基于3D打印的中學物理實驗拓展課程教學研究

范潔慧 龔鵬程

【內(nèi)容摘要】3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，在物理實驗拓展課程研究中，發(fā)揮了巨大的價值，在物理實驗過程中，常遇到實驗裝備損壞的問題，在3D打印技術(shù)支持下，為物理實驗裝備的維修提供了重要的保障。基于此，本文主要從教學設計、課程拓展規(guī)劃、教學活動設計、學習效果方面進行分析，確保拓展課程內(nèi)容，培養(yǎng)學生綜合學習能力。

【關鍵詞】3D打印中學物理實驗拓展課程教學

3D打印技術(shù)運行基礎是數(shù)字模型文件將材料制造技術(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化過程，生產(chǎn)方式簡單，打印時間短，成本較低，具有多種技術(shù)優(yōu)勢。因此，初中物理實驗拓展課程教學過程中，教師為激發(fā)學生學習興趣，將3D打印技術(shù)引入到課程設置中，旨在調(diào)動學生參與物理實驗操作的積極性，進而激發(fā)學生的探究欲望，更好培養(yǎng)中學生物理學科素養(yǎng)。

一、教學設計

1.教學設計模型

在3D打印技術(shù)支持下，教師結(jié)合學生實際情況，加強對物理實驗拓展課程的設計，制定完善的課程教學計劃，旨在物理實驗拓展課程授課過程中，培養(yǎng)學生動手操作機會，開發(fā)學生的思維，促使學生在實驗過程中，對項目成果進行交流，相互學習、相互促進，形成優(yōu)勢互補局面。在教學模型設計上，具體的操作流程如下：

2.3D建模軟件學習

教師不斷提升自身的信息化素養(yǎng)，積極學習3D建模軟件具體的操作流程和步驟，結(jié)合物理實驗拓展課程教學實際情況，加強對教學重難點的設計。整個過程中，教師充分尊重學生的個性化特征，結(jié)合學生物理學科基礎，加強對學生實際情況的判斷，確保物理實驗拓展課程設計的科學性和合理性，保證教學效果;在物理實驗拓展課程正式講解前，教師借助PPT中為學生詳細介紹了3D打印技術(shù)在參與到物理實驗拓展課程中的應用情況，確保學生基本熟絡3D打印技術(shù)與物理實驗拓展課程之間的關系[1]。

3.項目學習

教師借助3D打印技術(shù)建立三維模型，進行PBL活動設計，根據(jù)學生物理實驗拓展課程學習需要，以及涉及的實驗項目，及時調(diào)整和修改課程方案，為學生答疑解惑，幫助學生梳理相關物理實驗項目思路，促使學生做好項目學習前準備工作，加深對3D打印技術(shù)在物理實驗拓展課程中的應用認識，教師在教學中，主要以小組探究合作、自主學習方式為主，保證學生課程學習效果，強化學生在學習階段邏輯思維，積極參與到物理實驗拓展課程中，培養(yǎng)學生的科學探究能力，助推學生更好得出實驗結(jié)論。

教師根據(jù)學生在物理實驗拓展課程中的表現(xiàn)，給出積極的評定，增強學生“成功”的體驗，增強學生自信心;在實驗成果分享階段，教師鼓勵和引導學生積極進行作品展示和交流，更好反饋自己的學習成果。整個3D打印中學物理實驗拓展課程教學設計過程中，教師充分尊重了學生在物理實驗項目中的主體地位，結(jié)合學生實際，將3D打印技術(shù)融合到物理實驗拓展課程，明確了課程教學目標，深化教學設計，確保最大程度上提升物理實驗課程教學成效，擴充學生的知識面，增長學生的眼界，提升學生的邏輯思維能力[2]。

4.課程拓展規(guī)劃

物理實驗拓展課程教學是物理教學中重要組成部分，通過課程設計，有利于培養(yǎng)學生科學實驗素養(yǎng)，增強學生理論聯(lián)系實際的能力，強化學生實驗教育效果。在3D打印技術(shù)支持下，教師將學生劃分多個小組，借助3D技術(shù)搭建物理實驗模型，目的在于啟發(fā)學生動腦思考，培養(yǎng)學生探索精神和創(chuàng)造性思維能力，促使學生更好解決實際問題，保證物理實驗教學效果?；?D打印技術(shù)下，教師根據(jù)自身的教學經(jīng)驗和大量的教學實踐案例，建立模型，加強虛擬與現(xiàn)實之間的聯(lián)系;并通過大量的實驗理論和實踐操作，驗證模型建立是否具有科學性和可行性。

