基于3D打印的高中物理STEM課程設計與應用研究

郭威　薛耀鋒　楊金朋

摘 要：3D打印技術(shù)是一種快速成形技術(shù)，在第三次工業(yè)革命中體現(xiàn)了巨大的應用潛力。在教育教學領域，借助3D打印技術(shù)簡便、靈活、安全、快速的制造優(yōu)勢，可以為教學設計提供創(chuàng)新的思路，豐富教學內(nèi)容、改善教學方法、提高學生的學習體驗。本文介紹了3D打印技術(shù)的特點和應用優(yōu)勢，闡述了3D打印技術(shù)在教學中的應用模式與應用案例，以高中物理課程中的知識點為教學目標，結(jié)合STEM教育理論，設計了3D打印高中物理主題教學活動并開展了教學實踐。最后，通過問卷調(diào)查和訪談，分析了3D打印技術(shù)在高中物理教學中的應用效果。

關鍵詞：3D打??；教學設計；高中物理；STEM教育；學習分析

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）18-0024-04

一、引言

3D打?。?D printing）技術(shù)是一種通過逐層添加材料的方式制造三維物體的數(shù)字化增材制造技術(shù)，綜合了信息、材料、控制、機械、軟件等多個學科知識。3D打印技術(shù)的誕生與發(fā)展對傳統(tǒng)制造方法產(chǎn)生了巨大的影響，被譽為是全球第三次工業(yè)革命中最為典型的創(chuàng)新技術(shù)之一[1]。3D打印技術(shù)以數(shù)字立體模型為基礎，使用金屬、塑料、陶瓷等固體材料快速制造三維物體，與傳統(tǒng)的工業(yè)制造相比，具有高效、節(jié)約、智能、靈活等諸多優(yōu)勢。近年來，3D打印技術(shù)日趨成熟，在工業(yè)生產(chǎn)、宇宙航天、科學研究、醫(yī)藥制造與生活娛樂等多個方面都有廣泛的應用[2]。在教育領域，3D打印技術(shù)的引入為教學設計和教學實踐帶來了創(chuàng)新的思路和方法，對豐富教學內(nèi)容、改善教學方法、提高學習體驗具有積極的促進作用[3]。有研究表明，3D打印技術(shù)在課堂教學中的使用可以激發(fā)學生的學習興趣、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力、改善課堂氛圍、促進學科教學效果，有助于提高學生的綜合素質(zhì)，推動素質(zhì)教育的實施和發(fā)展。

本研究以高中物理課程中的力學知識教學為案例，借助3D打印技術(shù)和STEM教育理論進行教學新模式的探索，設計了系列STEM課程并開展了周期性的教學實踐活動，探究3D打印技術(shù)在高中物理學科教學中的應用效果及其在提高學生學習體驗方面所發(fā)揮的積極作用。

二、3D打印技術(shù)及其特點

3D打印技術(shù)的應用流程大致可分為四個步驟：創(chuàng)建三維數(shù)字模型、數(shù)字模型分層切片、3D打印、后期處理，如圖1所示。創(chuàng)建三維數(shù)字模型包括兩種方式，一種是使用3D建模軟件，如Blender、SketchUP、3DS MAX等，設計和創(chuàng)建3D模型，一種是使用3D掃描儀掃描立體模型，獲取模型對象的三維數(shù)據(jù)，直接在計算機中生成數(shù)字模型。采用軟件建模的方式可以創(chuàng)建現(xiàn)實世界中不存在的三維數(shù)字模型，采用3D掃描的方式可以快速高效地生成真實物體的數(shù)字模型，兩種建模方式各有所長，根據(jù)實際需求合理地選擇建模方法可以提高3D建模的工作效率。創(chuàng)建好三維數(shù)字模型之后，需要經(jīng)過與3D打印機配套的處理軟件將數(shù)字模型進行切片處理，轉(zhuǎn)換三維模型的描述方式，生成能夠被3D打印機識別的數(shù)字文件，才能使用3D打印機打印數(shù)字立體模型。使用3D打印機打印立體模型可分為通過沉積原材料層制造物體和通過黏合原材料制造物體兩種類型。前者對應使用的是“沉積型打印機”，通過噴涂液狀、膠狀或粉狀原材料沉積為層，逐層添加制造立體模型。由于使用過程中安全性較高，家用或一般辦公使用的3D打印機都為沉積型3D打印機。后者對應使用的是“黏合型打印機”，在原材料中添加某種黏合劑（如光熱固化粉、光敏聚合物）來實現(xiàn)立體模型的逐層制造。立體模型打印完成之后往往會比較粗糙，具有較多的毛刺，需要經(jīng)過固化、剝離、打磨之后才會變得光滑和美觀，有時也會根據(jù)需求對立體模型進行上色加工。

