3D打印課程《搬運機器人策略物的設(shè)計與制作》教學(xué)實踐與反思

夏小剛

【摘 要】2014年12月，我校引進第一批3D打印機，開始3D打印教學(xué)實踐探索。在近一年的實踐探索中，通過查閱相關(guān)文獻、參加相關(guān)3D打印公開課活動，我們認為中小學(xué)3D打印教學(xué)還存在重設(shè)計輕結(jié)構(gòu)、重軟件設(shè)計輕實踐應(yīng)用、任務(wù)選擇脫離學(xué)生生活等問題。在STEAM教育理念的指導(dǎo)下，我們以學(xué)生遇到的真實問題引入、采用項目式學(xué)習(xí)、借助3D打印物化創(chuàng)意、產(chǎn)品測試改進的方法開展3D打印教學(xué)，取得了良好的效果。本文是其中一個項目“搬運機器人策略物的設(shè)計與制作”的教學(xué)實踐。

【關(guān)鍵詞】]3D打??；STEAM；項目式學(xué)習(xí)；教學(xué)實踐

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2017）09-0064-04

2014年9月，我校開始建設(shè)創(chuàng)客空間，12月，第一臺3D打印機正式走進了我們學(xué)校。懷著對3D打印技術(shù)濃厚的興趣，在并未交貨的情況下，筆者向?qū)W校領(lǐng)導(dǎo)請示、向公司技術(shù)人員求教，由此開始了3D打印之旅。在將近一個月的時間里，筆者借助網(wǎng)絡(luò)資料和說明書、請教技術(shù)人員，努力鉆研，功夫不負有心人，終于成功打印了一個模型，并且順利解決了調(diào)平、不出料等技術(shù)問題，總結(jié)出了初步的模型設(shè)計和打印經(jīng)驗。

2015年伊始，創(chuàng)客空間的精工實驗室正式交付使用，筆者就將3D打印正式引入了學(xué)校的 “七初DIY” 社團。該社團由筆者和一名物理老師共同負責(zé)，社團由25名對科技特別感興趣的學(xué)生組成，以學(xué)生科技活動、科技制作為主。第一次課上，筆者給學(xué)生們講解了3D打印原理，展示了3D打印的基本流程，同學(xué)們都異常興奮。課后他們告訴老師：“多么神奇??！打印機立馬可以打印出立體的東西。真的是‘立等可取喲。以后我們想要玩具，可以直接DIY打印一個，我們想要杯子，DIY打印一個……哇，這就是科技發(fā)展給我們帶來的新奇之處?！币欢卧捵阋娡瑢W(xué)們對3D打印技術(shù)的欣喜。在接下來的課程里，學(xué)生們依次學(xué)習(xí)了123D Design、3Done兩種3D模型設(shè)計軟件，用來制作水杯，制作3D校園模型以及3D打印掛件制作。

3D打印教學(xué)目前存在的問題

劉金鵬曾闡述過目前大部分3D打印課堂存在的問題：

現(xiàn)象1：為了“造物”而“造物”。從網(wǎng)上下載3D模型文件，打印出來供學(xué)習(xí)者遠觀或把玩；

現(xiàn)象2：把3D打印教學(xué)變成建模軟件的教學(xué)，目的似乎是為了學(xué)會軟件的使用，而不是設(shè)計和造物本身；

現(xiàn)象3：學(xué)生依葫蘆畫瓢，按照教師的制作步驟或范例提示一步步操作完成作品建模，并最終把實物打印出來。

通過調(diào)查和訪談，我們了解到成都高新區(qū)目前75%的學(xué)校都配備了3D打印機，但是只有40%的學(xué)校開設(shè)了3D打印相關(guān)課程。教師們反饋開設(shè)課程最大的阻礙是沒有相關(guān)的課程支持，其次是沒有相關(guān)教師。而開設(shè)了相關(guān)課程的教師最需要的是STEM教育理念、課程開發(fā)能力和3D打印機使用和維護的相關(guān)能力的提升。

在近一年多的實踐探索中，通過查閱相關(guān)文獻、參加相關(guān)3D打印公開課活動，筆者認為目前中小學(xué)3D打印教學(xué)還存在以下問題：重設(shè)計輕結(jié)構(gòu)；重軟件設(shè)計輕實踐應(yīng)用；任務(wù)選擇脫離學(xué)生生活。

基于這些問題，筆者在課程設(shè)計中做了相應(yīng)優(yōu)化。接下來就以3D打印課程《搬運機器人策略物設(shè)計與制作》作為案例來闡述筆者的設(shè)計理念。

