◎ 霍江雷

一、項目化學習的背景與主題

項目化學習（Project-based Learning，簡稱“PBL”）是一種動態(tài)的學習方法。通用技術(shù)是一門聯(lián)系科學規(guī)律和技術(shù)應(yīng)用的課程。通過PBL 方式的學習，學生會主動探索現(xiàn)實世界的問題和挑戰(zhàn)，在這個過程中加深對學科知識的理解，掌握一定的通用技術(shù)技能。本項目化教學實踐的對象為高一年級的學生，需要具備一定的物理和通用技術(shù)等知識，解決真實生活情境中的問題。

（一）驅(qū)動型問題的產(chǎn)生

上海師范大學附屬中學閔行分校開設(shè)STEM 選修課程“可替代能源的混合動力車”。學生通過確立項目實踐目標、設(shè)計項目方案、開展項目實驗、分析項目數(shù)據(jù)、項目課題的展示和反思五個教學環(huán)節(jié)，經(jīng)歷科學研究方法和體驗課題研究過程，自主開展項目化課題研究，設(shè)計一個產(chǎn)品或模型，并進行小組課題的匯報和答辯。

在確立項目實踐目標的教學環(huán)節(jié)中，筆者使用了“頭腦風暴”教學方法，請一組學生提出一個問題——佩戴近視眼鏡的時候眼鏡經(jīng)常下滑從而帶來不便，如何去解決？由此引發(fā)學生思考，教師再進行總結(jié)：現(xiàn)如今，佩戴近視眼鏡的人數(shù)在不斷增長，他們所戴的眼鏡經(jīng)常不經(jīng)意間下滑，這一問題困擾了戴眼鏡的人士。尤其到了夏天，臉上、鼻子上一出汗、出油，眼鏡就會不停地下滑，需要用手調(diào)整眼鏡位置。尤其是面對以下五種情況。

（1）部分近視的殘疾人是否會因為手部原因，不方便調(diào)整下滑的眼鏡。

（2）眼鏡常下滑會對部分幼齡近視兒童帶來不便，且長時間佩戴下滑的眼鏡還會影響兒童視力矯正。

（3）在戶外工作或者是特殊場合的人們是否會因出汗導(dǎo)致眼鏡下滑，而雙手因工作原因不便推眼鏡而影響視物，感到困擾。

（4）疫情期間，人們是否會因為擔心用手直接接觸其他物體，而沾上細菌，不便用手接觸下滑的眼鏡。

（5）公交車司機因單手操作會違規(guī)而不便手扶眼鏡等。

驅(qū)動性問題的產(chǎn)生源于學生經(jīng)歷的真實生活情境。教師要引導(dǎo)學生分析這一現(xiàn)象產(chǎn)生的背景，說明研究的問題具有一定的普遍性，由此及彼產(chǎn)生聯(lián)想，明確解決問題的意義，提出解決方案，并動手實踐，激發(fā)學生探索解決問題的興趣。

（二）確定項目化學習主題

學生通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：最早流行的眼鏡防滑套是研制給幼童戴的，首先，適用范圍不廣；其次，耳朵佩戴感很不舒服、不美觀；最后，市面上賣的眼鏡鼻墊，其原理是增高鼻梁，然而增加了鼻子的負擔，且容易被汗液浸蝕變黃、戴不了多久就要更換。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在有些眼鏡店也有采集面部數(shù)據(jù)，制作個性化的、符合個人需求的鼻托。

因此，筆者指導(dǎo)學生提出“增加眼鏡鼻托摩擦力的實驗研究”這一項目化主題進行研究，通過尋找一種來源于生活中的防滑材料，增大眼鏡鼻托的摩擦力，這是本項目需要解決的核心問題。

二、明確項目化學習目標

通過制定增大眼鏡鼻托摩擦力項目學習目標以及整個學習的過程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設(shè)計能力。學生學習了高中物理摩擦力的知識，知道增大摩擦力的方法是通過增大壓力或者增大接觸面的摩擦力，從而明確項目化學習目標如下。

（1）設(shè)計調(diào)查問卷，調(diào)查周圍近視群體對防止眼鏡下滑的需求，明確項目化學習的方向。

（2）查閱文獻資料，獲取不同防滑材料的信息。

（3）通過控制變量法，運用DIS 實驗工具測得不同防滑材料的摩擦力，記錄實驗數(shù)據(jù)，以便分析總結(jié)。

（4）使用3D 打印技術(shù)打印帶橫紋的和不帶橫紋光滑的鼻托模型，與普通眼鏡鼻托比較防滑效果，測出摩擦力數(shù)據(jù)，總結(jié)實驗結(jié)果。

（5）根據(jù)實驗結(jié)果，分析實驗數(shù)據(jù)，撰寫項目化學習的研究報告。分析不同材料的防滑能力，根據(jù)鼻托防滑的實際情況分析優(yōu)缺點，進行總結(jié)并提出改進措施。

