以 3D 打印技術(shù)為基礎(chǔ)在物理教學(xué)中開展STEM教育

徐川 李晨曦 周波

摘 ? 要：STEM 教育是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)綜合教育的簡(jiǎn)稱，旨在培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐的能力。一門好的STEM 教育課程必須具有綜合性、創(chuàng)新性、工程性、探究性等性質(zhì)。教師可利用 3D 打印的建模功能在物理教學(xué)中實(shí)施 STEM 教育，教會(huì)學(xué)生像工程師一樣去思考問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：STEM 教育;3D 打印技術(shù);物理教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）1-0070-3

1 ? ?3D 打印技術(shù)與物理學(xué)科教學(xué)的融合

教育部于 2016 年發(fā)布的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》明確提出，應(yīng)將信息技術(shù)納入跨學(xué)科教育模式當(dāng)中去[1];在 2018 年印發(fā)的《2018 年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》提出，開展利用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建新型教學(xué)組織模式的研究，探索信息技術(shù)在眾創(chuàng)空間、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEM 教育）、創(chuàng)客教育等教育教學(xué)新模式中的應(yīng)用，逐步形成創(chuàng)新課程體系。由于物理與數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程、技術(shù)等方面的聯(lián)系十分緊密，因此便于找到切入點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目[2]。在物理教學(xué)中往往離不開對(duì)實(shí)驗(yàn)道具的改進(jìn)創(chuàng)新，對(duì)實(shí)驗(yàn)道具的開發(fā)創(chuàng)新往往需要構(gòu)建一些實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有的道具，這時(shí)我們完全可以憑借 3D 打印技術(shù)，在道具的開發(fā)創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中開展富有物理學(xué)科特色的STEM 教育。

Autodesk 123D Design3D 建模軟件是一款易學(xué)、易用、功能齊全的軟件，它能根據(jù)不同人的需求，建立起相應(yīng)的模型器件。模型的建立過(guò)程對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和數(shù)學(xué)分析能力的培養(yǎng)都具有極大的促進(jìn)作用。通過(guò) 3D 打印機(jī)打印出實(shí)體模型后，需要將各模型器件進(jìn)行組裝，而組裝過(guò)程對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力也具有極大的促進(jìn)作用。但是，3D 打印技術(shù)的缺點(diǎn)也是不可避免的，3D 打印技術(shù)制造出來(lái)的實(shí)體模型，本身很難完成探究性的活動(dòng)，往往需要和其他測(cè)量?jī)x器一起進(jìn)行探究性的活動(dòng)。但不可否認(rèn)的是模型制造過(guò)程本身就具有 STEM教育的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)更是對(duì)模型進(jìn)行修正、改進(jìn)的最好方式。

2 ? ?以 3D 打印技術(shù)為基礎(chǔ)開展 STEM 教育的一般流程

圖1、圖2是經(jīng) 3D 打印后組裝好的實(shí)體圖和通過(guò)開展STEM教育總結(jié)出來(lái)的一般步驟[3]。結(jié)合物理學(xué)科的特點(diǎn)，問(wèn)題的提出基于物理教學(xué)中面臨的問(wèn)題，開放性的方案設(shè)計(jì)能促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的提升，培養(yǎng)學(xué)生交流合作的意識(shí);三視圖的描繪能培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，對(duì)學(xué)生的空間想象力也有極大的促進(jìn)作用;模型的建立、組裝和改進(jìn)能有效培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、交流能力、反思能力和探究能力。這里需要說(shuō)明一點(diǎn)，對(duì)模型的改進(jìn)與修正也是在探究實(shí)踐活動(dòng)中進(jìn)行的。如通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)模型作品的性能進(jìn)行改進(jìn)與修正，讓學(xué)生像工程師一樣思考并解決問(wèn)題。

3 ? ?以 3D 打印技術(shù)為基礎(chǔ)在物理教學(xué)中開展 STEM 教育案例

3.1 ? ?物理習(xí)題課教學(xué)中的 STEM 教育

如圖 3 所示，臺(tái)秤的托盤上放一個(gè)裝有水的平底燒杯，一個(gè)不吸水的木塊用細(xì)線系在燒杯底浸沒(méi)在水中，剪掉細(xì)線以后，木塊上浮過(guò)程中臺(tái)秤的示數(shù)如何變化？