3D打印技術(shù)憑借優(yōu)于傳統(tǒng)工業(yè)制造技術(shù)的特點，在工業(yè)制造領域形成了巨大的生產(chǎn)突破，為工業(yè)革命的快速發(fā)展提供了強有力的生產(chǎn)動力。Lipson和Kurman在著作中提煉出了3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)相比所具有的十大優(yōu)勢[4]。

（1）降低復雜產(chǎn)品的生產(chǎn)成本：采用3D打印技術(shù)可以大大減少生產(chǎn)物品的形狀復雜度所造成的時間、技能和材料成本。即是說，打印一個形狀復雜的工藝品和打印一個同等大小的立體方塊所需成本并無太大差異，這是傳統(tǒng)制造技術(shù)所無法比擬的。

（2）靈活生產(chǎn)，提高產(chǎn)品多樣化：與傳統(tǒng)制造技術(shù)所使用的模具相比，3D打印技術(shù)具有很大的靈活性。在正常的工作區(qū)域內(nèi)，一臺3D打印機可以制造出各種各樣的產(chǎn)品，而無需投入額外的設備成本和技工成本。

（3）一體式制造：3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)一體化成型，免去了組裝零件所消耗的時間和精力。

（4）按需生產(chǎn)，實時交付：3D打印可以根據(jù)實際定制就近制造產(chǎn)品，有效減少庫存和長途運輸成本，實現(xiàn)零時間交付產(chǎn)品。

（5）拓展設計空間：3D打印技術(shù)的靈活性極大地擴展了三維數(shù)字模型的設計空間，使得傳統(tǒng)制造工藝無法生產(chǎn)或生產(chǎn)成本很高的產(chǎn)品能夠被輕松制造出來。

（6）降低生產(chǎn)技術(shù)需求：3D打印技術(shù)采用計算機進行生產(chǎn)控制，操作人員無需具備生產(chǎn)機器操作的技能，也能正常維持產(chǎn)品的制造。

（7）節(jié)省生產(chǎn)空間：就單位生產(chǎn)空間而言，3D打印機比傳統(tǒng)的制造機器具有更強的制造能力。傳統(tǒng)的制造機器，如注塑機只能制造遠小于機器自身體積的物品，而3D打印機可以靈活調(diào)整打印設備的位置，從而能夠制造出比打印機更大的物品。

（8）提高原料利用率：增材制造的生產(chǎn)方式與傳統(tǒng)的“減材切削”加工方式相比，能最大限度地提高原材料的利用率，減少廢棄副產(chǎn)品的產(chǎn)生。

（9）多原料組合制造：采用3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)將多種材料混合拼裝成統(tǒng)一的整體，進行生產(chǎn)原材料的創(chuàng)新組合。

（10）高效的實體復制：配合使用高精度的3D掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)可以對真實世界中的物體進行精確的復制生產(chǎn)。

三、3D打印技術(shù)的教學應用endprint

3D打印技術(shù)與教育教學的結(jié)合是現(xiàn)代教育技術(shù)研究的一項重大突破。不少教育研究者和教育工作者已經(jīng)將3D打印技術(shù)引入教育教學實踐中，促進教學方法和教學內(nèi)容的創(chuàng)新。

1.3D打印機技術(shù)的教學應用模式

根據(jù)3D打印技術(shù)在課堂教學中所扮演的角色，可以將3D打印技術(shù)的教學應用模式劃分為三個方面：3D打印作為教學內(nèi)容、3D打印制造教具學具、3D打印融入教學活動。

（1）3D打印作為教學內(nèi)容：在北京、上海、廣州等一些發(fā)達地區(qū)的中小學中開設了3D打印課程，作為學生的興趣選修課。課程中以3D打印技術(shù)、3D打印機的操作、3D建模為基礎知識進行講解，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和動手實踐能力[5]。通過課程學習，學生可以掌握3D打印的基礎技能，能夠使用3D打印技術(shù)制造簡單的實體模型，應用在相關的實踐項目中。

