3D打印高中物理实验教学设计与实践效果
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作者:薛耀锋 轩明杰 陈丽娜 陈婷 张婧 郭威
与传统工业制造相比，3D打印无需拼接或者组装便可形成三维的物体，具有高效、便捷、灵活等优势，因此被广泛应用在工业、医疗、汽车制造、航空航天等领域。随着3D打印技术的逐渐成熟，3D打印逐渐被引入到教育领域，并展现出了巨大的潜力。3D打印不仅为教与学提供了新的媒体形式，丰富了教学内容，更有利于提高学习者的动手实践能力和创新能力。基于此，本研究将3D打印技术应用于高中物理实验课程的教学，设计了一系列教学案例并开展了教学实践，以探索3D打印技术在高中物理实验课程教学中的应用效果。
● 教学案例总体设计
实验作为贯穿物理课程的一种实践操作形式，在中学物理教学中占据着十分重要的地位。然而在目前的中学物理实验教学中，存在实验设备落后、实验方法陈旧、教学方法过于注重演示、学生参与感不强等诸多问题，3D打印技术的出现为中学物理实验课程的教学提供了新的思路与方向。为了促进3D打印在物理实验课程教学中的应用，本研究从高中物理教学的视角出发，以基于项目的学习理论与基于问题的学习理论为设计基础，参照STEM教育的5E教学理论，并结合高中物理的具体知识点，设计了包含“薄板重心”“能量转化”“声波3D模型”等内容的一系列实验教学案例。教学案例的总体设计如下图所示。
● 教学案例设计与实践
以能量转化拓展实验的教学设计为例，本研究在前期利用微视频向学生介绍3D建模软件的操作方法，在此基础上通过项目的方式开展基于3D打印的高中物理实验课程教学，将项目式学习、3D打印技术与物理实验相结合，以丰富高中物理实验课程的教学方法，促进学生对能量学知识的理解与掌握，从而在培养学生的物理学习兴趣的同时提升学生的动手实践能力。具体的教学环节和教学内容设计如下。
1.前端分析
（1）教学目标
知识与技能目标：了解能量、电动机以及风扇的基本物理知识和原理，能够利用三维建模软件设计和打印模型，并参照电路图连接电路，组装风扇模型。
过程与方法目标：通过教师讲授与自主学习了解能量转化以及风扇转动的基本原理，并通过小组协作进行风扇模型的设计、打印与组装，掌握3D建模与打印的基本方法。
情感态度与价值观目标：在进行项目学习的过程中，激发对物理实验的学习兴趣，并通过3D建模与打印模型的操作过程，培养抽象思维和动手实践的能力。
（2）教学内容
本节课的教学内容主要包括能量转化基本知识和原理的讲解、风扇模型的设计、3D打印模型以及连接电路组装模型四部分，教学内容由浅入深，循序渐进，旨在通过模型的设计与实践帮助学生更加深刻地理解和掌握能量转化相关的基本知识和原理。
（3）学习者特征
本课程的教学对象为高中的学生，在开展本节课教学之前，学生已经学习过电路等物理学科的基本知识，具备了一定的知识基础。此外，该阶段的学生抽象思维和动手实践能力都有了一定的发展，能够利用所学知识开展实验项目的设计与实践操作。
2.教学环节
（1）创设情境，引入项目
教师首先通过一段视频创设实验项目的情境，激发学生的学习兴趣和问题解决意识，并由此引入实验项目的主题和要求，即设计并打印风扇的3D模型，并利用教师发放的元件连接风扇的电路，使风扇能够正常转动。
（2）讲授新知，分析原理
教师围绕物理学科中能量转化的相关知识点，向学生介绍能量守恒定律、太阳能电池、电动机原理以及风扇的工作原理等内容，帮助学生了解能量转化的基本知识，为后续的实验项目设计打下基础。
（3）小组协作，实验探究
教师划分小组，并向学生发放项目的材料元件和学习任务单，学生通过讨论确定风扇模型的外形和大小以及电路的设计，确定小组分工，并在学习任务单上绘制风扇模型和电路的设计图，填写设计思路和需要的材料。
（4）设计制作，打印模型