相信很多老師都面臨過(guò)這樣的窘境，遇見模型過(guò)于抽象，學(xué)生理解起來(lái)很吃力時(shí)，都想把此問(wèn)題以實(shí)驗(yàn)的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前讓學(xué)生去探究，然而物理問(wèn)題的模型又不是那么好找。如上題，一般的燒杯好找，然而可以用來(lái)拴繩子的燒杯去哪里找？并且如何做到不影響整體實(shí)驗(yàn)環(huán)境的情況下剪掉細(xì)線？

基于這種情況，教師可參考以下基本步驟，提出問(wèn)題后對(duì)學(xué)生合理分組，引導(dǎo)并鼓勵(lì)學(xué)生相互討論設(shè)計(jì)出新型杯子。然后，師生交流統(tǒng)一方案，再由學(xué)生單獨(dú)繪制模型三視圖，繪制完成后選出最好的模型組件圖作為統(tǒng)一建模依據(jù)。接著，再對(duì)每小組成員做更細(xì)化的任務(wù)分工，協(xié)同建立并打印模型。老師在旁協(xié)助，最后找來(lái)臺(tái)秤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)制造的模型進(jìn)行改進(jìn)，并同時(shí)得到圖 3 所示問(wèn)題的答案。模型的部分設(shè)計(jì)圖與3D 模型圖如圖4、圖5所示。

在此實(shí)驗(yàn)道具的設(shè)計(jì)中，燒杯底部和物塊凸出的部位，就是用來(lái)套繩子的，實(shí)驗(yàn)時(shí)只需要用剪刀剪斷繩子即可。整個(gè)過(guò)程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力、探究能力等都有極大的促進(jìn)作用。

3.2 ? ?物理新課教學(xué)中的 STEM 教育

在講授新課“力的合成”時(shí)，三角形法則的抽象性往往讓學(xué)生難以理解與運(yùn)用， 是否能設(shè)計(jì)一款器具，讓學(xué)生在動(dòng)手中更加形象地理解、掌握三角形法則呢？基于此， 老師可提出此問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生按照以上步驟開展一次有意義的 STEM 教具設(shè)計(jì)課程。讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)三角形法則演示儀。

對(duì)于此演示儀器的設(shè)計(jì)，除了按照上面介紹的步驟以外，教師在讓學(xué)生討論設(shè)計(jì)方案之前，可提供必要的工程設(shè)計(jì)模型與制作方法，也可以提供必要的書籍讓學(xué)生在閱讀中增長(zhǎng)有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)。這里需要強(qiáng)調(diào)合作分享的重要性， 務(wù)必培養(yǎng)學(xué)生交流合作的意識(shí)。三角形法則演示儀模型的部分設(shè)計(jì)圖與3D 模型圖如圖6、圖7所示。

實(shí)驗(yàn)器具做成后，我們可以改變兩主尺的角度，再通過(guò)尺子的刻度讀出每一個(gè)力的大小，這樣就能讓學(xué)生在動(dòng)手中體會(huì)三角形法則的魅力了。從此案例可以看出， 教學(xué)中如果缺少與此有關(guān)的演示器材，我們完全可以通過(guò) 3D 打印技術(shù)，發(fā)明、制造我們所需的演示器材。

3.3 ? ?物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中的STEM教育

在做探究小車速度隨時(shí)間變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)時(shí)，很多學(xué)生在接住小車時(shí)出現(xiàn)失誤， 使得小車摔落到地上導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)器材損壞?；诖耍覀兡芊駥?duì)實(shí)驗(yàn)室里的器材進(jìn)行改進(jìn)呢？

本次改進(jìn)方案的核心要素是使小車很快減速停止但又不影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究，由此我們想到的就是設(shè)計(jì)一個(gè)減速裝置。怎么實(shí)現(xiàn)減速呢？不同的人會(huì)得出不同的答案。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，在開展STEM教育時(shí)，務(wù)必尊重每一個(gè)學(xué)生的創(chuàng)新想法，沒(méi)有唯一的方案，只有更好的方案。因此，在確定最終方案時(shí)，恰當(dāng)、合理的討論方式至關(guān)重要。減速器模型的部分設(shè)計(jì)圖與3D 模型圖如圖8、圖9所示。

