基于3D打印的高中物理課程資源的開發(fā)與實(shí)踐

夏煜明 王俊民

摘 ? 要：文章簡(jiǎn)要闡述了“STEM+創(chuàng)客教育”與高中物理教學(xué)融合的緣由，通過(guò)文獻(xiàn)分析與教學(xué)實(shí)踐，提出了高中物理3D實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的策略和教學(xué)方法，并結(jié)合師生共同設(shè)計(jì)和開發(fā)“3D過(guò)山車模型”教具的案例，簡(jiǎn)要闡述了如何設(shè)計(jì)、開發(fā)3D物理課程資源，探討了開發(fā)中遇到的問(wèn)題和解決方法。希望可以拋磚引玉，引起更多的研究者關(guān)注并加入到3D物理課程資源開發(fā)與設(shè)計(jì)的研究中。

關(guān)鍵詞：3D打印;物理模型;3D物理教具

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）2-0065-5

1 ? ?研究背景及意義

當(dāng)前，在發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的國(guó)際環(huán)境下，STEM教育和創(chuàng)客教育均受到了廣泛關(guān)注。由于兩者具有較多的共性，逐漸被結(jié)合研究。在國(guó)內(nèi)外，研究者都開展了大量的教學(xué)理論和實(shí)踐研究，形成了豐富的研究成果。國(guó)內(nèi)外的3D打印與STEM教育、創(chuàng)客教育相關(guān)研究現(xiàn)狀如下。

1.1 ? ?國(guó)外研究現(xiàn)狀

一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已開展了大量的3D打印與STEM項(xiàng)目研究和實(shí)踐，比較典型的有英國(guó)3D打印教育試點(diǎn)工程、美國(guó)PLTW部分項(xiàng)目、Stratasys3D打印課程、日本DHM項(xiàng)目等，其中美國(guó)最為重視。通過(guò)大量的研究和實(shí)踐，美國(guó)國(guó)際技術(shù)與工程教育學(xué)會(huì)于2014年提出了備受推崇的“6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式”[1]，即“參與—探索—解釋—工程—深化—評(píng)價(jià)”。

國(guó)外研究還表明，融入3D打印的STEM教育項(xiàng)目主要具有如下特征[2]：

第一，3D打印作為新型學(xué)習(xí)工具融入設(shè)計(jì)、制作類課程;

第二，3D打印產(chǎn)品輔助教學(xué)，加深科學(xué)、工程核心概念的理解;

第三，緊密聯(lián)系課程標(biāo)準(zhǔn)，訓(xùn)練21世紀(jì)技能。

通過(guò)STEM項(xiàng)目課程，學(xué)生獲取了職業(yè)所需的批判性思維、創(chuàng)新能力以及合作意識(shí)，提升了就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 ? ?國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在《教育信息化“十三五”規(guī)劃》的“主要任務(wù)”中也提出要在有條件的地方積極探索“STEM教育”“創(chuàng)客教育”。國(guó)內(nèi)也有大量的研究者開展了許多有益的實(shí)踐研究。這些研究主要分為以下幾類：

一是基于STEM教育的教學(xué)模式和項(xiàng)目設(shè)計(jì)。例如，謝麗[1]等提出基于STEM教育、依循“6E教學(xué)模式”的物理教學(xué)設(shè)計(jì)。

二是基于3D技術(shù)的物理教學(xué)模式和實(shí)踐研究。例如，王周華等[3]提出了基于3DsMax軟件的3D物理模型設(shè)計(jì)思路和案例設(shè)計(jì)。

三是STEM教育和創(chuàng)客教育相融合的研究。例如首新等[2]對(duì)我國(guó)中小學(xué)融入3D打印的STEM教育項(xiàng)目提出了頂層框架規(guī)劃與教學(xué)模式設(shè)計(jì);王旭卿[4]提出了面向STEM教育的創(chuàng)客教育模式;劉繁華等[5]提出了“STEM+創(chuàng)客教育”的中小學(xué)“SM”教學(xué)模式，包括情境創(chuàng)設(shè)、主題概述等八個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié);郭威等[6]提出了基于3D打印的高中物理STEM課程教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，包括課程導(dǎo)入、實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)等五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

1.3 ? ?對(duì)國(guó)內(nèi)外研究的述評(píng)