（2）3D打印制造教具學具：3D打印技術(shù)所具備的模型快速生產(chǎn)的特點為教學開展提供了很大的便利，其主要體現(xiàn)在使用3D打印技術(shù)制造滿足教學需求的教學工具和學習工具。例如在數(shù)學、生物、歷史和地理課堂中，使用3D打印技術(shù)制造的四則運算蹺蹺板、人體脊柱模型、恐龍模型和美國迪納利峰模型。通過使用這些個性化的教具和學具，可以有效幫助學生理解和掌握學科知識，提高教學效果。

（3）3D打印融入教學活動：在綜合性的STEM實踐課程中，3D打印技術(shù)往往作為教學活動中使用的學習工具出現(xiàn)在課堂里面。按照教學活動的設計，學生們使用3D打印機制作模型，用以完成課堂實踐項目。例如在英特爾的未來教育項目中，3D打印技術(shù)被用以支持橋梁工程的教學實踐項目。學生以小組合作的形式設計橋梁模型并打印出來完成組裝，通過承重測試檢測橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。在此實踐項目中，3D打印技術(shù)起到了關鍵作用，它讓數(shù)字模型實體化成為可能，保障教學活動的有效開展。

2.3D打印技術(shù)的學科應用

在國內(nèi)外許多教育和教學案例中，3D打印技術(shù)已經(jīng)被成功應用在了數(shù)學、地理、化學、物理等多個學科教學中，并且取得了良好的學科應用效果。

在數(shù)學學科教學中，3D打印技術(shù)被用于幫助學習者理解一些較為抽象的幾何模型和數(shù)學概念[6]。3D打印技術(shù)能夠?qū)碗s的幾何物體（如雙曲型蜂窩模型）打印出實體模型供學生全方位觀察學習，與傳統(tǒng)的2D平面展示材料相比，具有更為直觀、具體的展示效果。在地理學科的教學中，借助3D打印技術(shù)可以制作3D地形圖、火山模型等課堂展示材料，除了可以供學生直接接觸和觀察，教師還可以組織學生對模型進行上色，通過實踐動手操作，鞏固學生對特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識掌握[7]。在化學學科中，3D打印技術(shù)具有廣泛的用途?；瘜W老師在課堂中引導學生使用3D建模軟件創(chuàng)建六氟化硫（SF6）的分子模型，學生根據(jù)分子模型的鍵長和鍵角等參數(shù)進行精確建模，并使用3D打印機打印出實體模型用于課堂學習和觀察[8]。在此實踐過程中，學生對分子的空間構(gòu)型和立體結(jié)構(gòu)有了深入、直觀的了解和認識，同時也激發(fā)了探索新知識的興趣和學習動機。除了用于化學模型的展示，3D打印技術(shù)還可以幫助老師和學生改良化學實驗設備，改善化學實驗的效果。在物理教學中，3D打印技術(shù)常常被用于優(yōu)化物理實驗的設計思路。例如通過3D建模和3D打印制作達芬奇永動機的實體模型，設計相關的探究實驗，讓學生自主探究能量守恒、摩擦力等章節(jié)的物理知識，激發(fā)學習興趣，引導學生思考物理規(guī)律，提升物理學科的實驗教學效果[9]。

四、教學案例設計與應用

中學物理課程是我國基礎教育中非常重要的一門學科，對培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)、探究能力、創(chuàng)新精神具有重要的作用。物理教學中強調(diào)探究實踐的重要性，提倡讓學生在實踐操作中理解事物的本質(zhì)和規(guī)律，掌握學科知識。本研究的開展以高中物理課程中的力學知識為主題，應用STEM教育理論，設計基于3D打印技術(shù)的高中物理教學活動，分析3D打印技術(shù)在高中物理學科教學中的應用效果，探究這一新型課程對促進學生深度學習和提高學習體驗的程度。

1.教學設計

本次課程的教學設計由課上和課后兩部分組成，包括五個教學環(huán)節(jié)：課程導入、基礎知識講解、案例介紹與案例分析、實踐項目設計和項目實現(xiàn)，詳見圖2所示。具體的教學活動設計和教學內(nèi)容如下描述。

課程導入：在此環(huán)節(jié)，老師以一段案例視頻作為課程導入的教學材料，吸引學生的學習興趣，然后介紹課程主題和知識綱要，幫助學生初步了解課程內(nèi)容。

