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以 3D 打印技术为基础在物理教学中开展STEM教育

范文

徐川李晨曦周波

摘 ? 要：STEM 教育是科学、技术、工程、数学综合教育的简称，旨在培养学生跨学科运用知识进行创新实践的能力。一门好的STEM 教育课程必须具有综合性、创新性、工程性、探究性等性质。教师可利用 3D 打印的建模功能在物理教学中实施 STEM 教育，教会学生像工程师一样去思考问题。

关键词：STEM 教育;3D 打印技术;物理教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ?文章编号：1003-6148（2020）1-0070-3

1 ? ?3D 打印技术与物理学科教学的融合

教育部于 2016 年发布的《教育信息化“十三五”规划》明确提出，应将信息技术纳入跨学科教育模式当中去[1];在 2018 年印发的《2018 年教育信息化和网络安全工作要点》提出，开展利用现代信息技术构建新型教学组织模式的研究，探索信息技术在众创空间、跨学科学习（STEM 教育）、创客教育等教育教学新模式中的应用，逐步形成创新课程体系。由于物理与数学、科学、工程、技术等方面的联系十分紧密，因此便于找到切入点，发现项目[2]。在物理教学中往往离不开对实验道具的改进创新，对实验道具的开发创新往往需要构建一些实验室没有的道具，这时我们完全可以凭借 3D 打印技术，在道具的开发创新和实验探究过程中开展富有物理学科特色的STEM 教育。

Autodesk 123D Design3D 建模软件是一款易学、易用、功能齐全的软件，它能根据不同人的需求，建立起相应的模型器件。模型的建立过程对学生创新能力和数学分析能力的培养都具有极大的促进作用。通过 3D 打印机打印出实体模型后，需要将各模型器件进行组装，而组装过程对学生的动手能力也具有极大的促进作用。但是，3D 打印技术的缺点也是不可避免的，3D 打印技术制造出来的实体模型，本身很难完成探究性的活动，往往需要和其他测量仪器一起进行探究性的活动。但不可否认的是模型制造过程本身就具有 STEM教育的特点，实验更是对模型进行修正、改进的最好方式。

2 ? ?以 3D 打印技術为基础开展 STEM 教育的一般流程

图1、图2是经 3D 打印后组装好的实体图和通过开展STEM教育总结出来的一般步骤[3]。结合物理学科的特点，问题的提出基于物理教学中面临的问题，开放性的方案设计能促进学生创新能力的提升，培养学生交流合作的意识;三视图的描绘能培养学生运用数学解决实际问题的能力，对学生的空间想象力也有极大的促进作用;模型的建立、组装和改进能有效培养学生的动手能力、交流能力、反思能力和探究能力。这里需要说明一点，对模型的改进与修正也是在探究实践活动中进行的。如通过实验，对模型作品的性能进行改进与修正，让学生像工程师一样思考并解决问题。

3 ? ?以 3D 打印技术为基础在物理教学中开展 STEM 教育案例

3.1 ? ?物理习题课教学中的 STEM 教育

如图 3 所示，台秤的托盘上放一个装有水的平底烧杯，一个不吸水的木块用细线系在烧杯底浸没在水中，剪掉细线以后，木块上浮过程中台秤的示数如何变化？

相信很多老师都面临过这样的窘境，遇见模型过于抽象，学生理解起来很吃力时，都想把此问题以实验的形式展现在学生面前让学生去探究，然而物理问题的模型又不是那么好找。如上题，一般的烧杯好找，然而可以用来拴绳子的烧杯去哪里找？并且如何做到不影响整体实验环境的情况下剪掉细线？

基于这种情况，教师可参考以下基本步骤，提出问题后对学生合理分组，引导并鼓励学生相互讨论设计出新型杯子。然后，师生交流统一方案，再由学生单独绘制模型三视图，绘制完成后选出最好的模型组件图作为统一建模依据。接着，再对每小组成员做更细化的任务分工，协同建立并打印模型。老师在旁协助，最后找来台秤进行实验探究，对制造的模型进行改进，并同时得到图 3 所示问题的答案。模型的部分设计图与3D 模型图如图4、图5所示。

在此实验道具的设计中，烧杯底部和物块凸出的部位，就是用来套绳子的，实验时只需要用剪刀剪断绳子即可。整个过程对培养学生的创新能力、动手能力、探究能力等都有极大的促进作用。

3.2 ? ?物理新课教学中的 STEM 教育

在讲授新课“力的合成”时，三角形法则的抽象性往往让学生难以理解与运用，是否能设计一款器具，让学生在动手中更加形象地理解、掌握三角形法则呢？基于此，老师可提出此问题，引导学生按照以上步骤开展一次有意义的 STEM 教具设计课程。让学生设计一个三角形法则演示仪。