分析國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，已有大量研究者探索了STEM教育與學(xué)科教學(xué)相融合的教學(xué)模式和教學(xué)實(shí)踐。但是，現(xiàn)有研究主要是跨學(xué)科課程、資源與實(shí)物創(chuàng)造的簡(jiǎn)單組合，對(duì)開展基于“STEM+創(chuàng)客教育”促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)發(fā)展的研究還較少，利用3D打印開發(fā)與設(shè)計(jì)高中物理教具的研究項(xiàng)目不多。因而，我們嘗試將“STEM+創(chuàng)客教育”與高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，嘗試師生共同開發(fā)與設(shè)計(jì)高中物理教具，促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。

2 ? ?高中物理3D項(xiàng)目的開發(fā)與設(shè)計(jì)策略

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，利用3D軟件設(shè)計(jì)物理模型，然后用3D打印機(jī)打印物理實(shí)物模型，再用3D實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，這樣的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，幫助學(xué)生更容易地理解物理觀念和規(guī)律的過(guò)程。研究還發(fā)現(xiàn)，3D物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究[7]能力有一定促進(jìn)作用，尤其是通過(guò)師生共同開發(fā)與設(shè)計(jì)3D物理教具可以促進(jìn)學(xué)生“科學(xué)思維”中的模型建構(gòu)、質(zhì)疑創(chuàng)新等素養(yǎng)的發(fā)展，通過(guò)3D打印體驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)探究可以促進(jìn)學(xué)生“科學(xué)探究”中的問(wèn)題、證據(jù)等素養(yǎng)的發(fā)展。通過(guò)大量的文獻(xiàn)和實(shí)踐研究，并且參考了楊珍珂、賈偉堯的“6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式”的學(xué)習(xí)階段劃分說(shuō)明[8]（如圖1），我們提出了高中物理的3D實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的流程（如圖2）。

通過(guò)進(jìn)一步研究和開展3D物理實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，我們提出了高中物理3D實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三步教學(xué)法：“選建?！薄白⒔?gòu)”“重體驗(yàn)”（如圖3）。

為了更加清楚地說(shuō)明3D實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)策略，下面我們結(jié)合實(shí)例對(duì)高中物理3D實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三步教學(xué)法的教學(xué)策略進(jìn)行闡述。

（1）“選建?！保褪墙處熞x擇物理模型建構(gòu)簡(jiǎn)單、類型多樣的活動(dòng)主題進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，開展建模體驗(yàn)活動(dòng)。例如，開展3D打印體驗(yàn)圓周運(yùn)動(dòng)活動(dòng)中，圓周運(yùn)動(dòng)的物理模型有“圓盤模型”“漏斗模型”“圓錐擺模型”“過(guò)山車模型”“繩模型”“桿模型”等，而其中“圓盤模型”“漏斗模型”“圓錐擺模型”“繩模型”“桿模型”這些模型建構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，學(xué)生可以親自設(shè)計(jì)和打印這些3D物理模型。而比較復(fù)雜的“過(guò)山車模型”則可以師生共同設(shè)計(jì)建構(gòu)3D模型。

（2）“注建構(gòu)”，就是注重培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)思維，就是在3D建模活動(dòng)過(guò)程中，教師要合理引導(dǎo)或與學(xué)生共同開發(fā)3D物理模型。我們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，3D物理模型的建構(gòu)是3D建模探究項(xiàng)目的關(guān)鍵，同時(shí)也是融合物理核心素養(yǎng)“科學(xué)思維”中模型建構(gòu)、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素的最佳過(guò)程。

例如，在開展3D打印體驗(yàn)圓周運(yùn)動(dòng)活動(dòng)中，活動(dòng)的第一步是把參加的學(xué)生分組，然后每組組長(zhǎng)負(fù)責(zé)組織本小組成員搜集圓周運(yùn)動(dòng)這部分內(nèi)容的某一個(gè)物理模型，并且還搜集關(guān)于3D設(shè)計(jì)與打印方面的相關(guān)資料。活動(dòng)的第二步是請(qǐng)專業(yè)教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行3D軟件設(shè)計(jì)的培訓(xùn)，對(duì)3D打印機(jī)的原理、操作等進(jìn)行培訓(xùn)。各小組需要先建構(gòu)物理模型，進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出模型的相關(guān)參數(shù)。然后，再利用3D軟件進(jìn)行數(shù)字模型的設(shè)計(jì)。

