◎ 霍江雷

一、項目化學(xué)習(xí)的背景與主題

項目化學(xué)習(xí)（Project-based Learning，簡稱“PBL”）是一種動態(tài)的學(xué)習(xí)方法。通用技術(shù)是一門聯(lián)系科學(xué)規(guī)律和技術(shù)應(yīng)用的課程。通過PBL 方式的學(xué)習(xí)，學(xué)生會主動探索現(xiàn)實世界的問題和挑戰(zhàn)，在這個過程中加深對學(xué)科知識的理解，掌握一定的通用技術(shù)技能。本項目化教學(xué)實踐的對象為高一年級的學(xué)生，需要具備一定的物理和通用技術(shù)等知識，解決真實生活情境中的問題。

（一）驅(qū)動型問題的產(chǎn)生

上海師范大學(xué)附屬中學(xué)閔行分校開設(shè)STEM 選修課程“可替代能源的混合動力車”。學(xué)生通過確立項目實踐目標(biāo)、設(shè)計項目方案、開展項目實驗、分析項目數(shù)據(jù)、項目課題的展示和反思五個教學(xué)環(huán)節(jié)，經(jīng)歷科學(xué)研究方法和體驗課題研究過程，自主開展項目化課題研究，設(shè)計一個產(chǎn)品或模型，并進(jìn)行小組課題的匯報和答辯。

在確立項目實踐目標(biāo)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，筆者使用了“頭腦風(fēng)暴”教學(xué)方法，請一組學(xué)生提出一個問題——佩戴近視眼鏡的時候眼鏡經(jīng)常下滑從而帶來不便，如何去解決？由此引發(fā)學(xué)生思考，教師再進(jìn)行總結(jié)：現(xiàn)如今，佩戴近視眼鏡的人數(shù)在不斷增長，他們所戴的眼鏡經(jīng)常不經(jīng)意間下滑，這一問題困擾了戴眼鏡的人士。尤其到了夏天，臉上、鼻子上一出汗、出油，眼鏡就會不停地下滑，需要用手調(diào)整眼鏡位置。尤其是面對以下五種情況。

（1）部分近視的殘疾人是否會因為手部原因，不方便調(diào)整下滑的眼鏡。

（2）眼鏡常下滑會對部分幼齡近視兒童帶來不便，且長時間佩戴下滑的眼鏡還會影響兒童視力矯正。

（3）在戶外工作或者是特殊場合的人們是否會因出汗導(dǎo)致眼鏡下滑，而雙手因工作原因不便推眼鏡而影響視物，感到困擾。

（4）疫情期間，人們是否會因為擔(dān)心用手直接接觸其他物體，而沾上細(xì)菌，不便用手接觸下滑的眼鏡。

（5）公交車司機(jī)因單手操作會違規(guī)而不便手扶眼鏡等。

驅(qū)動性問題的產(chǎn)生源于學(xué)生經(jīng)歷的真實生活情境。教師要引導(dǎo)學(xué)生分析這一現(xiàn)象產(chǎn)生的背景，說明研究的問題具有一定的普遍性，由此及彼產(chǎn)生聯(lián)想，明確解決問題的意義，提出解決方案，并動手實踐，激發(fā)學(xué)生探索解決問題的興趣。

（二）確定項目化學(xué)習(xí)主題

學(xué)生通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：最早流行的眼鏡防滑套是研制給幼童戴的，首先，適用范圍不廣；其次，耳朵佩戴感很不舒服、不美觀；最后，市面上賣的眼鏡鼻墊，其原理是增高鼻梁，然而增加了鼻子的負(fù)擔(dān)，且容易被汗液浸蝕變黃、戴不了多久就要更換。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在有些眼鏡店也有采集面部數(shù)據(jù)，制作個性化的、符合個人需求的鼻托。

因此，筆者指導(dǎo)學(xué)生提出“增加眼鏡鼻托摩擦力的實驗研究”這一項目化主題進(jìn)行研究，通過尋找一種來源于生活中的防滑材料，增大眼鏡鼻托的摩擦力，這是本項目需要解決的核心問題。

