基于3D打印的高中物理课程资源的开发与实践

夏煜明 王俊民

摘   要：文章简要阐述了“STEM+创客教育”与高中物理教学融合的缘由，通过文献分析与教学实践，提出了高中物理3D实验项目设计的策略和教学方法，并结合师生共同设计和开发“3D过山车模型”教具的案例，简要阐述了如何设计、开发3D物理课程资源，探讨了开发中遇到的问题和解决方法。希望可以抛砖引玉，引起更多的研究者关注并加入到3D物理课程资源开发与设计的研究中。

关键词：3D打印;物理模型;3D物理教具

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）2-0065-5

1    研究背景及意义

当前，在发展学生核心素养的国际环境下，STEM教育和创客教育均受到了广泛关注。由于两者具有较多的共性，逐渐被结合研究。在国内外，研究者都开展了大量的教学理论和实践研究，形成了丰富的研究成果。国内外的3D打印与STEM教育、创客教育相关研究现状如下。

1.1    国外研究现状

一些发达国家和地区已开展了大量的3D打印与STEM项目研究和实践，比较典型的有英国3D打印教育试点工程、美国PLTW部分项目、Stratasys3D打印课程、日本DHM项目等，其中美国最为重视。通过大量的研究和实践，美国国际技术与工程教育学会于2014年提出了备受推崇的“6E设计型学习模式”[1]，即“参与—探索—解释—工程—深化—评价”。

国外研究还表明，融入3D打印的STEM教育项目主要具有如下特征[2]：

第一，3D打印作为新型学习工具融入设计、制作类课程;

第二，3D打印产品辅助教学，加深科学、工程核心概念的理解;

第三，紧密联系课程标准，训练21世纪技能。

通过STEM项目课程，学生获取了职业所需的批判性思维、创新能力以及合作意识，提升了就业竞争力。

1.2    国内研究现状

我国在《教育信息化“十三五”规划》的“主要任务”中也提出要在有条件的地方积极探索“STEM教育”“创客教育”。国内也有大量的研究者开展了许多有益的实践研究。这些研究主要分为以下几类：

一是基于STEM教育的教学模式和项目设计。例如，谢丽[1]等提出基于STEM教育、依循“6E教学模式”的物理教学设计。

二是基于3D技术的物理教学模式和实践研究。例如，王周华等[3]提出了基于3DsMax软件的3D物理模型设计思路和案例设计。

三是STEM教育和创客教育相融合的研究。例如首新等[2]对我国中小学融入3D打印的STEM教育项目提出了顶层框架规划与教学模式设计;王旭卿[4]提出了面向STEM教育的创客教育模式;刘繁华等[5]提出了“STEM+创客教育”的中小学“SM”教学模式，包括情境创设、主题概述等八个教学环节;郭威等[6]提出了基于3D打印的高中物理STEM课程教学设计环节，包括课程导入、实践项目设计等五个教学环节。

1.3    对国内外研究的述评

分析国内外的研究发现，已有大量研究者探索了STEM教育与学科教学相融合的教学模式和教学实践。但是，现有研究主要是跨学科课程、资源与实物创造的简单组合，对开展基于“STEM+創客教育”促进学生物理核心素养发展的研究还较少，利用3D打印开发与设计高中物理教具的研究项目不多。因而，我们尝试将“STEM+创客教育”与高中物理实验教学相融合，尝试师生共同开发与设计高中物理教具，促进学生物理核心素养的发展。

2    高中物理3D项目的开发与设计策略

通过研究发现，利用3D软件设计物理模型，然后用3D打印机打印物理实物模型，再用3D实物模型进行实验探究，这样的物理实验项目，可以激发学生学习物理的兴趣，帮助学生更容易地理解物理观念和规律的过程。研究还发现，3D物理实验项目对发展学生的科学思维和科学探究[7]能力有一定促进作用，尤其是通过师生共同开发与设计3D物理教具可以促进学生“科学思维”中的模型建构、质疑创新等素养的发展，通过3D打印体验和实验探究可以促进学生“科学探究”中的问题、证据等素养的发展。通过大量的文献和实践研究，并且参考了杨珍珂、贾伟尧的“6E设计型学习模式”的学习阶段划分说明[8]（如图1），我们提出了高中物理的3D实验项目设计的流程（如图2）。