學生明確項目化學習目標后，在教師指導(dǎo)下，小組成員制定課題研究項目的任務(wù)清單（見表1），可以使學生明確課題研究的流程，提高合作效率。

表1 任務(wù)清單

三、項目化學習實踐過程

（一）問卷調(diào)查的實施

通過問卷星結(jié)合研究目的設(shè)計問題，調(diào)查不同年齡段的近視人群，是否普遍存在眼鏡下滑的困擾，調(diào)查人們對防止眼鏡下滑的需求。

參與問卷調(diào)查的人數(shù)為123 人，其中有效問卷為123 份，由于學生的時間有限，調(diào)查問卷的樣本數(shù)量較少，但也具有一定的代表性。

（二）問卷的基本分析

學生設(shè)計的問卷主要內(nèi)容是：了解戴眼鏡者是否有眼鏡經(jīng)常下滑而帶來不便的困擾，分析造成眼鏡下滑的主要原因，了解戴眼鏡者是否調(diào)節(jié)過鼻托處、是否想擁有一個防滑神器等。

參與調(diào)查者中有88.25%的戴眼鏡者，有時常下滑這一困擾。由此從普通人群聯(lián)想到一些特殊人群同樣也存在這種困擾，例如，缺少上肢的戴眼鏡群體，疫情期間在污染環(huán)境工作的醫(yī)生等特殊場合戴眼鏡的群體，他們更加感同身受。其中大部分答問卷者并沒有選擇去專門調(diào)節(jié)鼻托，這從側(cè)面體現(xiàn)了增加眼鏡鼻托摩擦力的重要性和實用性。大多數(shù)人想擁有一個防滑神器。

因此，筆者指導(dǎo)學生找到一種方法，目的是增加眼鏡鼻托的摩擦力。眼鏡下滑的原因各式各樣，除鼻梁較低這一不可控因素，出汗出油、眼鏡自重及妝容等都可作為研究如何增加眼鏡摩擦力的方向。

（三）動手實踐

動手實踐的過程培養(yǎng)了學生通用技術(shù)的工程思維，使用3D 打印技術(shù)制作模型培養(yǎng)了學生的技術(shù)意識和物化能力，數(shù)據(jù)處理的過程培養(yǎng)了學生的圖樣表達能力。

1.初步實驗

筆者指導(dǎo)學生利用3D 技術(shù)打印了眼鏡鼻托模型與幾種日常防滑的材料，進行摩擦力實驗比較，探究增加眼鏡鼻托摩擦力的方法。

實驗器材有DIS 摩擦力測力計、計算機、數(shù)據(jù)采集器等（見圖1）。筆者指導(dǎo)學生選擇了口紅眉毛雨衣（一種增加摩擦力的透明液體）、液體創(chuàng)口貼、聚乙烯塑料粒子三種材料以及3D 打印光滑的眼鏡鼻托（見圖2）、橫紋眼鏡鼻托（見圖3）和眼鏡模型（見圖4）。光滑的眼鏡鼻托通過涂抹口紅眉毛雨衣和液體創(chuàng)口貼，分別制成涂抹液體創(chuàng)口貼的鼻托（見圖5左側(cè)）和涂抹口紅眉毛雨衣的鼻托（見圖5右側(cè)）。眼鏡模型用于粘貼聚乙烯塑料粒子制成聚乙烯塑料粒子鼻托眼鏡（見圖6）。接著對涂抹口紅眉毛雨衣的鼻托、涂抹液體創(chuàng)口貼的鼻托、聚乙烯塑料粒子鼻托和3D 打印橫紋鼻托的摩擦力進行測試和數(shù)據(jù)分析。

圖1 DIS 摩擦力測力計

圖2 3D 打印光滑的眼鏡鼻托

圖3 3D 打印橫紋眼鏡鼻托

圖4 眼鏡模型

圖5 涂抹液體創(chuàng)口貼和口紅眉毛雨衣的眼鏡鼻托

圖6 聚乙烯塑料粒子鼻托眼鏡

（1）記錄實驗數(shù)據(jù)

指導(dǎo)學生使用DIS 摩擦力測力計測量不同材料的鼻托和鼻子間的摩擦力，進行了5 組實驗，每組測量5 次取平均值進行比較，并記錄實驗數(shù)據(jù)（見表2）。

通過表2測試數(shù)據(jù)可知，3D 打印橫紋鼻托增大鼻托摩擦力的效果最佳。

表2 DIS 測力計測摩擦力實驗數(shù)據(jù) 單位：N

（2）不同材料的鼻托佩戴影響因素比較

考慮到除鼻托摩擦力影響之外，佩戴不同材料的鼻托的舒適性、便利性等可能也是佩戴者會考慮的因素之一，因此指導(dǎo)學生對所選擇的材料從佩戴舒適度、佩戴耗時（便利性）、耐水性、重量和氣味5 個因素進行了分析比較，評價結(jié)果見表3。