学生根据小组讨论的结果进行风扇叶轮和支架3D模型的设计和打印，并参照电路设计图进行电路的连接和模型组装，形成小组作品，验证风扇模型的能量转化是否成功即风扇能否正常转动。
（5）成果展示，评价交流
各小组向其他小组展示本小组3D打印的成果，并简要汇报作品的设计思路、电路设计以及进行实验项目过程中的感悟。教师和其他小组依据教学评价表对汇报的小组进行评价，并对作品提出相应的改进意见和建议。
3.教學评价
采用过程性评价和总结性评价相结合的方法，教师依据学生在实验项目设计过程中的表现和学习任务单的完成度进行过程性评价，并根据小组最终的作品进行总结性的评价。
● 学习效果分析
为了了解3D打印在高中物理实验拓展课程教学中的应用效果以及学生在教学过程中的学习体验，在经过了一系列的实验课程案例教学后，本研究以上海市参与本实验课程教学的三所高中的学生为研究对象进行了问卷调查和访谈。调查主要从学习体验、学习兴趣、知识掌握程度以及对3D打印物理教学的态度等方面展开。本次调查共发放问卷150份，回收问卷150份，有效问卷150份，问卷回收率和有效率为100%。
在学习体验方面，根据问卷的结果分析发现，83.33%的学生都表示本次课程教学内容和活动设计与实施合理，因此学习体验很好，表示非常同意的占40%，表示同意的占29.33%，表示比较同意的占14%，表示一般的占16.67%。由此可以看出，在本次课程教学中，大多数学生都有了良好的学习体验，教学内容和活动的设计得到了学生的广泛认可。
在学习兴趣方面，参考问卷数据可知，很多学生都认为此实验课程能够帮助自己更好地理解和掌握所学的物理知识，从而增强自己对物理学科的学习兴趣。非常同意此观点的学生占37.33%，同意的学生为28%，表示比较同意的占14.67%，认为一般的占20%。因此可以得出，基于3D打印的物理实验课程教学可以有效地培养学生学习物理的热情与兴趣。
在知识掌握程度方面，大部分学生都认为利用3D打印技术设计并制作的物理模型不仅符合物理学科的原理，而且也适用于高中物理实验课程的教学，能够提高对物理知识的掌握程度，38.7%的学生表示非常同意，23.4%的学生表示同意，15.4%的学生表示比较同意，22.5%的学生表示一般。
在3D打印物理教学的态度方面，根据问卷数据可知，认为在物理实验课程中使用3D打印技术非常合理、受益良多的学生占到了79.4%，其中表示非常同意的学生占40%，表示同意的占28.7%，比较同意的占10.7%。从中可以发现，大多数学生都赞同在物理教学中加入3D打印技术。
此外，为了更深入地了解在基于3D打印技术的物理课程教学中学生的学习体验，本研究对参与该课程的部分学生进行了访谈。参与访谈的学生普遍认为，3D打印技术的融入使得自己在动手实践的过程中不仅体验到了设计与制作的乐趣，而且对物理知识有了更深刻的理解，从而能够将理论知识更好地应用到实际生活中。同时，学生也期待教师将3D打印技术与声学、光学、力学等更多的高中物理知识相结合设计更多的物理实验课程，并且给予学生更多的设计空间，以便更好地开展实验项目的设计与制作。
● 结语
中学物理实验教学注重实践探索，对提升学生的科学素养、培养创新实践能力具有重要的作用。3D打印技术的融入不仅能够激发学生对物理学科的学习兴趣，同时也为中学物理教学提供了更多的创造空间。随着3D打印技术的不断发展，其成本、材料、功能等也在不断改善，这为在课堂教学中使用3D打印技术提供了可能。但不可忽略的是，3D打印技术在教育中的应用也对教师和教学提出了更高的要求，要想充分发挥3D打印技术在教学中的优势，仍需要教师在学科教学中不断地探索与思考多样化的教学内容与方法，以便更好地让技术为教学所用，促进学生多层次、个性化的发展。
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