基于3D打印技术的中学物理科技活动课程设计

吴睿佳 程敏熙

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

3D打印技术是一项通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术，常被应用于工程制造、医疗或者各种设计行业中.近年来，3D打印技术凭借着其较强的综合性、实践性与创新性，正越来越多地被应用于教育领域，成为许多中学开展第二课堂的较优选择.

1 3D打印技术教育的理论基础

STEAM即科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Art)、数学(Mathematics)5个领域的简称.STEAM教育倡导学生灵活运用各领域的知识来解决实际问题.3D打印技术教育中蕴含丰富的STEAM教育思想，教师在进行基于3D打印技术的物理科技活动教学的过程中要有意识地渗透科学、技术、工程、艺术、数学这5个领域的内容，具体内容如下.

S(科学)：让学生亲历科学探究的过程，灵活运用物理学知识，结合物理的思想和方法解决问题，培养学生科学的态度与责任.

T(技术)：让学生掌握基本的3D建模、打印以及后期处理技术.

E(工程)：让学生完成既定主题的项目，设计并制作出物理科技作品.

A(艺术)：让学生进行作品的色彩、造型设计，从中体现出一定的审美观.

M(数学)：让学生使用函数运算、空间几何等方法进行参数设置和结构设计.

2 目前3D打印技术课程设计中存在的问题

目前国内的3D打印技术教育仍属于起步和摸索阶段，3D打印技术的课程设计仍不够完善，普遍存在的问题如下.

2.1 内容单薄

国内开展的3D打印技术课程大多采取在每个课时最后设计出一件小作品的形式，作品中所蕴含的科学知识过于简单基础，不适合中学生进行课外拓展学习；并且大多数作品只具备观赏价值，也造成了一定的资源浪费.

2.2 课时过短

目前3D打印技术教育多为较短课时的体验性课程，而以3D打印技术为载体培养学生的综合能力是一个长期渗透和强化的过程，因此课程的学习时长以一到两个学期为宜.

2.3 难度偏低

我国3D打印技术教育呈现出低龄化的趋势，原因之一是3D建模软件的选择不当，目前大部分中学都选择了123D Design,3Done等建模软件，这些软件为了方便入门而简化了许多数学建模过程以及逻辑设计思想，使得原本富含知识和逻辑方法的建模过程变得“傻瓜化”，过低难度的建模更适合低龄儿童而非中学生使用.

3 3D建模软件的选择

笔者选择了3D建模软件SolidWorks进行中学3D打印技术教育，这是一款具有挑战性的，蕴含丰富建模思想的专业软件，该软件功能强大，组件丰富，方便学习使用，足以支撑起较长时间的教学.SolidWorks软件有3种文档类型可供选择：零件、装配体、工程图.设计者可根据需要进行单个零件的设计，多个零件间的空间装配，或者在工程图中标注零件的尺寸、材料等信息.

4 课程设计——以设计制作多功能物理简易天平及杠杆原理模型为例

4.1 内容设计

开展基于3D打印技术的中学物理科技活动课程，首先需要选择合适的设计主题，作品本身必须蕴含着丰富的物理内涵与科学思想，难度适中，最重要的是要留给学生自由发挥创造的空间；另外，相较于大部分3D打印课程采取的每节课设计出一个独立作品的形式，笔者更推荐教师组织学生利用一个学期的时间，设计出一个完整的可投入物理科学活动中的实验用具.本文选择了多功能物理天平作为设计的主题，该模型至少可实现两个功能：一是作为简易物理天平使用；二是作为探究杠杆原理的教具使用.

4.2 课时设计

设计主题确定之后，教师需要罗列出该作品包含了几个零部件，每个零部件的设计需要用到软件中的哪些功能，并且按照功能的使用难度划分出易、中、难3个等级，以此对应学生的3种学习模式——体验式、探究式、项目式.体验式学习主要让学生了解并熟悉3D打印技术；探究式学习要求教师适当提出问题启发学生思考，同时教授学生基本的建模方法；项目式学习则需要学生通过小组合作的方式独立完成零件设计.3种学习模式层层递进，逐渐提升学生的科学素养,3种学习模式的课时安排如表1所示.