对于此演示仪器的设计，除了按照上面介绍的步骤以外，教师在让学生讨论设计方案之前，可提供必要的工程设计模型与制作方法，也可以提供必要的书籍让学生在阅读中增长有关机械设计的相关知识。这里需要强调合作分享的重要性，务必培养学生交流合作的意识。三角形法则演示仪模型的部分设计图与3D 模型图如图6、图7所示。

实验器具做成后，我们可以改变两主尺的角度，再通过尺子的刻度读出每一个力的大小，这样就能让学生在动手中体会三角形法则的魅力了。从此案例可以看出，教学中如果缺少与此有关的演示器材，我们完全可以通过 3D 打印技术，发明、制造我们所需的演示器材。

3.3 ? ?物理实验课教学中的STEM教育

在做探究小车速度随时间变化规律的实验时，很多学生在接住小车时出现失误，使得小车摔落到地上导致实验器材损坏。基于此，我们能否对实验室里的器材进行改进呢？

本次改进方案的核心要素是使小车很快减速停止但又不影响整个实验探究，由此我们想到的就是设计一个减速装置。怎么实现减速呢？不同的人会得出不同的答案。这里需要强调的是，在开展STEM教育时，务必尊重每一个学生的创新想法，没有唯一的方案，只有更好的方案。因此，在确定最终方案时，恰当、合理的讨论方式至关重要。减速器模型的部分设计图与3D 模型图如图8、图9所示。

从此装置的设计可以看出，当小车撞进减速器时，挡板会随着小车向减速器内部偏转，由于实验室中所用小车顶部具有释放砝码的小槽，加之挡板长度和小车高度之和大于减速器槽口高度，以至于一旦挡板滑进小车顶部的小槽后，就不允许小车向后运动，这样就能让小车停在减速器内部而不允许小车被弹出，从而就避免了小车摔落到地面上。如需取出小车，我们仅需竖直向上取下减速器即可。从此案例可以看出，我们同样可以通过 3D 打印技术对物理实验室中的器材进行改进，以达到更好的实验效果。

4 ? ?测评方案

对于以 3D 打印技术为基础在物理教学中开展STEM教育的测评可跟着基本步骤同步进行。

方案的设计：对于每个小组讨论后提供的方案，可根据其创新程度、实用程度、繁简程度等对每个小组打分，此步骤为现场打分;当然，最后老师和学生一起商讨出最优方案，以便教学能顺利进行。

工程图的绘制：对于每个学生绘制的工程图，可根据其规范程度、完成程度等对其打分，此阶段需要老师将学生作品收集起来在课后打分;最后由老师汇编出完整的工程图，并加以简单讲解，以使教学能顺利进行。

软件构建模型：对每个小组构建的模型，同样可根据完成程度、完成精度等对其打分，此举需要学生通过电脑将自己的作品传至主机，同样是老师在课后打分; 最后由老师提供完整的软件模型图。

模型产品的改进优化：学生用打印出的 3D 实体产品进行实验，提供改进方案，老师根据学生组装模型的完整程度、实验效果、改进方案等对其打分，其中组装模型的完整程度、实验效果为老师在上课时打分，优化方案需等学生交上纸质反思及改进措施后再打分。

综合以上各个阶段的成绩，对学生进行综合评价。

5 ? ?结 ?语

STEM 教育是一门综合性教育课程，旨在培养学生发现问题、分析问题、跨学科运用知识解决实际问题的能力[4]。一堂有效的 STEM 课程，应对学生的创新能力、交流合作能力、动手能力等有一定的促进作用。物理学科是一门以实验为基础的自然学科，其本身所具有的学科特点与 STEM 教育有非常多的共性。因此，努力在物理教学中开展 STEM 教育既是应该的，也是必要的。

STEM 教育应有合作共享的精神，因此在備课时应尽可能提供更多的机会让更多学生参与互动，老师也要时刻注意学生的活动，必要时给予学生应有的帮助，并且问题的设计不宜过高、过难，应设计出与学生能力相当的、通过探究能够完成的课程活动。

参考文献：

[1]王素.《2017 年中国 STEM 教育白皮书》解读[J].现代教育，2017（7）：4-7.

[2]陈志明.体现 STEM 理念的高中物理教学研究与实践[J].物理教学，2019，41（3）：6-8.

[3]李晨曦.以 3D 打印为基础的 STEM 教学活动探究[J].基础教育参考，2019（16）：37-39.

[4]戴浩，周智良.基于 STEM 教育理念的竖直平面圆周运动脱轨问题研究[J].物理教学探讨， 2018，36（8）：63-64.

（栏目编辑 ? ?张正严）

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