在這一過(guò)程中，學(xué)生需要對(duì)物理模型進(jìn)行反復(fù)研究、分析，在頭腦中形成物理模型的空間結(jié)構(gòu)和物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程等，這對(duì)于學(xué)生以后建構(gòu)物理模型有很大幫助。同時(shí)，通過(guò)師生共同開發(fā)物理模型，可以促進(jìn)教師的專業(yè)技能發(fā)展。

（3）“重體驗(yàn)”，就是教師要重視學(xué)生3D項(xiàng)目的體驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)探究的體驗(yàn)過(guò)程，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。3D打印是最近幾年比較熱門的技術(shù)，并在最近幾年快速進(jìn)入到中小學(xué)，對(duì)于不少師生來(lái)說(shuō)都屬于新事物。因此，師生們對(duì)于3D打印這一過(guò)程具有極大的興趣，特別是學(xué)生對(duì)于3D打印機(jī)直接打印出實(shí)物模型這一過(guò)程很感興趣。因此，在這一過(guò)程中可以充分利用學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真觀察、思考問(wèn)題的能力。

例如，在打印圓盤模型時(shí)，課題組組織學(xué)生進(jìn)行了3D打印的體驗(yàn)，不少學(xué)生感覺(jué)3D打印很神奇，對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣也提高了不少。此外，學(xué)生通過(guò)3D物理模型開展實(shí)驗(yàn)，通過(guò)合作探究觀察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在這一過(guò)程之中，促進(jìn)了學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。

3 ? 3D物理教具的開發(fā)實(shí)踐

3.1 ? ?3D物理教具的選題

在物理教學(xué)中，我們往往會(huì)遇到一些關(guān)于生活實(shí)際方面的創(chuàng)新題型。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)于這部分題型在建立物理模型方面較為困難。比如，在研究圓周運(yùn)動(dòng)與能量關(guān)系這部分內(nèi)容時(shí)，學(xué)生對(duì)于圓周運(yùn)動(dòng)中的臨界條件、摩擦力變力做功等理解起來(lái)比較困難，如綜合了能量關(guān)系的“過(guò)山車問(wèn)題”。

如圖4所示，一個(gè)小球（視為質(zhì)點(diǎn)）從H=12 m高處，由靜止開始沿光滑彎曲軌道AB進(jìn)入半徑R=4 m的豎直圓環(huán)內(nèi)側(cè)，且與圓環(huán)間的動(dòng)摩擦因數(shù)處處相等，當(dāng)?shù)竭_(dá)圓環(huán)頂點(diǎn)C時(shí)，剛好對(duì)軌道壓力為零;然后沿CB圓弧滑下，進(jìn)入光滑弧形軌道BD，到達(dá)高度為h的D點(diǎn)時(shí)速度為零，則h的值可能為多少？

A.10 m ? ?B.9.5 m ? ?C.8.5 m ? ?D.8 m

正確答案是B和C選項(xiàng)，解決該題需要用到最高點(diǎn)的臨界條件，還有左右摩擦力做功不等以及動(dòng)能定理，初遇時(shí)學(xué)生理解起來(lái)較為困難。

因此，我們希望通過(guò)建構(gòu)過(guò)山車的3D模型，授課時(shí)讓學(xué)生能直觀地觀察，體驗(yàn)、探究物體在過(guò)山車模型中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，以此幫助學(xué)生建構(gòu)模型、簡(jiǎn)化思維。

3.2 ? ?3D物理教具的設(shè)計(jì)原理和方法

3D物理教具將用到3D打印技術(shù)的原理，主要是通過(guò)3Dsmax等軟件將物理模型設(shè)計(jì)為3D模型，然后通過(guò)3D打印機(jī)進(jìn)行打印，生成3D模型。

3.3 ? ?3D物理教具的制作

（1）繪制模型草圖

該教具的靈感來(lái)源于習(xí)題和教材上關(guān)于豎直圓周運(yùn)動(dòng)中的“無(wú)支撐”模型的臨界問(wèn)題。因此，我們與物理興趣小組的學(xué)生在設(shè)計(jì)該教具時(shí)，搜集了資料書上關(guān)于過(guò)山車模型的相關(guān)題型，研究其圖形（圖5、圖6為資料書上的過(guò)山車簡(jiǎn)化模型），并在此基礎(chǔ)上繪制了模型草圖。該過(guò)程有助于培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題和猜想假設(shè)等科學(xué)探究能力。