表1 3种3D打印技术教育学习模式的课时安排

4.3 教学设计——以“杠杆制作”课为例

开展基于3D打印技术的中学物理科技活动课的关键，在于教师能否在教学过程中渗透STEAM教育思想，下面将以“杠杆制作”课为教学案例，展示探究式学习模式的教学设计过程.探究课的重点在提问，教师的提问一定要层层递进，由易到难，通过提问引导学生思考，逐步分解并解决问题.

(1)结构设计——培养问题意识

师：同学们，前面我们已经完成了天平底座和圆盘的设计，这节课的任务是设计杠杆.在设计零件结构时，首先应该从哪入手呢？(从设计目的上引导)

生：首先需要考虑杠杆要实现的功能.

师：那么我们的杠杆需要实现什么功能呢？

生：一是作为物理天平的杠杆；二是作为杠杆原理模型中的杠杆.

师：请同学们回忆一下，我们平时使用天平时有哪些步骤呢？

生：使用天平前要调零，接着在左盘放置待测物体，右盘里先大后小加减适当的砝码直至指针指向分度盘中央.

师：接着请大家思考一下，完成上面这些步骤所需的杠杆结构有哪些呢？

生：调零需要杠杆尾部有放置平衡螺母的结构，判断平衡需要有指针.

师：请大家举一反三，回顾探究杠杆原理的实验，思考杠杆原理模型中的杠杆应该具备哪些结构呢？

生：探究杠杆原理的实验中需要改变力臂，所以需要在杠杆上间隔相同距离挖出挂钩码的小孔.

让学生按要求在纸上自行画出杠杆设计图，并标出合适的杠杆尺寸，参考尺寸为20 cm×10 cm×0.7 cm，孔径为1 cm.

教师巡视提供必要的指导.

设计意图：结构设计环节主要渗透STEAM中的科学思想(S)，即培养学生运用所学知识，分析拆解问题的能力与物理学科素养.比如引导学生回顾天平的使用与杠杆原理实验，加深学生对物理知识的理解与应用；在设计配重部分时强调天平调零的重要性，培养学生科学规范的实验习惯.

(2)作品建模——培养逻辑思维

师：回忆之前教过的基本建模方法，设计出以上结构，建模的步骤应该如何安排呢？请同学们在纸上画出作品建模的流程图，绘制时注意标出基准面.

学生绘制程序框图，教师巡堂指导，某学生设计的建模步骤如图1所示.

师：接下来请大家按照自己绘制的流程图进行杠杆的建模.建模时注意提前选择基准面，使用不同功能进行拉伸或切除时，注意厚度与深度的参数设置应一致.

学生按流程完成作品设计，教师提供必要的技术指导，某学生完成的杠杆3D模型图及实物图如图2所示.

图2 某学生设计的杠杆3D模型图与实物图

设计意图：建模环节主要渗透STEAM中的技术(T)与数学(M)部分，教师要给予学生充分的实践空间，让学生在实践中掌握使用软件建模的基本方法，同时培养学生设计流程的逻辑思维.

(3)讨论交流——培养多维思考能力

师：同学们都完成了自己作品的设计，接下来请大家反思一下，你设计的这个作品是否能实现一开始要求的两个基本功能呢？

师：如果无法完全实现这些功能的话，你需要对作品做出哪些修改呢？

给学生时间进行作品反思与修改，教师逐个审查过关，并挑选几位设计思路较为特色的学生进行现场展示.

师：接下来请大家在组内讨论，设计零件的思路还可以有哪些呢？

设计意图：自我反思与纠正可以锻炼学生的独立思考能力；同时，在讨论与交流中，学生还可以了解到各种各样的设计思路，培养多角度思考问题的能力.

教师可以参照这种拆解问题，从而抽丝剥茧，步步引导的教学设计思路，进行不同学习模式下的教学设计，并在教学过程中有意识地渗透STEAM教育理念.学生也将在教师的带领下，逐步完成天平底座、圆盘、杠杆、螺丝螺母与圆盘底座的设计，学期结束时，某组学生设计的多功能物理简易天平及杠杆原理模型设计图及成品图如图3和图4所示.

图3 物理天平及杠杆原理模型3D设计图

图4 物理天平及杠杆原理模型3D打印实物图

5 结束语

基于STEAM教育理念的3D打印技术课程是物理科技活动课的新主题，把科学、技术、工程、艺术及数学相融合，通过项目式的学习和团队式的合作解决实际问题，有利于培养学生的创新思维和动手实践能力.