基于3D打印技术的高中通用技术项目化学习教学实践

◎ 霍江雷

项目化学习（Project-based Learning，简称“PBL”）是一种动态的学习方法。通用技术是一门联系科学规律和技术应用的课程。通过PBL 方式的学习，学生会主动探索现实世界的问题和挑战，在这个过程中加深对学科知识的理解，掌握一定的通用技术技能。本项目化教学实践的对象为高一年级的学生，需要具备一定的物理和通用技术等知识，解决真实生活情境中的问题。

（一）驱动型问题的产生

上海师范大学附属中学闵行分校开设STEM 选修课程“可替代能源的混合动力车”。学生通过确立项目实践目标、设计项目方案、开展项目实验、分析项目数据、项目课题的展示和反思五个教学环节，经历科学研究方法和体验课题研究过程，自主开展项目化课题研究，设计一个产品或模型，并进行小组课题的汇报和答辩。

在确立项目实践目标的教学环节中，笔者使用了“头脑风暴”教学方法，请一组学生提出一个问题——佩戴近视眼镜的时候眼镜经常下滑从而带来不便，如何去解决？由此引发学生思考，教师再进行总结：现如今，佩戴近视眼镜的人数在不断增长，他们所戴的眼镜经常不经意间下滑，这一问题困扰了戴眼镜的人士。尤其到了夏天，脸上、鼻子上一出汗、出油，眼镜就会不停地下滑，需要用手调整眼镜位置。尤其是面对以下五种情况。

（1）部分近视的残疾人是否会因为手部原因，不方便调整下滑的眼镜。

（2）眼镜常下滑会对部分幼龄近视儿童带来不便，且长时间佩戴下滑的眼镜还会影响儿童视力矫正。

（3）在户外工作或者是特殊场合的人们是否会因出汗导致眼镜下滑，而双手因工作原因不便推眼镜而影响视物，感到困扰。

（4）疫情期间，人们是否会因为担心用手直接接触其他物体，而沾上细菌，不便用手接触下滑的眼镜。

（5）公交车司机因单手操作会违规而不便手扶眼镜等。

驱动性问题的产生源于学生经历的真实生活情境。教师要引导学生分析这一现象产生的背景，说明研究的问题具有一定的普遍性，由此及彼产生联想，明确解决问题的意义，提出解决方案，并动手实践，激发学生探索解决问题的兴趣。

（二）确定项目化学习主题

学生通过调查发现：最早流行的眼镜防滑套是研制给幼童戴的，首先，适用范围不广；
其次，耳朵佩戴感很不舒服、不美观；
最后，市面上卖的眼镜鼻垫，其原理是增高鼻梁，然而增加了鼻子的负担，且容易被汗液浸蚀变黄、戴不了多久就要更换。调查还发现，现在有些眼镜店也有采集面部数据，制作个性化的、符合个人需求的鼻托。

因此，笔者指导学生提出“增加眼镜鼻托摩擦力的实验研究”这一项目化主题进行研究，通过寻找一种来源于生活中的防滑材料，增大眼镜鼻托的摩擦力，这是本项目需要解决的核心问题。

通过制定增大眼镜鼻托摩擦力项目学习目标以及整个学习的过程，培养学生的创新设计能力。学生学习了高中物理摩擦力的知识，知道增大摩擦力的方法是通过增大压力或者增大接触面的摩擦力，从而明确项目化学习目标如下。