通过进一步研究和开展3D物理实验探究活动，我们提出了高中物理3D实验项目三步教学法：“选建模”“注建构”“重体验”（如图3）。

为了更加清楚地说明3D实验项目的教学策略，下面我们结合实例对高中物理3D实验项目三步教学法的教学策略进行阐述。

（1）“选建模”，就是教师要选择物理模型建构简单、类型多样的活动主题进行教学设计，开展建模体验活动。例如，开展3D打印体验圆周运动活动中，圆周运动的物理模型有“圆盘模型”“漏斗模型”“圆锥摆模型”“过山车模型”“绳模型”“杆模型”等，而其中“圆盘模型”“漏斗模型”“圆锥摆模型”“绳模型”“杆模型”这些模型建构相对来说比较简单，学生可以亲自设计和打印这些3D物理模型。而比较复杂的“过山车模型”则可以师生共同设计建构3D模型。

（2）“注建构”，就是注重培养学生的模型建构思维，就是在3D建模活动过程中，教师要合理引导或与学生共同开发3D物理模型。我们通过研究发现，3D物理模型的建构是3D建模探究项目的关键，同时也是融合物理核心素养“科学思维”中模型建构、质疑创新等要素的最佳过程。

例如，在开展3D打印体验圆周运动活动中，活动的第一步是把参加的学生分组，然后每组组长负责组织本小组成员搜集圆周运动这部分内容的某一个物理模型，并且还搜集关于3D设计与打印方面的相关资料。活动的第二步是请专业教师对学生进行3D软件设计的培训，对3D打印机的原理、操作等进行培训。各小组需要先建构物理模型，进行草图设计，设计出模型的相关参数。然后，再利用3D软件进行数字模型的设计。

在这一过程中，学生需要对物理模型进行反复研究、分析，在头脑中形成物理模型的空间结构和物体的运动过程等，这对于学生以后建构物理模型有很大帮助。同时，通过师生共同开发物理模型，可以促进教师的专业技能发展。

（3）“重体验”，就是教师要重视学生3D项目的体验与实验探究的体验过程，以此激发学生的学习兴趣，提升学生的综合素养。3D打印是最近几年比较热门的技术，并在最近几年快速进入到中小学，对于不少师生来说都属于新事物。因此，师生们对于3D打印这一过程具有极大的兴趣，特别是学生对于3D打印机直接打印出实物模型这一过程很感兴趣。因此，在这一过程中可以充分利用学生的好奇心，培养学生认真观察、思考问题的能力。

例如，在打印圆盘模型时，课题组组织学生进行了3D打印的体验，不少学生感觉3D打印很神奇，对物理的学习兴趣也提高了不少。此外，学生通过3D物理模型开展实验，通过合作探究观察、分析实验现象，得出实验结论。在这一过程之中，促进了学生物理核心素养的发展。

3   3D物理教具的开发实践

3.1    3D物理教具的选题

在物理教学中，我们往往会遇到一些关于生活实际方面的创新题型。研究发现，学生对于这部分题型在建立物理模型方面较为困难。比如，在研究圆周运动与能量关系这部分内容时，学生对于圆周运动中的临界条件、摩擦力變力做功等理解起来比较困难，如综合了能量关系的“过山车问题”。

如图4所示，一个小球（视为质点）从H=12 m高处，由静止开始沿光滑弯曲轨道AB进入半径R=4 m的竖直圆环内侧，且与圆环间的动摩擦因数处处相等，当到达圆环顶点C时，刚好对轨道压力为零;然后沿CB圆弧滑下，进入光滑弧形轨道BD，到达高度为h的D点时速度为零，则h的值可能为多少？

A.10 m    B.9.5 m    C.8.5 m    D.8 m

正确答案是B和C选项，解决该题需要用到最高点的临界条件，还有左右摩擦力做功不等以及动能定理，初遇时学生理解起来较为困难。

因此，我们希望通过建构过山车的3D模型，授课时让学生能直观地观察，体验、探究物体在过山车模型中的实际运动，以此帮助学生建构模型、简化思维。

3.2    3D物理教具的设计原理和方法

3D物理教具将用到3D打印技术的原理，主要是通过3Dsmax等软件将物理模型设计为3D模型，然后通过3D打印机进行打印，生成3D模型。

3.3    3D物理教具的制作

（1）绘制模型草图

该教具的灵感来源于习题和教材上关于竖直圆周运动中的“无支撑”模型的临界问题。因此，我们与物理兴趣小组的学生在设计该教具时，搜集了资料书上关于过山车模型的相关题型，研究其图形（图5、图6为资料书上的过山车简化模型），并在此基础上绘制了模型草图。该过程有助于培养学生提出问题和猜想假设等科学探究能力。