二、教學活動設計

為驗證3D打印技術(shù)在物理實驗拓展課程教學中應用的可行性，教師在課程研究過程中，引入實驗案例教學，加強教學活動設計，例如，教師在教學蘇教版“裝滿水的杯子里能放多少回形針”這一實驗課題時，教師制定了明確的教學目標：提升學生實驗操作技能，保證學生能夠熟練使用實驗儀器和測量工具，培養(yǎng)學生觀察事物、分析問題以及解決實際問題的能力[3]。

（一）活動設計思路

教師引導學生模擬倒啤酒操作，分別對比哪組學生杯子中的啤酒倒的更多，進而為后續(xù)的實驗項目提供便利條件，基于學生生活實際著手，啟發(fā)學生，點燃學生科學探究欲望。在此基礎上，教師引入實驗項目，引導學生如何選取實驗器材，根據(jù)實驗項目要求，選擇了一次性塑料杯和一元錢硬幣，進而更好保證實驗的可操作性，增強實驗的創(chuàng)新性，保證實驗用具準備的直觀性，更加科學化地選取實驗器材，提升學生的判斷力[4]。整個活動設計中，借助3D打印技術(shù)展示模擬微觀，幫助學生理解物理知識，更好揭示物理現(xiàn)象，通過三維效果演示，學生直觀化的觀察到物理現(xiàn)象，加強對物理實驗知識的理解。例如，教師在教學“硫酸銅溶液擴散實驗”，教師借助3D技術(shù)進行演示，學生更加直觀地觀察 3D圖片、動態(tài)演示圖像，促使整個實驗過程更為生動，幫助學生加深記憶，激發(fā)學生興趣。

1.實驗操作

教師按照常規(guī)實驗設計方案開展物理實驗教學，引導學生自主收集和準備與實驗有關的準備工作，培養(yǎng)學生自主學習能力，確保學生在整個實驗項目過程中，更加直觀化地觀察實驗現(xiàn)象，感受物理實驗中蘊藏的奧秘，拉近學生與物理學科之間的關系，并通過實驗論證的方式，切實解決實驗中遇到的問題。整個實驗過程中，教師積極做好實驗引導作用，將3D打印技術(shù)引入到課程教學中，調(diào)動學生參與實驗學習的積極性，促使課堂氣氛更加活躍，全面培養(yǎng)學生科學探究精神，培養(yǎng)學生良好的實驗素養(yǎng)[5]。

2.實驗合作交流

“裝滿水的杯子里能放多少回形針”實驗過程中，使用的是相同的杯子，為保證學生深層次地理解實驗相關因素之間的關聯(lián)性，教師將學生劃分3～4人/組，進行探究合作，相互交流經(jīng)驗;教師以問題引導式方式詢問學生：“裝滿水的杯子與放入回形針多少有關嗎？放入回形針多少與杯口大小是否有關？”學生積極參與討論中，不斷用實驗的方式進行驗證，加強對教師問題的思考;整個物理實驗過程中，學生科學探究素養(yǎng)得到一定的提升，推動物理實驗進展，為學生學科素養(yǎng)的培養(yǎng)提供了有利條件[6]。

（二）基于3D打印的中學物理實驗拓展課程教學

基于3D打印技術(shù)支持下，為進一步提升物理實驗拓展課程教學質(zhì)量，教師積極轉(zhuǎn)變教學觀念，樹立新思維、新理念，改變了傳統(tǒng)單一的教學理念，逐漸踐行新課程理念[7]。教師要審時度勢，重新定位學科教學目標，調(diào)動學生學習積極性，激發(fā)學生質(zhì)疑思維，培養(yǎng)學生實踐能力。因此，教師在教學活動設計中，采用項目式教學方式開展基于3D打印的“電路連接的基本方式”實驗拓展課程教學活動，旨在強化學生對電路學習的理解和認識，激發(fā)學生參與物理學科學習的積極性;具體的教學流程如下：

