基于3D打印的高中物理STEM课程设计与应用研究*

郭 威，薛耀锋,2，杨金朋

（1.华东师范大学 教育信息技术学系，上海200062; 2.华东师范大学 上海数字化教育装备工程技术研究中心，上海200062）

基于3D打印的高中物理STEM课程设计与应用研究*

郭 威1，薛耀锋1,2，杨金朋1

（1.华东师范大学 教育信息技术学系，上海200062; 2.华东师范大学 上海数字化教育装备工程技术研究中心，上海200062）

3D打印技术是一种快速成形技术，在第三次工业革命中体现了巨大的应用潜力。在教育教学领域，借助3D打印技术简便、灵活、安全、快速的制造优势，可以为教学设计提供创新的思路，丰富教学内容、改善教学方法、提高学生的学习体验。本文介绍了3D打印技术的特点和应用优势，阐述了3D打印技术在教学中的应用模式与应用案例，以高中物理课程中的知识点为教学目标，结合STEM教育理论，设计了3D打印高中物理主题教学活动并开展了教学实践。最后，通过问卷调查和访谈，分析了3D打印技术在高中物理教学中的应用效果。

3D打印；教学设计；高中物理；STEM教育；学习分析

一、引言

3D打印（3D printing）技术是一种通过逐层添加材料的方式制造三维物体的数字化增材制造技术，综合了信息、材料、控制、机械、软件等多个学科知识。3D打印技术的诞生与发展对传统制造方法产生了巨大的影响，被誉为是全球第三次工业革命中最为典型的创新技术之一[1]。3D打印技术以数字立体模型为基础，使用金属、塑料、陶瓷等固体材料快速制造三维物体，与传统的工业制造相比，具有高效、节约、智能、灵活等诸多优势。近年来，3D打印技术日趋成熟，在工业生产、宇宙航天、科学研究、医药制造与生活娱乐等多个方面都有广泛的应用[2]。在教育领域，3D打印技术的引入为教学设计和教学实践带来了创新的思路和方法，对丰富教学内容、改善教学方法、提高学习体验具有积极的促进作用[3]。有研究表明，3D打印技术在课堂教学中的使用可以激发学生的学习兴趣、培养学生的创新精神和实践能力、改善课堂氛围、促进学科教学效果，有助于提高学生的综合素质，推动素质教育的实施和发展。

本研究以高中物理课程中的力学知识教学为案例，借助3D打印技术和STEM教育理论进行教学新模式的探索，设计了系列STEM课程并开展了周期性的教学实践活动，探究3D打印技术在高中物理学科教学中的应用效果及其在提高学生学习体验方面所发挥的积极作用。

二、3D打印技术及其特点

3D打印技术的应用流程大致可分为四个步骤：创建三维数字模型、数字模型分层切片、3D打印、后期处理，如图1所示。创建三维数字模型包括两种方式，一种是使用3D建模软件，如Blender、SketchUP、3DS MAX等，设计和创建3D模型，一种是使用3D扫描仪扫描立体模型，获取模型对象的三维数据，直接在计算机中生成数字模型。采用软件建模的方式可以创建现实世界中不存在的三维数字模型，采用3D扫描的方式可以快速高效地生成真实物体的数字模型，两种建模方式各有所长，根据实际需求合理地选择建模方法可以提高3D建模的工作效率。创建好三维数字模型之后，需要经过与3D打印机配套的处理软件将数字模型进行切片处理，转换三维模型的描述方式，生成能够被3D打印机识别的数字文件，才能使用3D打印机打印数字立体模型。使用3D打印机打印立体模型可分为通过沉积原材料层制造物体和通过黏合原材料制造物体两种类型。前者对应使用的是“沉积型打印机”，通过喷涂液状、胶状或粉状原材料沉积为层，逐层添加制造立体模型。由于使用过程中安全性较高，家用或一般办公使用的3D打印机都为沉积型3D打印机。后者对应使用的是“黏合型打印机”，在原材料中添加某种黏合剂（如光热固化粉、光敏聚合物）来实现立体模型的逐层制造。立体模型打印完成之后往往会比较粗糙，具有较多的毛刺，需要经过固化、剥离、打磨之后才会变得光滑和美观，有时也会根据需求对立体模型进行上色加工。