（2）3D软件建模

绘制好模型草图后，我们与物理兴趣小组的学生用3Dsmax软件进行了初步的模型构建。该模型主要分为三部分，一是倾斜直轨道，二是竖直面内的大圆和小圆轨道，另外还有一个底座平台。在构建该教具的3D模型时，我们也遇到了一些困难。比如，设计轨道时，需要将轨道设计为带一定圆弧形的外高内低的凹槽轨道。另外，为了使小球能顺利通过这两个竖直圆形轨道，在设计两个圆轨道时需要将二者距离适当调开。这个设计起来比较困难，因此在设计过程中，我们请教了专业的平面设计师，然后经过多次修改，才初步达到预期效果。下面是3D软件上的效果图（如图7、图8）。该过程有助于培养学生的模型建构、质疑创新等能力。

（3）3D模型打印

由于我们所在学校的3D打印机能够打印的成品尺寸较小，而且只能打印ABS和PLA材料。因此，为了能够较好地展示过山车这个模型，并且能够顺利进行实验，我们在网上选择了一家专业的3D打印公司打印实物模型（如图9）。为了节省成本，我们选择的打印材料是“未来8000树脂材料”。这种材料打印精度较高，表面光滑，基本能满足实验要求。但是，若选用透明树脂，视觉效果和实验效果将更好。若学校的3D打印机能够直接打印这个实物模型，师生共同参与和体验3D打印这个过程，将有助于激发师生的研究热情，培养师生的创新、创造能力。

（4）3D物理教具的效果验证

我们通过该教具向学生展示了物体在竖直圆轨道上的运动，并研究了前文的“过山车问题”。开展实验时，请学生将小球从不同位置释放，小球在大圆和小圆的轨道最高点和最低点的速度不一样。若释放的位置较低，甚至会出现小球不能在大圆内做完整的圆周运动，或者在大圆内可以做完整的圆周运动而在小圆中不能做完整的圆周运动。研究还发现，即使小幅度改变释放位置的高度，都会很明显地影响小球第二次的圆周运动，这说明摩擦对物体的影响显著。该教具的实验演示效果十分明显，易于观察，稍作改进还可用于探究实验，如利用传感器测最高点和最低点的速度，或利用传感器测最高点和最低点的压力。该过程有助于培养师生的问题、证据、解释、交流、质疑创新等能力。

4    问题与讨论

通过共同开发3D物理教具，学生学习物理的兴趣高涨，物理实验动手能力和模型建构能力也得到明显提升。当然，我们在开发3D物理教具的过程中也遇到了很多问题。最大的问题就是在建构比较复杂的物理模型时，仅靠学生和老师不一定能够建构出比较理想的物理模型。因此，我们采取了与校外企业合作、共同开发的方式。事实上，我们的实验研究还有待改进，希望本文能够抛砖引玉，引起更多的研究者关注，并加入到3D物理课程资源的开发与设计中。

参考文献：

[1]谢丽，李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究与实践[J].物理教师，2017，38（4）：2-4.

[2]首新，胡卫平，刘斌.3D打印融入中小学STEM教育项目的设计与教学[J].基础教育，2017（4）：68-79.

[3]王周华，吴伟.3DsMax软件下的3D物理模型[J].物理通报，2016（8）：96-100.

[4]王旭卿.面向STEM教育的创客教育模式研究[J]. 中国电化教育，2015（8）：36-41.

[5]刘繁华，李克，肖名望，等.STEM+创客教育的中小学SM教学模式研究[J].中国电化教育，2018（10）：9-13.

[6]郭威，薛耀锋，杨金朋.基于3D打印的高中物理STEM课程设计与应用研究[J].中国教育信息化，2017（18）：24-27.

[7]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[8]杨珍珂，贾伟尧.基于STEAM教育理念的初中课程创新与案例设计[J].物理教学探讨，2018，36（3）：21-22.

（栏目编辑    张正严）