基礎知識講解：在此環(huán)節(jié)，老師圍繞物理學科中的力學與受力分析等知識點，介紹力學原理、物體受力分析的方法、受力分析的步驟與受力分析圖示的要素等基礎知識，讓學生掌握受力分析的知識技能。

案例介紹和案例分析：在此環(huán)節(jié)，老師在力學知識的基礎上，引入橋梁工程的內(nèi)容，結(jié)合梁橋、拱橋、吊橋的結(jié)構(gòu)特點，引導學生使用受力分析的知識技能分析不同橋梁的受力與承重方式。由此引發(fā)學生思考不同結(jié)構(gòu)的橋梁所具有的承重效果。然后結(jié)合趙州橋、青馬大橋等具體的案例講解力學原理在橋梁建筑中的應用。

實踐項目設計：在此環(huán)節(jié)，老師組織學生使用課堂所學的力學知識和橋梁工程基礎原理，設計一座穩(wěn)固的橋梁，并借助3D建模軟件制作數(shù)字模型。

項目實現(xiàn)：此環(huán)節(jié)在課后開展，學生在課堂中完成橋梁模型的設計，利用課后的時間操作3D打印機打印出設計橋梁的實體模型，并與老師和同學分享。

2.高中物理課程教學實踐

本研究以上海市H中學高中一年級為實驗班級開展教學實踐活動。該班級總共有學生23人，男女生人數(shù)比例約為1：2。本次教學實踐開展前，該班級的學生已經(jīng)具備了3D建模和使用3D打印機的能力，為教學設計的有效開展提供了有力的保障。圖3所示為項目實現(xiàn)環(huán)節(jié)中，學生使用3D打印機制作的拱橋模型。

3.教學效果分析

課程結(jié)束后，為了解3D打印技術(shù)在物理教學中的應用效果和學生的學習體驗，我們對全班同學進行了問卷調(diào)查和訪談。調(diào)查問卷的題目主要由教學知識掌握程度、課程學習體驗、3D打印技術(shù)的使用態(tài)度、課程評價等四大維度構(gòu)成。調(diào)查問卷題目的形式包括程度選擇題、多項選擇題、簡答題。本次問卷調(diào)查共發(fā)放問卷23份，回收問卷23份，有效問卷23份，回收率為100%，有效率為100%。endprint

根據(jù)調(diào)查問卷的反饋結(jié)果和訪談記錄，我們發(fā)現(xiàn)絕大部分的學生對實驗課程所授知識掌握良好。接近80%的學生認為在課堂中引入3D建模和3D打印的環(huán)節(jié)能夠有效激發(fā)自己的學習興趣，提高課堂參與度。關于在課程中引入3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，學生的反饋主要集中在創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、課堂趣味性的提升、豐富課堂教學工具、促進師生與生生之間的交流等方面。

研究結(jié)果表明在高中物理課程中使用3D打印技術(shù)可以促進學生對課程知識的理解和掌握，同時也能夠幫助學生學習和鞏固3D建模與3D打印的相關技能，提高學生的綜合素質(zhì)。3D打印技術(shù)可以幫助教師和學生更好地開展物理探究實踐活動，在一定程度上提高學生的創(chuàng)新能力、實踐能力和課堂的參與度。另一方面，良好的學習環(huán)境、學習活動和學習工具對激發(fā)和維持學生的學習興趣具有重要的作用，因此需要不斷地提升和完善相關的教學設計和教學資源，為學生提供更優(yōu)質(zhì)的學習體驗，提升教學效果。

五、結(jié)束語

中學物理課程作為一門實踐性、探究性的自然學科，對學生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)具有舉足輕重的作用。3D打印技術(shù)在物理學科中的使用，能夠為傳統(tǒng)的教學內(nèi)容和教學方法提供新穎的設計思路，提高課程活動的實踐性與探究性，體現(xiàn)物理課程的教學培養(yǎng)目標。隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，在使用成本不斷下降的同時，其功能性、安全性、適用性也在不斷提高，這為在課堂教學中推廣使用3D打印技術(shù)創(chuàng)造了無限契機，相信在不久的將來，3D打印技術(shù)與教育教學活動的深度融合又將邁上更高的臺階。

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（編輯：郭桂真）endprint