從此裝置的設(shè)計(jì)可以看出，當(dāng)小車撞進(jìn)減速器時(shí)，擋板會(huì)隨著小車向減速器內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，由于實(shí)驗(yàn)室中所用小車頂部具有釋放砝碼的小槽，加之擋板長(zhǎng)度和小車高度之和大于減速器槽口高度，以至于一旦擋板滑進(jìn)小車頂部的小槽后，就不允許小車向后運(yùn)動(dòng)，這樣就能讓小車停在減速器內(nèi)部而不允許小車被彈出，從而就避免了小車摔落到地面上。如需取出小車，我們僅需豎直向上取下減速器即可。從此案例可以看出，我們同樣可以通過(guò) 3D 打印技術(shù)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室中的器材進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。

4 ? ?測(cè)評(píng)方案

對(duì)于以 3D 打印技術(shù)為基礎(chǔ)在物理教學(xué)中開展STEM教育的測(cè)評(píng)可跟著基本步驟同步進(jìn)行。

方案的設(shè)計(jì)：對(duì)于每個(gè)小組討論后提供的方案，可根據(jù)其創(chuàng)新程度、實(shí)用程度、繁簡(jiǎn)程度等對(duì)每個(gè)小組打分，此步驟為現(xiàn)場(chǎng)打分;當(dāng)然，最后老師和學(xué)生一起商討出最優(yōu)方案，以便教學(xué)能順利進(jìn)行。

工程圖的繪制：對(duì)于每個(gè)學(xué)生繪制的工程圖，可根據(jù)其規(guī)范程度、完成程度等對(duì)其打分，此階段需要老師將學(xué)生作品收集起來(lái)在課后打分;最后由老師匯編出完整的工程圖，并加以簡(jiǎn)單講解，以使教學(xué)能順利進(jìn)行。

軟件構(gòu)建模型：對(duì)每個(gè)小組構(gòu)建的模型，同樣可根據(jù)完成程度、完成精度等對(duì)其打分，此舉需要學(xué)生通過(guò)電腦將自己的作品傳至主機(jī)，同樣是老師在課后打分; 最后由老師提供完整的軟件模型圖。

模型產(chǎn)品的改進(jìn)優(yōu)化：學(xué)生用打印出的 3D 實(shí)體產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提供改進(jìn)方案， 老師根據(jù)學(xué)生組裝模型的完整程度、實(shí)驗(yàn)效果、改進(jìn)方案等對(duì)其打分，其中組裝模型的完整程度、實(shí)驗(yàn)效果為老師在上課時(shí)打分，優(yōu)化方案需等學(xué)生交上紙質(zhì)反思及改進(jìn)措施后再打分。

綜合以上各個(gè)階段的成績(jī)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

5 ? ?結(jié) ?語(yǔ)

STEM 教育是一門綜合性教育課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、跨學(xué)科運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力[4]。一堂有效的 STEM 課程，應(yīng)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力、交流合作能力、動(dòng)手能力等有一定的促進(jìn)作用。物理學(xué)科是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，其本身所具有的學(xué)科特點(diǎn)與 STEM 教育有非常多的共性。因此，努力在物理教學(xué)中開展 STEM 教育既是應(yīng)該的，也是必要的。

STEM 教育應(yīng)有合作共享的精神，因此在備課時(shí)應(yīng)盡可能提供更多的機(jī)會(huì)讓更多學(xué)生參與互動(dòng)，老師也要時(shí)刻注意學(xué)生的活動(dòng)，必要時(shí)給予學(xué)生應(yīng)有的幫助，并且問(wèn)題的設(shè)計(jì)不宜過(guò)高、過(guò)難，應(yīng)設(shè)計(jì)出與學(xué)生能力相當(dāng)?shù)?、通過(guò)探究能夠完成的課程活動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王素.《2017 年中國(guó) STEM 教育白皮書》解讀[J].現(xiàn)代教育，2017（7）：4-7.

[2]陳志明.體現(xiàn) STEM 理念的高中物理教學(xué)研究與實(shí)踐[J].物理教學(xué)，2019，41（3）：6-8.

[3]李晨曦.以 3D 打印為基礎(chǔ)的 STEM 教學(xué)活動(dòng)探究[J].基礎(chǔ)教育參考，2019（16）：37-39.

[4]戴浩，周智良.基于 STEM 教育理念的豎直平面圓周運(yùn)動(dòng)脫軌問(wèn)題研究[J].物理教學(xué)探討， 2018，36（8）：63-64.

（欄目編輯 ? ?張正嚴(yán)）