3D打印技术凭借优于传统工业制造技术的特点，在工业制造领域形成了巨大的生产突破，为工业革命的快速发展提供了强有力的生产动力。Lipson和Kurman在著作中提炼出了3D打印技术和传统制造技术相比所具有的十大优势[4]。

（1）降低复杂产品的生产成本：采用3D打印技术可以大大减少生产物品的形状复杂度所造成的时间、技能和材料成本。即是说，打印一个形状复杂的工艺品和打印一个同等大小的立体方块所需成本并无太大差异，这是传统制造技术所无法比拟的。

（2）灵活生产，提高产品多样化：与传统制造技术所使用的模具相比，3D打印技术具有很大的灵活性。在正常的工作区域内，一台3D打印机可以制造出各种各样的产品，而无需投入额外的设备成本和技工成本。

（3）一体式制造：3D打印技术可以实现一体化成型，免去了组装零件所消耗的时间和精力。

（4）按需生产，实时交付：3D打印可以根据实际定制就近制造产品，有效减少库存和长途运输成本，实现零时间交付产品。

（5）拓展设计空间：3D打印技术的灵活性极大地扩展了三维数字模型的设计空间，使得传统制造工艺无法生产或生产成本很高的产品能够被轻松制造出来。

（6）降低生产技术需求：3D打印技术采用计算机进行生产控制，操作人员无需具备生产机器操作的技能，也能正常维持产品的制造。

（7）节省生产空间：就单位生产空间而言，3D打印机比传统的制造机器具有更强的制造能力。传统的制造机器，如注塑机只能制造远小于机器自身体积的物品，而3D打印机可以灵活调整打印设备的位置，从而能够制造出比打印机更大的物品。

（8）提高原料利用率：增材制造的生产方式与传统的“减材切削”加工方式相比，能最大限度地提高原材料的利用率，减少废弃副产品的产生。

（9）多原料组合制造：采用3D打印技术可以实现将多种材料混合拼装成统一的整体，进行生产原材料的创新组合。

（10）高效的实体复制：配合使用高精度的3D扫描技术和3D打印技术可以对真实世界中的物体进行精确的复制生产。

三、3D打印技术的教学应用

3D打印技术与教育教学的结合是现代教育技术研究的一项重大突破。不少教育研究者和教育工作者已经将3D打印技术引入教育教学实践中，促进教学方法和教学内容的创新。

1.3D打印机技术的教学应用模式

根据3D打印技术在课堂教学中所扮演的角色，可以将3D打印技术的教学应用模式划分为三个方面：3D打印作为教学内容、3D打印制造教具学具、3D打印融入教学活动。

（1）3D打印作为教学内容：在北京、上海、广州等一些发达地区的中小学中开设了3D打印课程，作为学生的兴趣选修课。课程中以3D打印技术、3D打印机的操作、3D建模为基础知识进行讲解，培养学生的创新思维和动手实践能力[5]。通过课程学习，学生可以掌握3D打印的基础技能，能够使用3D打印技术制造简单的实体模型，应用在相关的实践项目中。

（2）3D打印制造教具学具：3D打印技术所具备的模型快速生产的特点为教学开展提供了很大的便利，其主要体现在使用3D打印技术制造满足教学需求的教学工具和学习工具。例如在数学、生物、历史和地理课堂中，使用3D打印技术制造的四则运算跷跷板、人体脊柱模型、恐龙模型和美国迪纳利峰模型。通过使用这些个性化的教具和学具，可以有效帮助学生理解和掌握学科知识，提高教学效果。