（2）3D軟件建模

繪制好模型草圖后，我們與物理興趣小組的學(xué)生用3Dsmax軟件進(jìn)行了初步的模型構(gòu)建。該模型主要分為三部分，一是傾斜直軌道，二是豎直面內(nèi)的大圓和小圓軌道，另外還有一個(gè)底座平臺(tái)。在構(gòu)建該教具的3D模型時(shí)，我們也遇到了一些困難。比如，設(shè)計(jì)軌道時(shí)，需要將軌道設(shè)計(jì)為帶一定圓弧形的外高內(nèi)低的凹槽軌道。另外，為了使小球能順利通過(guò)這兩個(gè)豎直圓形軌道，在設(shè)計(jì)兩個(gè)圓軌道時(shí)需要將二者距離適當(dāng)調(diào)開。這個(gè)設(shè)計(jì)起來(lái)比較困難，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們請(qǐng)教了專業(yè)的平面設(shè)計(jì)師，然后經(jīng)過(guò)多次修改，才初步達(dá)到預(yù)期效果。下面是3D軟件上的效果圖（如圖7、圖8）。該過(guò)程有助于培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力。

（3）3D模型打印

由于我們所在學(xué)校的3D打印機(jī)能夠打印的成品尺寸較小，而且只能打印ABS和PLA材料。因此，為了能夠較好地展示過(guò)山車這個(gè)模型，并且能夠順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們?cè)诰W(wǎng)上選擇了一家專業(yè)的3D打印公司打印實(shí)物模型（如圖9）。為了節(jié)省成本，我們選擇的打印材料是“未來(lái)8000樹脂材料”。這種材料打印精度較高，表面光滑，基本能滿足實(shí)驗(yàn)要求。但是，若選用透明樹脂，視覺(jué)效果和實(shí)驗(yàn)效果將更好。若學(xué)校的3D打印機(jī)能夠直接打印這個(gè)實(shí)物模型，師生共同參與和體驗(yàn)3D打印這個(gè)過(guò)程，將有助于激發(fā)師生的研究熱情，培養(yǎng)師生的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力。

（4）3D物理教具的效果驗(yàn)證

我們通過(guò)該教具向?qū)W生展示了物體在豎直圓軌道上的運(yùn)動(dòng)，并研究了前文的“過(guò)山車問(wèn)題”。開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，請(qǐng)學(xué)生將小球從不同位置釋放，小球在大圓和小圓的軌道最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的速度不一樣。若釋放的位置較低，甚至?xí)霈F(xiàn)小球不能在大圓內(nèi)做完整的圓周運(yùn)動(dòng)，或者在大圓內(nèi)可以做完整的圓周運(yùn)動(dòng)而在小圓中不能做完整的圓周運(yùn)動(dòng)。研究還發(fā)現(xiàn)，即使小幅度改變釋放位置的高度，都會(huì)很明顯地影響小球第二次的圓周運(yùn)動(dòng)，這說(shuō)明摩擦對(duì)物體的影響顯著。該教具的實(shí)驗(yàn)演示效果十分明顯，易于觀察，稍作改進(jìn)還可用于探究實(shí)驗(yàn)，如利用傳感器測(cè)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的速度，或利用傳感器測(cè)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的壓力。該過(guò)程有助于培養(yǎng)師生的問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力。

4 ? ?問(wèn)題與討論

通過(guò)共同開發(fā)3D物理教具，學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣高漲，物理實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和模型建構(gòu)能力也得到明顯提升。當(dāng)然，我們?cè)陂_發(fā)3D物理教具的過(guò)程中也遇到了很多問(wèn)題。最大的問(wèn)題就是在建構(gòu)比較復(fù)雜的物理模型時(shí)，僅靠學(xué)生和老師不一定能夠建構(gòu)出比較理想的物理模型。因此，我們采取了與校外企業(yè)合作、共同開發(fā)的方式。事實(shí)上，我們的實(shí)驗(yàn)研究還有待改進(jìn)，希望本文能夠拋磚引玉，引起更多的研究者關(guān)注，并加入到3D物理課程資源的開發(fā)與設(shè)計(jì)中。

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（欄目編輯 ? ?張正嚴(yán)）