（1）设计调查问卷，调查周围近视群体对防止眼镜下滑的需求，明确项目化学习的方向。

（2）查阅文献资料，获取不同防滑材料的信息。

（3）通过控制变量法，运用DIS 实验工具测得不同防滑材料的摩擦力，记录实验数据，以便分析总结。

（4）使用3D 打印技术打印带横纹的和不带横纹光滑的鼻托模型，与普通眼镜鼻托比较防滑效果，测出摩擦力数据，总结实验结果。

（5）根据实验结果，分析实验数据，撰写项目化学习的研究报告。分析不同材料的防滑能力，根据鼻托防滑的实际情况分析优缺点，进行总结并提出改进措施。

学生明确项目化学习目标后，在教师指导下，小组成员制定课题研究项目的任务清单（见表1），可以使学生明确课题研究的流程，提高合作效率。

表1 任务清单

（一）问卷调查的实施

通过问卷星结合研究目的设计问题，调查不同年龄段的近视人群，是否普遍存在眼镜下滑的困扰，调查人们对防止眼镜下滑的需求。

参与问卷调查的人数为123 人，其中有效问卷为123 份，由于学生的时间有限，调查问卷的样本数量较少，但也具有一定的代表性。

（二）问卷的基本分析

学生设计的问卷主要内容是：了解戴眼镜者是否有眼镜经常下滑而带来不便的困扰，分析造成眼镜下滑的主要原因，了解戴眼镜者是否调节过鼻托处、是否想拥有一个防滑神器等。

参与调查者中有88.25%的戴眼镜者，有时常下滑这一困扰。由此从普通人群联想到一些特殊人群同样也存在这种困扰，例如，缺少上肢的戴眼镜群体，疫情期间在污染环境工作的医生等特殊场合戴眼镜的群体，他们更加感同身受。其中大部分答问卷者并没有选择去专门调节鼻托，这从侧面体现了增加眼镜鼻托摩擦力的重要性和实用性。大多数人想拥有一个防滑神器。

因此，笔者指导学生找到一种方法，目的是增加眼镜鼻托的摩擦力。眼镜下滑的原因各式各样，除鼻梁较低这一不可控因素，出汗出油、眼镜自重及妆容等都可作为研究如何增加眼镜摩擦力的方向。

（三）动手实践

动手实践的过程培养了学生通用技术的工程思维，使用3D 打印技术制作模型培养了学生的技术意识和物化能力，数据处理的过程培养了学生的图样表达能力。

1.初步实验

笔者指导学生利用3D 技术打印了眼镜鼻托模型与几种日常防滑的材料，进行摩擦力实验比较，探究增加眼镜鼻托摩擦力的方法。

实验器材有DIS 摩擦力测力计、计算机、数据采集器等（见图1）。笔者指导学生选择了口红眉毛雨衣（一种增加摩擦力的透明液体）、液体创口贴、聚乙烯塑料粒子三种材料以及3D 打印光滑的眼镜鼻托（见图2）、横纹眼镜鼻托（见图3）和眼镜模型（见图4）。光滑的眼镜鼻托通过涂抹口红眉毛雨衣和液体创口贴，分别制成涂抹液体创口贴的鼻托（见图5左侧）和涂抹口红眉毛雨衣的鼻托（见图5右侧）。眼镜模型用于粘贴聚乙烯塑料粒子制成聚乙烯塑料粒子鼻托眼镜（见图6）。接着对涂抹口红眉毛雨衣的鼻托、涂抹液体创口贴的鼻托、聚乙烯塑料粒子鼻托和3D 打印横纹鼻托的摩擦力进行测试和数据分析。

图1 DIS 摩擦力测力计

图2 3D 打印光滑的眼镜鼻托

图3 3D 打印横纹眼镜鼻托

图4 眼镜模型

图5 涂抹液体创口贴和口红眉毛雨衣的眼镜鼻托

图6 聚乙烯塑料粒子鼻托眼镜

（1）记录实验数据

指导学生使用DIS 摩擦力测力计测量不同材料的鼻托和鼻子间的摩擦力，进行了5 组实验，每组测量5 次取平均值进行比较，并记录实验数据（见表2）。

通过表2测试数据可知，3D 打印横纹鼻托增大鼻托摩擦力的效果最佳。

表2 DIS 测力计测摩擦力实验数据 单位：N

（2）不同材料的鼻托佩戴影响因素比较

考虑到除鼻托摩擦力影响之外，佩戴不同材料的鼻托的舒适性、便利性等可能也是佩戴者会考虑的因素之一，因此指导学生对所选择的材料从佩戴舒适度、佩戴耗时（便利性）、耐水性、重量和气味5 个因素进行了分析比较，评价结果见表3。

由表3可知，舒适度、耗时（便利性）和气味是5 个影响因素中的关键因素。在舒适度方面聚乙烯塑料粒子鼻托和液体创口贴鼻托相比较而言都不理想；
在耗时（便利性）方面除3D 打印横纹鼻托之外，其他三种都需要一定的准备时间；
在气味方面，除液体创口贴有较大气味之外，其他三款都无气味。在这4 种不同材料鼻托中，5 个方面都兼顾的是3D 打印横纹鼻托。使用3D 打印技术可以打印出符合要求的眼镜鼻托，满足了人们的个性化定制需求。