（3）3D打印融入教学活动：在综合性的STEM实践课程中，3D打印技术往往作为教学活动中使用的学习工具出现在课堂里面。按照教学活动的设计，学生们使用3D打印机制作模型，用以完成课堂实践项目。例如在英特尔的未来教育项目中，3D打印技术被用以支持桥梁工程的教学实践项目。学生以小组合作的形式设计桥梁模型并打印出来完成组装，通过承重测试检测桥梁结构的稳定性和安全性。在此实践项目中，3D打印技术起到了关键作用，它让数字模型实体化成为可能，保障教学活动的有效开展。

2.3D打印技术的学科应用

在国内外许多教育和教学案例中，3D打印技术已经被成功应用在了数学、地理、化学、物理等多个学科教学中，并且取得了良好的学科应用效果。

在数学学科教学中，3D打印技术被用于帮助学习者理解一些较为抽象的几何模型和数学概念[6]。3D打印技术能够将复杂的几何物体（如双曲型蜂窝模型）打印出实体模型供学生全方位观察学习，与传统的2D平面展示材料相比，具有更为直观、具体的展示效果。在地理学科的教学中，借助3D打印技术可以制作3D地形图、火山模型等课堂展示材料，除了可以供学生直接接触和观察，教师还可以组织学生对模型进行上色，通过实践动手操作，巩固学生对特殊地质结构的知识掌握[7]。在化学学科中，3D打印技术具有广泛的用途。化学老师在课堂中引导学生使用3D建模软件创建六氟化硫（SF6）的分子模型，学生根据分子模型的键长和键角等参数进行精确建模，并使用3D打印机打印出实体模型用于课堂学习和观察[8]。在此实践过程中，学生对分子的空间构型和立体结构有了深入、直观的了解和认识，同时也激发了探索新知识的兴趣和学习动机。除了用于化学模型的展示，3D打印技术还可以帮助老师和学生改良化学实验设备，改善化学实验的效果。在物理教学中，3D打印技术常常被用于优化物理实验的设计思路。例如通过3D建模和3D打印制作达芬奇永动机的实体模型，设计相关的探究实验，让学生自主探究能量守恒、摩擦力等章节的物理知识，激发学习兴趣，引导学生思考物理规律，提升物理学科的实验教学效果[9]。

四、教学案例设计与应用

中学物理课程是我国基础教育中非常重要的一门学科，对培养学生的科学素养、探究能力、创新精神具有重要的作用。物理教学中强调探究实践的重要性，提倡让学生在实践操作中理解事物的本质和规律，掌握学科知识。本研究的开展以高中物理课程中的力学知识为主题，应用STEM教育理论，设计基于3D打印技术的高中物理教学活动，分析3D打印技术在高中物理学科教学中的应用效果，探究这一新型课程对促进学生深度学习和提高学习体验的程度。

1.教学设计

本次课程的教学设计由课上和课后两部分组成，包括五个教学环节：课程导入、基础知识讲解、案例介绍与案例分析、实践项目设计和项目实现，详见图2所示。具体的教学活动设计和教学内容如下描述。

课程导入：在此环节，老师以一段案例视频作为课程导入的教学材料，吸引学生的学习兴趣，然后介绍课程主题和知识纲要，帮助学生初步了解课程内容。

基础知识讲解：在此环节，老师围绕物理学科中的力学与受力分析等知识点，介绍力学原理、物体受力分析的方法、受力分析的步骤与受力分析图示的要素等基础知识，让学生掌握受力分析的知识技能。

案例介绍和案例分析：在此环节，老师在力学知识的基础上，引入桥梁工程的内容，结合梁桥、拱桥、吊桥的结构特点，引导学生使用受力分析的知识技能分析不同桥梁的受力与承重方式。由此引发学生思考不同结构的桥梁所具有的承重效果。然后结合赵州桥、青马大桥等具体的案例讲解力学原理在桥梁建筑中的应用。