二、明確項目化學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過制定增大眼鏡鼻托摩擦力項目學(xué)習(xí)目標(biāo)以及整個學(xué)習(xí)的過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力。學(xué)生學(xué)習(xí)了高中物理摩擦力的知識，知道增大摩擦力的方法是通過增大壓力或者增大接觸面的摩擦力，從而明確項目化學(xué)習(xí)目標(biāo)如下。

（1）設(shè)計調(diào)查問卷，調(diào)查周圍近視群體對防止眼鏡下滑的需求，明確項目化學(xué)習(xí)的方向。

（2）查閱文獻(xiàn)資料，獲取不同防滑材料的信息。

（3）通過控制變量法，運用DIS 實驗工具測得不同防滑材料的摩擦力，記錄實驗數(shù)據(jù)，以便分析總結(jié)。

（4）使用3D 打印技術(shù)打印帶橫紋的和不帶橫紋光滑的鼻托模型，與普通眼鏡鼻托比較防滑效果，測出摩擦力數(shù)據(jù)，總結(jié)實驗結(jié)果。

（5）根據(jù)實驗結(jié)果，分析實驗數(shù)據(jù)，撰寫項目化學(xué)習(xí)的研究報告。分析不同材料的防滑能力，根據(jù)鼻托防滑的實際情況分析優(yōu)缺點，進(jìn)行總結(jié)并提出改進(jìn)措施。

學(xué)生明確項目化學(xué)習(xí)目標(biāo)后，在教師指導(dǎo)下，小組成員制定課題研究項目的任務(wù)清單（見表1），可以使學(xué)生明確課題研究的流程，提高合作效率。

表1 任務(wù)清單

三、項目化學(xué)習(xí)實踐過程

（一）問卷調(diào)查的實施

通過問卷星結(jié)合研究目的設(shè)計問題，調(diào)查不同年齡段的近視人群，是否普遍存在眼鏡下滑的困擾，調(diào)查人們對防止眼鏡下滑的需求。

參與問卷調(diào)查的人數(shù)為123 人，其中有效問卷為123 份，由于學(xué)生的時間有限，調(diào)查問卷的樣本數(shù)量較少，但也具有一定的代表性。

（二）問卷的基本分析

學(xué)生設(shè)計的問卷主要內(nèi)容是：了解戴眼鏡者是否有眼鏡經(jīng)常下滑而帶來不便的困擾，分析造成眼鏡下滑的主要原因，了解戴眼鏡者是否調(diào)節(jié)過鼻托處、是否想擁有一個防滑神器等。

參與調(diào)查者中有88.25%的戴眼鏡者，有時常下滑這一困擾。由此從普通人群聯(lián)想到一些特殊人群同樣也存在這種困擾，例如，缺少上肢的戴眼鏡群體，疫情期間在污染環(huán)境工作的醫(yī)生等特殊場合戴眼鏡的群體，他們更加感同身受。其中大部分答問卷者并沒有選擇去專門調(diào)節(jié)鼻托，這從側(cè)面體現(xiàn)了增加眼鏡鼻托摩擦力的重要性和實用性。大多數(shù)人想擁有一個防滑神器。

因此，筆者指導(dǎo)學(xué)生找到一種方法，目的是增加眼鏡鼻托的摩擦力。眼鏡下滑的原因各式各樣，除鼻梁較低這一不可控因素，出汗出油、眼鏡自重及妝容等都可作為研究如何增加眼鏡摩擦力的方向。

（三）動手實踐

動手實踐的過程培養(yǎng)了學(xué)生通用技術(shù)的工程思維，使用3D 打印技術(shù)制作模型培養(yǎng)了學(xué)生的技術(shù)意識和物化能力，數(shù)據(jù)處理的過程培養(yǎng)了學(xué)生的圖樣表達(dá)能力。