選題背景

2016年11月，我校部分學(xué)生正在參加第十四屆四川省青少年機器人創(chuàng)新實踐活動（普及組）的六足搬運機器人比賽。學(xué)生們通過自己的努力，搭建好了自己的抬升式、夾取式機器人。但是發(fā)現(xiàn)機器人在執(zhí)行搬運乒乓球任務(wù)的時候，夾到球或者鏟到球的幾率非常小。我們仔細閱讀比賽規(guī)則，發(fā)現(xiàn)可以自行設(shè)計策略物。于是，結(jié)合到本學(xué)期學(xué)習(xí)的3D打印技術(shù)，我們計劃利用3D打印來制作機器人夾取和抬升乒乓球的策略物。

教學(xué)設(shè)計

本課時為工程應(yīng)用階段的第3課，學(xué)生通過橋的例子，已經(jīng)初步掌握了工程設(shè)計的基本流程和熟練操作3D打印機的方法。

學(xué)習(xí)模塊：3D打印模塊

教學(xué)對象：DIY社團學(xué)生（七八年級）

1. 課程設(shè)計理念

STEAM 是科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)五門學(xué)科的簡稱，強調(diào)多學(xué)科的交叉融合。STEAM 教育強調(diào)將五門學(xué)科內(nèi)容組合形成一個有機整體，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力?！?D打印創(chuàng)意制作”為我校STEAM系列課程中的一門核心課程。課程以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力等核心素養(yǎng)為目標，采用項目式學(xué)習(xí)方式實施教學(xué)。

基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)過程包括實證調(diào)查要解決的問題，建構(gòu)解決方案，以及科學(xué)和工程研究必需的分析與評價，這些活動形成的是一個循環(huán)迭代過程。

2. 學(xué)情分析

“七初DIY” 社團有4名學(xué)生參與了比賽，但是成績并不理想，于是我們計劃在社團課上開展搬運機器人策略物設(shè)計教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生用3D打印技術(shù)解決遇到的問題。學(xué)生們通過前面課程的學(xué)習(xí)，初步掌握了3Done軟件的基本操作、如何設(shè)計基本的3D模型、3D打印的基本流程等知識。同時，學(xué)生對3D打印實踐有濃厚的興趣。

3. 學(xué)習(xí)目標

科學(xué)：了解并掌握科學(xué)探究的基本方法和步驟；技術(shù)：熟練掌握“減去”命令，更加熟練應(yīng)用3Done軟件和切片軟件，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力；工程：知道如何設(shè)計結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的策略物、裝載機器人策略物、正確使用螺絲刀，培養(yǎng)合作能力；藝術(shù)：設(shè)計具有一定美感的策略物；數(shù)學(xué)：能有效測量3D模型和機器人零部件的尺寸，掌握應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解決實際問題的方法，培養(yǎng)思維的邏輯性和縝密性。

4. 學(xué)習(xí)資源準備

五臺3D打印機、PLA打印材料、3D模型設(shè)計相關(guān)教程、比賽規(guī)則（簡化版）、學(xué)習(xí)卡、相關(guān)操作工具。學(xué)生準備尺子、筆、紙張、iPad等學(xué)習(xí)工具。

5. 學(xué)習(xí)流程（如下表）

6. 學(xué)習(xí)評價

小組合作評價（教師評價+小組自評）；解決方案評價（小組互評）；搬運比賽評價（以實際得分為準）。

教學(xué)實踐

前兩節(jié)課總聽到有同學(xué)抱怨：學(xué)了幾次3D打印，為什么不讓我們打印呢？那么今天我們就一起進入3D打印實戰(zhàn)。

1. 解決技術(shù)問題

在進入實戰(zhàn)之前，我們請同學(xué)先來解決上節(jié)課設(shè)計和作業(yè)中存在的幾個問題：（1）減去（外方內(nèi)圓的水杯）；（2）草圖繪制與拉升；（3）掃掠；（4）移動與旋轉(zhuǎn)。

學(xué)生上臺講解、演示，教師適當補充。

2. 情境引入

解決完了這些問題，肯定有同學(xué)要問了：老師，我們今天究竟要打印什么模型？

我們今天要打印一個和我手中的機器人相關(guān)的模型，（生：自己設(shè)計一個機器人嗎？）但不是這樣一個機器人，是我們完成機器人比賽的策略物（也就是輔助機構(gòu)）。我知道咱們社團有4名同學(xué)參加了本次搬運機器人比賽。我想問問你們，在機器人設(shè)計中你們遇到了哪些問題？（生：夾不起球、紙殼容易卡住等）。那么今天我們就來設(shè)計這樣一個夾取或鏟起乒乓球的策略物。

