使用天平時(shí)有哪些步驟呢？

生：使用天平前要調(diào)零，接著在左盤放置待測(cè)物體，右盤里先大后小加減適當(dāng)?shù)捻来a直至指針指向分度盤中央.

師：接著請(qǐng)大家思考一下，完成上面這些步驟所需的杠桿結(jié)構(gòu)有哪些呢？

生：調(diào)零需要杠桿尾部有放置平衡螺母的結(jié)構(gòu)，判斷平衡需要有指針.

師：請(qǐng)大家舉一反三，回顧探究杠桿原理的實(shí)驗(yàn)，思考杠桿原理模型中的杠桿應(yīng)該具備哪些結(jié)構(gòu)呢？

生：探究杠桿原理的實(shí)驗(yàn)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(xué)生按要求在紙上自行畫出杠桿設(shè)計(jì)圖，并標(biāo)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(dǎo).

設(shè)計(jì)意圖：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)主要滲透STEAM中的科學(xué)思想(S)，即培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，分析拆解問題的能力與物理學(xué)科素養(yǎng).比如引導(dǎo)學(xué)生回顧天平的使用與杠桿原理實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解與應(yīng)用；在設(shè)計(jì)配重部分時(shí)強(qiáng)調(diào)天平調(diào)零的重要性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)規(guī)范的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣.

(2)作品建?！囵B(yǎng)邏輯思維

師：回憶之前教過的基本建模方法，設(shè)計(jì)出以上結(jié)構(gòu)，建模的步驟應(yīng)該如何安排呢？請(qǐng)同學(xué)們?cè)诩埳袭嫵鲎髌方５牧鞒虉D，繪制時(shí)注意標(biāo)出基準(zhǔn)面.

學(xué)生繪制程序框圖，教師巡堂指導(dǎo)，某學(xué)生設(shè)計(jì)的建模步驟如圖1所示.

師：接下來請(qǐng)大家按照自己繪制的流程圖進(jìn)行杠桿的建模.建模時(shí)注意提前選擇基準(zhǔn)面，使用不同功能進(jìn)行拉伸或切除時(shí)，注意厚度與深度的參數(shù)設(shè)置應(yīng)一致.

學(xué)生按流程完成作品設(shè)計(jì)，教師提供必要的技術(shù)指導(dǎo)，某學(xué)生完成的杠桿3D模型圖及實(shí)物圖如圖2所示.

圖2 某學(xué)生設(shè)計(jì)的杠桿3D模型圖與實(shí)物圖

設(shè)計(jì)意圖：建模環(huán)節(jié)主要滲透STEAM中的技術(shù)(T)與數(shù)學(xué)(M)部分，教師要給予學(xué)生充分的實(shí)踐空間，讓學(xué)生在實(shí)踐中掌握使用軟件建模的基本方法，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)流程的邏輯思維.

(3)討論交流——培養(yǎng)多維思考能力

師：同學(xué)們都完成了自己作品的設(shè)計(jì)，接下來請(qǐng)大家反思一下，你設(shè)計(jì)的這個(gè)作品是否能實(shí)現(xiàn)一開始要求的兩個(gè)基本功能呢？

師：如果無法完全實(shí)現(xiàn)這些功能的話，你需要對(duì)作品做出哪些修改呢？

給學(xué)生時(shí)間進(jìn)行作品反思與修改，教師逐個(gè)審查過關(guān)，并挑選幾位設(shè)計(jì)思路較為特色的學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)展示.

師：接下來請(qǐng)大家在組內(nèi)討論，設(shè)計(jì)零件的思路還可以有哪些呢？

設(shè)計(jì)意圖：自我反思與糾正可以鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考能力；同時(shí)，在討論與交流中，學(xué)生還可以了解到各種各樣的設(shè)計(jì)思路，培養(yǎng)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(dǎo)的教學(xué)設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行不同學(xué)習(xí)模式下的教學(xué)設(shè)計(jì)，并在教學(xué)過程中有意識(shí)地滲透STEAM教育理念.學(xué)生也將在教師的帶領(lǐng)下，逐步完成天平底座、圓盤、杠桿、螺絲螺母與圓盤底座的設(shè)計(jì)，學(xué)期結(jié)束時(shí)，某組學(xué)生設(shè)計(jì)的多功能物理簡(jiǎn)易天平及杠桿原理模型設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)圖

圖4 物理天平及杠桿原理模型3D打印實(shí)物圖

5 結(jié)束語

基于STEAM教育理念的3D打印技術(shù)課程是物理科技活動(dòng)課的新主題，把科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)及數(shù)學(xué)相融合，通過項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)式的合作解決實(shí)際問題，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手實(shí)踐能力.