表3 不同材料的鼻托佩戴影响因素比较

然而，仅通过一次实验比较就得出3D 打印横纹鼻托增大摩擦力效果最佳显然不够，笔者指导学生进一步查找资料，寻找市面上正在销售的防滑材料，进行新的比较实验。

2.筛选实验

笔者指导学生调查研究，发现海绵和硅胶两种防滑材料是市场上正在销售的防滑材料，轻巧简单，防滑的效果也都很好，因此也有做对比实验的价值。

同时，笔者指导学生运用3D 打印技术打印横纹鼻托与海绵鼻托和硅胶鼻托做实验比较，一方面能够证明它们的真实效果；
另一方面用它们与3D 打印横纹鼻托进行对比试验，判断3D 打印横纹鼻托是否还具有优势，同时学习3D 打印技术。

（1）3D 打印鼻托的准备

首先，学生运用Solid Work 三维建模软件建立眼镜鼻托的三维模型，鼻梁与眼镜鼻托贴合处的轮廓数据见表4。

表4 鼻梁与眼镜鼻托贴合处的轮廓数据

① 通过鼻梁数据建立鼻梁的三维模型如图7所示。

图7 鼻梁三维模型

② 在原有的鼻梁处，绘出贴合鼻梁的眼镜鼻托，两者组合的三维模型如图8所示。

图8 组合三维模型

③ 单独分离出眼镜鼻托三维模型如图9所示。

图9 眼镜鼻托三维模型

④ 眼镜鼻托的多侧面视图如图10所示。

图10 眼镜鼻托的多侧面视图

在完成三维模型后，学生利用树脂材料打印出横纹鼻托实物，然后使用打印出的3D 横纹鼻托与新增实验材料进行对比。

（2）新增实验材料

新增实验材料有海绵鼻托和硅胶鼻托分别如图11和图12所示。

图11 海绵鼻托

图12 硅胶鼻托

（3）实验数据的统计分析

笔者指导学生模拟了无汗和有汗两种情景，对海绵鼻托、硅胶鼻托和3D 打印横纹鼻托与普通眼镜鼻托进行摩擦力测试实验，并对测量得到的数据进行统计分析和比较，实验数据见表5。

由表5可知，硅胶是一种比较适合做眼镜鼻托的材料，同时如果能结合3D 打印设计出不同的波纹结构，如实验用的横纹结构，能增加耐摩擦力，防止眼镜下滑。

表5 海绵鼻托、硅胶鼻托和3D 打印横纹鼻托与普通眼镜鼻托进行摩擦力实验比较 单位：N

（一）研究结论

1.材料应用方面

不管是在无汗还是在有汗条件下，硅胶鼻托的防滑效果都是最好的。透明的硅胶材料不影响美观，易拆卸可替换，有效地解决了眼镜下滑的困扰。

2.技术方面

结合3D 打印技术，在硅胶鼻托上打印不同的波纹结构，增加防滑摩擦力，也可实现个性化定制的目的，以满足不同人群的个性化需求。

（二）教学反思

学生通过项目化的学习过程，加深了对摩擦力知识的理解，能够使用3D 打印的方法个性化定制眼镜鼻托，并增加摩擦力，满足人们个性化的需求，掌握了创新设计方法；
通过使用DIS 测力计测量眼镜鼻托的摩擦力变化，具有一定的技术意识；
使用合理的图示表达数据变化，具有一定的图样表达能力；
使用3D 打印技术打印了不同结构的眼镜鼻托，具有一定的物化能力；
在项目化的学习过程中学生的工程思维也得到培养。

增加眼镜鼻托摩擦力的实验研究源于学生日常生活中的真实生活情境，课题的切入口较小，且有高中摩擦力的前序知识支撑，能够激发学生的学习兴趣。学生的研究成果在市级科创类比赛中也获得了优异成绩。但是本项目化学习过程中，参与学生人数相对较少，需要总结经验，在更大范围内推广实施。