由表3可知，舒適度、耗時（便利性）和氣味是5 個影響因素中的關(guān)鍵因素。在舒適度方面聚乙烯塑料粒子鼻托和液體創(chuàng)口貼鼻托相比較而言都不理想；在耗時（便利性）方面除3D 打印橫紋鼻托之外，其他三種都需要一定的準備時間；在氣味方面，除液體創(chuàng)口貼有較大氣味之外，其他三款都無氣味。在這4 種不同材料鼻托中，5 個方面都兼顧的是3D 打印橫紋鼻托。使用3D 打印技術(shù)可以打印出符合要求的眼鏡鼻托，滿足了人們的個性化定制需求。

表3 不同材料的鼻托佩戴影響因素比較

然而，僅通過一次實驗比較就得出3D 打印橫紋鼻托增大摩擦力效果最佳顯然不夠，筆者指導(dǎo)學生進一步查找資料，尋找市面上正在銷售的防滑材料，進行新的比較實驗。

2.篩選實驗

筆者指導(dǎo)學生調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)海綿和硅膠兩種防滑材料是市場上正在銷售的防滑材料，輕巧簡單，防滑的效果也都很好，因此也有做對比實驗的價值。

同時，筆者指導(dǎo)學生運用3D 打印技術(shù)打印橫紋鼻托與海綿鼻托和硅膠鼻托做實驗比較，一方面能夠證明它們的真實效果；另一方面用它們與3D 打印橫紋鼻托進行對比試驗，判斷3D 打印橫紋鼻托是否還具有優(yōu)勢，同時學習3D 打印技術(shù)。

（1）3D 打印鼻托的準備

首先，學生運用Solid Work 三維建模軟件建立眼鏡鼻托的三維模型，鼻梁與眼鏡鼻托貼合處的輪廓數(shù)據(jù)見表4。

表4 鼻梁與眼鏡鼻托貼合處的輪廓數(shù)據(jù)

① 通過鼻梁數(shù)據(jù)建立鼻梁的三維模型如圖7所示。

圖7 鼻梁三維模型

② 在原有的鼻梁處，繪出貼合鼻梁的眼鏡鼻托，兩者組合的三維模型如圖8所示。

圖8 組合三維模型

③ 單獨分離出眼鏡鼻托三維模型如圖9所示。

圖9 眼鏡鼻托三維模型

④ 眼鏡鼻托的多側(cè)面視圖如圖10所示。

圖10 眼鏡鼻托的多側(cè)面視圖

在完成三維模型后，學生利用樹脂材料打印出橫紋鼻托實物，然后使用打印出的3D 橫紋鼻托與新增實驗材料進行對比。

（2）新增實驗材料

新增實驗材料有海綿鼻托和硅膠鼻托分別如圖11和圖12所示。

圖11 海綿鼻托

圖12 硅膠鼻托

（3）實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

筆者指導(dǎo)學生模擬了無汗和有汗兩種情景，對海綿鼻托、硅膠鼻托和3D 打印橫紋鼻托與普通眼鏡鼻托進行摩擦力測試實驗，并對測量得到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和比較，實驗數(shù)據(jù)見表5。

由表5可知，硅膠是一種比較適合做眼鏡鼻托的材料，同時如果能結(jié)合3D 打印設(shè)計出不同的波紋結(jié)構(gòu)，如實驗用的橫紋結(jié)構(gòu)，能增加耐摩擦力，防止眼鏡下滑。

表5 海綿鼻托、硅膠鼻托和3D 打印橫紋鼻托與普通眼鏡鼻托進行摩擦力實驗比較 單位：N

四、結(jié)論與反思

（一）研究結(jié)論

1.材料應(yīng)用方面

不管是在無汗還是在有汗條件下，硅膠鼻托的防滑效果都是最好的。透明的硅膠材料不影響美觀，易拆卸可替換，有效地解決了眼鏡下滑的困擾。

2.技術(shù)方面

結(jié)合3D 打印技術(shù)，在硅膠鼻托上打印不同的波紋結(jié)構(gòu)，增加防滑摩擦力，也可實現(xiàn)個性化定制的目的，以滿足不同人群的個性化需求。

（二）教學反思

學生通過項目化的學習過程，加深了對摩擦力知識的理解，能夠使用3D 打印的方法個性化定制眼鏡鼻托，并增加摩擦力，滿足人們個性化的需求，掌握了創(chuàng)新設(shè)計方法；通過使用DIS 測力計測量眼鏡鼻托的摩擦力變化，具有一定的技術(shù)意識；使用合理的圖示表達數(shù)據(jù)變化，具有一定的圖樣表達能力；使用3D 打印技術(shù)打印了不同結(jié)構(gòu)的眼鏡鼻托，具有一定的物化能力；在項目化的學習過程中學生的工程思維也得到培養(yǎng)。

增加眼鏡鼻托摩擦力的實驗研究源于學生日常生活中的真實生活情境，課題的切入口較小，且有高中摩擦力的前序知識支撐，能夠激發(fā)學生的學習興趣。學生的研究成果在市級科創(chuàng)類比賽中也獲得了優(yōu)異成績。但是本項目化學習過程中，參與學生人數(shù)相對較少，需要總結(jié)經(jīng)驗，在更大范圍內(nèi)推廣實施。