1.初步實驗

筆者指導(dǎo)學(xué)生利用3D 技術(shù)打印了眼鏡鼻托模型與幾種日常防滑的材料，進(jìn)行摩擦力實驗比較，探究增加眼鏡鼻托摩擦力的方法。

實驗器材有DIS 摩擦力測力計、計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器等（見圖1）。筆者指導(dǎo)學(xué)生選擇了口紅眉毛雨衣（一種增加摩擦力的透明液體）、液體創(chuàng)口貼、聚乙烯塑料粒子三種材料以及3D 打印光滑的眼鏡鼻托（見圖2）、橫紋眼鏡鼻托（見圖3）和眼鏡模型（見圖4）。光滑的眼鏡鼻托通過涂抹口紅眉毛雨衣和液體創(chuàng)口貼，分別制成涂抹液體創(chuàng)口貼的鼻托（見圖5左側(cè)）和涂抹口紅眉毛雨衣的鼻托（見圖5右側(cè)）。眼鏡模型用于粘貼聚乙烯塑料粒子制成聚乙烯塑料粒子鼻托眼鏡（見圖6）。接著對涂抹口紅眉毛雨衣的鼻托、涂抹液體創(chuàng)口貼的鼻托、聚乙烯塑料粒子鼻托和3D 打印橫紋鼻托的摩擦力進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)分析。

圖1 DIS 摩擦力測力計

圖2 3D 打印光滑的眼鏡鼻托

圖3 3D 打印橫紋眼鏡鼻托

圖4 眼鏡模型

圖5 涂抹液體創(chuàng)口貼和口紅眉毛雨衣的眼鏡鼻托

圖6 聚乙烯塑料粒子鼻托眼鏡

（1）記錄實驗數(shù)據(jù)

指導(dǎo)學(xué)生使用DIS 摩擦力測力計測量不同材料的鼻托和鼻子間的摩擦力，進(jìn)行了5 組實驗，每組測量5 次取平均值進(jìn)行比較，并記錄實驗數(shù)據(jù)（見表2）。

通過表2測試數(shù)據(jù)可知，3D 打印橫紋鼻托增大鼻托摩擦力的效果最佳。

表2 DIS 測力計測摩擦力實驗數(shù)據(jù) 單位：N

（2）不同材料的鼻托佩戴影響因素比較

考慮到除鼻托摩擦力影響之外，佩戴不同材料的鼻托的舒適性、便利性等可能也是佩戴者會考慮的因素之一，因此指導(dǎo)學(xué)生對所選擇的材料從佩戴舒適度、佩戴耗時（便利性）、耐水性、重量和氣味5 個因素進(jìn)行了分析比較，評價結(jié)果見表3。

由表3可知，舒適度、耗時（便利性）和氣味是5 個影響因素中的關(guān)鍵因素。在舒適度方面聚乙烯塑料粒子鼻托和液體創(chuàng)口貼鼻托相比較而言都不理想；在耗時（便利性）方面除3D 打印橫紋鼻托之外，其他三種都需要一定的準(zhǔn)備時間；在氣味方面，除液體創(chuàng)口貼有較大氣味之外，其他三款都無氣味。在這4 種不同材料鼻托中，5 個方面都兼顧的是3D 打印橫紋鼻托。使用3D 打印技術(shù)可以打印出符合要求的眼鏡鼻托，滿足了人們的個性化定制需求。

表3 不同材料的鼻托佩戴影響因素比較

然而，僅通過一次實驗比較就得出3D 打印橫紋鼻托增大摩擦力效果最佳顯然不夠，筆者指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步查找資料，尋找市面上正在銷售的防滑材料，進(jìn)行新的比較實驗。

2.篩選實驗

筆者指導(dǎo)學(xué)生調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)海綿和硅膠兩種防滑材料是市場上正在銷售的防滑材料，輕巧簡單，防滑的效果也都很好，因此也有做對比實驗的價值。

同時，筆者指導(dǎo)學(xué)生運用3D 打印技術(shù)打印橫紋鼻托與海綿鼻托和硅膠鼻托做實驗比較，一方面能夠證明它們的真實效果；另一方面用它們與3D 打印橫紋鼻托進(jìn)行對比試驗，判斷3D 打印橫紋鼻托是否還具有優(yōu)勢，同時學(xué)習(xí)3D 打印技術(shù)。