实践项目设计：在此环节，老师组织学生使用课堂所学的力学知识和桥梁工程基础原理，设计一座稳固的桥梁，并借助3D建模软件制作数字模型。

项目实现：此环节在课后开展，学生在课堂中完成桥梁模型的设计，利用课后的时间操作3D打印机打印出设计桥梁的实体模型，并与老师和同学分享。

2.高中物理课程教学实践

本研究以上海市H中学高中一年级为实验班级开展教学实践活动。该班级总共有学生23人，男女生人数比例约为1:2。本次具备了3D建模和使用3D打印机的能力，为教学设计的有效开展提供了有力的保障。图3所示为项目实现环教学实践开展前，该班级的学生已经节中，学生使用3D打印机制作的拱桥模型。

3.教学效果分析

课程结束后，为了解3D打印技术在物理教学中的应用效果和学生的学习体验，我们对全班同学进行了问卷调查和访谈。调查问卷的题目主要由教学知识掌握程度、课程学习体验、3D打印技术的使用态度、课程评价等四大维度构成。调查问卷题目的形式包括程度选择题、多项选择题、简答题。本次问卷调查共发放问卷23份，回收问卷23份，有效问卷23份，回收率为100%，有效率为100%。

根据调查问卷的反馈结果和访谈记录，我们发现绝大部分的学生对实验课程所授知识掌握良好。接近80%的学生认为在课堂中引入3D建模和3D打印的环节能够有效激发自己的学习兴趣，提高课堂参与度。关于在课程中引入3D打印技术的优势，学生的反馈主要集中在创新能力的培养、课堂趣味性的提升、丰富课堂教学工具、促进师生与生生之间的交流等方面。

研究结果表明在高中物理课程中使用3D打印技术可以促进学生对课程知识的理解和掌握，同时也能够帮助学生学习和巩固3D建模与3D打印的相关技能，提高学生的综合素质。3D打印技术可以帮助教师和学生更好地开展物理探究实践活动，在一定程度上提高学生的创新能力、实践能力和课堂的参与度。另一方面，良好的学习环境、学习活动和学习工具对激发和维持学生的学习兴趣具有重要的作用，因此需要不断地提升和完善相关的教学设计和教学资源，为学生提供更优质的学习体验，提升教学效果。

五、结束语

中学物理课程作为一门实践性、探究性的自然学科，对学生创新精神和实践能力的培养具有举足轻重的作用。3D打印技术在物理学科中的使用，能够为传统的教学内容和教学方法提供新颖的设计思路，提高课程活动的实践性与探究性，体现物理课程的教学培养目标。随着3D打印技术的不断成熟与发展，在使用成本不断下降的同时，其功能性、安全性、适用性也在不断提高，这为在课堂教学中推广使用3D打印技术创造了无限契机，相信在不久的将来，3D打印技术与教育教学活动的深度融合又将迈上更高的台阶。

[1]李小丽,马剑雄,李萍,等.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表,2014,35(1):1-5.

[2]中国机械工程学会.3D打印打印未来[M].北京：中国科学技术出版社,2013.

[3]李青,王青.3D打印：一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志,2013(4):29-35.

[4]利普森,库曼.3D打印：从想象到现实[M].北京：中信出版社,2013.

[5]郑贤.基于STEAM的小学《3D打印》课程设计与教学实践研究[J].中国电化教育,2016(8):82-86.

[6]Bachman D.Visualizing mathematics with 3D printing[J].Journal of Mathematics and the Arts,2016:1-3.

[7]车云.3D打印在地理教学中的应用[J].中学地理教学参考,2015(13):50-51.

[8]陆晨刚.3D打印技术在化学教具制作与教学中的尝试[J].化学教学,2016(9):25-27.

[9]李刚,侯恕.3D打印技术:中学物理实验教学优化新思路[J].物理教师,2015,36(12):65-68.

（编辑：郭桂真）

G434

：A

：1673-8454（2017）18-0024-04

2016年度上海市教育科学研究项目“基于3D打印的中学物理实验教学研究”（C160079）；上海市科委科技攻关重大项目“上海数字化教育装备工程技术研究中心能力提升项目”（17DZ2281800）。