在設(shè)計解決方案之前，我想請各小組再次仔細閱讀比賽規(guī)則，特別是老師標注顏色的內(nèi)容?？赐瓯荣愐?guī)則，小組簡單討論一下解決方案。

3. 設(shè)計解決方案

在大家正式進入方案設(shè)計環(huán)節(jié)之前，我想先提醒幾點，（展示PPT）機器人的大小不能超過25cm*15cm、策略物如何固定、考慮乒乓球的大小、考慮球框的高度、最大抬升高度和夾取寬度。

同時，我們可以看看實際生活中是如何夾取和抬升物品的。這三張圖分別是夾取機器人、叉車和推土機，咱們在設(shè)計過程中可以參考這些結(jié)構(gòu)。

下面我們分小組開始設(shè)計方案，要求如下：

（1）時間：10分鐘；（2）小組分工；測量（2人）；設(shè)計草圖（1人）；3D建模（2人）；數(shù)據(jù)記錄（1人）；（3）提交3D模型至Moodle平臺

巡視指導(dǎo)各小組分工合作，各小組開始分工設(shè)計方案、測量機器人尺寸、計算策略物的尺寸，各小組設(shè)計的策略物五花八門：有方框、鏟子、夾子等。

4. 展示3D模型

時間到了，我們請各個小組來展示解決方案。展示的時候小組成員都要上臺，先展示設(shè)計方案，闡述理由，然后展示3D模型，陳述安裝方法。

王皓民小組展示了本小組的類似方框的3D模型，他們充分考慮了球框的大小和0.5cm的高度，設(shè)計大小可以容納4個乒乓球；易周陽小組展示了夾取策略物，綜合考慮了機器人長度，并用熱熔膠實現(xiàn)了增加輪子的摩擦力；卿正宇小組展示了類似鏟子的模型，他們給鏟子做了倒角處理，加高了護邊，并且考慮了策略物如何安裝，給鏟子的四個頂點打了孔；聞峻毅小組設(shè)計了一個類似王皓民小組的方框，但他們的方框只有三面，并且內(nèi)部設(shè)計成空心，減輕重量。

5. 打印策略物

接下來，按照老師和同學(xué)們的意見做一下修正，然后上傳至Moodle平臺，各小組依次切片、打印。

因為時間的關(guān)系，我們一節(jié)課沒法打印完作品，請同學(xué)們課下再來測試打印好的策略物。實踐是檢驗真理的唯一標準。3D打印是一個很好的個性化定制工具，用以解決我們生活中遇到的問題。在今后的生活和學(xué)習(xí)中，我們要善于發(fā)現(xiàn)問題，同時應(yīng)用所學(xué)的知識去解決這些問題，讓我們的生活更加美好。

教學(xué)反思

1. 教學(xué)設(shè)計亮點

學(xué)習(xí)問題來源于生活，學(xué)生有濃厚的學(xué)習(xí)興趣；激發(fā)了學(xué)生綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理知識解決問題的意識，如測量機器人的大小、三角形知識、密度、摩擦力等；教學(xué)目標達成度高，學(xué)生的作品比賽效果很好；探究式的學(xué)習(xí)方式提高了學(xué)生的問題意識。

2. 教學(xué)設(shè)計不足之處

設(shè)計之初，沒有留足夠的時間來修改3D模型和打印，只能通過課后時間來彌補；學(xué)生關(guān)于3D打印機操作方面的知識準備欠缺，學(xué)生3D打印、切片操作不太熟練；沒有充分考慮打印材料的因素，部分小組打印過程中，ABS材料容易變形，影響了學(xué)習(xí)進度；小組人數(shù)規(guī)模稍大，每個小組6人，個別學(xué)生參與度較低。

結(jié) 語

“創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，基于學(xué)生興趣，以項目學(xué)習(xí)的方式，使用數(shù)字化工具，倡導(dǎo)造物，鼓勵分享，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問題能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育?！倍?D打印機則是創(chuàng)客教育造物環(huán)節(jié)不可或缺的工具，在課程設(shè)計中我們應(yīng)避免單純教技術(shù)，而應(yīng)該著重培養(yǎng)學(xué)生利用3D打印解決實際工程問題的能力。

本堂課的設(shè)計始于學(xué)生生活中的問題，在解決問題的過程中綜合應(yīng)用各學(xué)科知識，鍛煉學(xué)生動手能力，不失為3D打印教學(xué)的一個發(fā)展方向。

參考文獻

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