（1）3D 打印鼻托的準(zhǔn)備

首先，學(xué)生運用Solid Work 三維建模軟件建立眼鏡鼻托的三維模型，鼻梁與眼鏡鼻托貼合處的輪廓數(shù)據(jù)見表4。

表4 鼻梁與眼鏡鼻托貼合處的輪廓數(shù)據(jù)

① 通過鼻梁數(shù)據(jù)建立鼻梁的三維模型如圖7所示。

圖7 鼻梁三維模型

② 在原有的鼻梁處，繪出貼合鼻梁的眼鏡鼻托，兩者組合的三維模型如圖8所示。

圖8 組合三維模型

③ 單獨分離出眼鏡鼻托三維模型如圖9所示。

圖9 眼鏡鼻托三維模型

④ 眼鏡鼻托的多側(cè)面視圖如圖10所示。

圖10 眼鏡鼻托的多側(cè)面視圖

在完成三維模型后，學(xué)生利用樹脂材料打印出橫紋鼻托實物，然后使用打印出的3D 橫紋鼻托與新增實驗材料進(jìn)行對比。

（2）新增實驗材料

新增實驗材料有海綿鼻托和硅膠鼻托分別如圖11和圖12所示。

圖11 海綿鼻托

圖12 硅膠鼻托

（3）實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

筆者指導(dǎo)學(xué)生模擬了無汗和有汗兩種情景，對海綿鼻托、硅膠鼻托和3D 打印橫紋鼻托與普通眼鏡鼻托進(jìn)行摩擦力測試實驗，并對測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和比較，實驗數(shù)據(jù)見表5。

由表5可知，硅膠是一種比較適合做眼鏡鼻托的材料，同時如果能結(jié)合3D 打印設(shè)計出不同的波紋結(jié)構(gòu)，如實驗用的橫紋結(jié)構(gòu)，能增加耐摩擦力，防止眼鏡下滑。

表5 海綿鼻托、硅膠鼻托和3D 打印橫紋鼻托與普通眼鏡鼻托進(jìn)行摩擦力實驗比較 單位：N

四、結(jié)論與反思

（一）研究結(jié)論

1.材料應(yīng)用方面

不管是在無汗還是在有汗條件下，硅膠鼻托的防滑效果都是最好的。透明的硅膠材料不影響美觀，易拆卸可替換，有效地解決了眼鏡下滑的困擾。

2.技術(shù)方面

結(jié)合3D 打印技術(shù)，在硅膠鼻托上打印不同的波紋結(jié)構(gòu)，增加防滑摩擦力，也可實現(xiàn)個性化定制的目的，以滿足不同人群的個性化需求。

（二）教學(xué)反思

學(xué)生通過項目化的學(xué)習(xí)過程，加深了對摩擦力知識的理解，能夠使用3D 打印的方法個性化定制眼鏡鼻托，并增加摩擦力，滿足人們個性化的需求，掌握了創(chuàng)新設(shè)計方法；通過使用DIS 測力計測量眼鏡鼻托的摩擦力變化，具有一定的技術(shù)意識；使用合理的圖示表達(dá)數(shù)據(jù)變化，具有一定的圖樣表達(dá)能力；使用3D 打印技術(shù)打印了不同結(jié)構(gòu)的眼鏡鼻托，具有一定的物化能力；在項目化的學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的工程思維也得到培養(yǎng)。

增加眼鏡鼻托摩擦力的實驗研究源于學(xué)生日常生活中的真實生活情境，課題的切入口較小，且有高中摩擦力的前序知識支撐，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生的研究成果在市級科創(chuàng)類比賽中也獲得了優(yōu)異成績。但是本項目化學(xué)習(xí)過程中，參與學(xué)生人數(shù)相對較少，需要總結(jié)經(jīng)驗，在更大范圍內(nèi)推廣實施。