1.教學目標

旨在提升學生知識理解能力，掌握相關的實驗技巧，更好地了解本單元相關的基本物理知識[8]。培養(yǎng)學生正確的情感價值，教師引導學生進行實驗操作，師生共同參與實驗過程，動手設計三維小夜燈模型，點燃學生的學習熱情，并在3D打印操作過程中，培養(yǎng)學生協(xié)作交流，動手實踐的能力，更好激發(fā)學生的創(chuàng)新能力。

2.導課

教師根據(jù)課程教學計劃和方案，向?qū)W生灌輸全新的教學理念，將教學目標和教學任務落實下去，介紹教學流程，并規(guī)范學生在課程學習中應當注意的事項，更好完成本堂課的教學目標，借助PPT為學生介紹3D打印技術(shù)發(fā)展背景和技術(shù)應用領域，吸引學生興趣，引發(fā)學生的好奇心[9]。

（1）教師引導學生進行自主探究，熟悉電路基本連接方式，并通過實驗觀察，掌握電路串聯(lián)、并聯(lián)基本特點，確保整個過程中能夠激發(fā)學生的思維。

（2）教師將學生分成若干小組，3～4人/組為宜，將具體的課程任務落實到各個小組中，確保小組成員明確課程教學最終目標。小組探究過程中，教師及時給予教學指導，為學生答疑解惑。

（3）在實驗項目探究過程中，教師帶領學生對舊知識進行復習，并通過活動設計方式引入新課程：

活動1：“使兩個小燈泡亮起來”，目的在于培養(yǎng)學生動手操作能力，能夠判斷電路種類;

活動2：帶領學生學習電路基本連接方式和大量的理論知識后，教師引導學生建立3D模型，鼓勵學生進行小組相互探究和合作，及時提供幫助，保證學生作品完成度，并鼓勵學生發(fā)揮自己的想象力，根據(jù)教學任務逐步開展電路圖設計和3D模型設計，打印小夜燈3D模型照片，整個過程中，培養(yǎng)學生動腦思考能力和自身的感悟能力。

（4）作品制作完成后，教師以比賽的形式，鼓勵各個小組進行作品成果展示，看看哪個小組作品設計的更好。教師建立了課程評價機制，包括生生評價、教師評價、自我評價;小組成員對作品進行展示，并表述設計理念。在生生評價過程中，學生積極學習彼此身上的優(yōu)點;在自我評價過程中，學生更加清晰化地看清自我，端正態(tài)度，不斷完善自我;教師評價，則是根據(jù)學生在課程實踐過程中的表現(xiàn)，其中包含了教師對學生日常行為表現(xiàn)的評價，包括了對本次項目作品設計的評價，以鼓勵為主，增強學生的自信心。

結(jié)語

總之，3D打印技術(shù)是一種快速成型的技術(shù)，應用在物理學科領域中，展現(xiàn)了巨大的潛力，將3D打印技術(shù)引入到物理實驗過程中，加深學生對學科知識的理解，可激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，更好將抽象化的實驗內(nèi)容具體化呈現(xiàn)出來，一定程度上培養(yǎng)了學生發(fā)散性思維能力，降低教師教學難度，激發(fā)學生學習興趣，更好拓展學生的學科領域，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，豐富物理實驗教學內(nèi)容。

【參考文獻】

[1]陳麗娜，薛耀鋒，陳婷.基于3D打印的高中物理實驗拓展課程教學[J].中國信息技術(shù)教育，2020（7）：72-74.

[2]孔令慧.利用物理實驗教學培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力[J].考試周刊，2019（25）：134.

[3]楊著欣.開發(fā)和拓展初中物理實驗課程，優(yōu)化實驗教學效果[J].中學生數(shù)理化（教與學），2019（12）：37.

[4]吳聰能.結(jié)合生活實際的中學物理實驗教學探究[J].廣西物理，2020，41（4）：98-101.

[5]李博，侯恕.漫談中學物理教學中的“人情味”[J].教育教學論壇，2020（50）：283-284.

[6]李安，黃光鋒.中學物理教學存在的困境與對策研究[J].科技風，2020（24）：31-32.

[7]梁義柯，韓海生.OBE理念下中學物理實驗課堂教學模式的研究[J].經(jīng)濟師，2021（1）：203，205.

[8]徐新兵，葉萍.中學物理實驗教學中融入HPS教育的研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2020（24）：28-30.

[9]王景師.CAI在中學物理教學中的應用探究[J].廣西物理，2020，41（4）：94-97.

（作者單位：江蘇省淮安市文通中學）