3D打印在STEAM教育中的應(yīng)用課例

張凱

摘要：本研究源于生活，借助淮南二中創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展STEAM教學(xué)實(shí)踐，分享教學(xué)案例，并給出開(kāi)展STEAM教育的一些思考。

關(guān)鍵詞：STEAM，3D打印，教學(xué)案例

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)校教育逐步融合STEAM教育理念，來(lái)加強(qiáng)技術(shù)與工程教育。如何開(kāi)展STEAM教育實(shí)踐，是很多教師關(guān)注的問(wèn)題。筆者在教育實(shí)踐中嘗試結(jié)合STEAM理念開(kāi)展3D打印課程，其中設(shè)計(jì)實(shí)施了“陀螺的設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目課程。

一、教學(xué)整體規(guī)劃

最近有安全隱患的“飛鏢指尖陀螺”成了眾矢之的。在山西夏縣新石器時(shí)代遺址中，就有石制陀螺?？梢?jiàn)，陀螺在我國(guó)有四、五千年的歷史。

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生都有把玩陀螺的經(jīng)歷，既然是文化遺產(chǎn)又如此流行，那么我們就通過(guò)3D打印還原出每個(gè)學(xué)生心里的陀螺。

教學(xué)流程：

1、發(fā)布任務(wù)。按要求設(shè)計(jì)：a.請(qǐng)勿使用尖刺設(shè)計(jì)，避免產(chǎn)生危險(xiǎn)；b.怎樣提高旋轉(zhuǎn)時(shí)間。

2、學(xué)生分組收集有關(guān)陀螺的資料。

3、學(xué)習(xí)物理學(xué)知識(shí)。通過(guò)教師的講解，知道影響陀螺旋轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)的要素，并能運(yùn)用到自己的設(shè)計(jì)中。

4、繪制陀螺草圖。學(xué)生完成陀螺的初步設(shè)計(jì)。組間討論，改進(jìn)設(shè)計(jì)。

5、3D建模、打印和修改。使用123D軟件建立模型，Cura切片打印，安裝、測(cè)試和修改。

6、項(xiàng)目展示、評(píng)價(jià)和總結(jié)。舉行“時(shí)長(zhǎng)爭(zhēng)霸賽”，“最具創(chuàng)意者”比賽，先小組賽，后班內(nèi)賽。獲勝者介紹設(shè)計(jì)思路，師生點(diǎn)評(píng)、頒獎(jiǎng)。

二、課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

1.學(xué)前準(zhǔn)備

知識(shí)儲(chǔ)備：課前學(xué)生已經(jīng)獲取一些陀螺的相關(guān)資料，但對(duì)陀螺的物理學(xué)知識(shí)了解不足。

工具準(zhǔn)備：PLA耗材+3D打印機(jī)（8套），熱熔膠+熱熔槍?zhuān)?套），熱風(fēng)槍?zhuān)?把）、細(xì)砂紙（6張）、美工刀（6把）、稿紙若干、軸承、鋼珠等。

2.教學(xué)過(guò)程回顧

（1）展示實(shí)例，創(chuàng)造感知場(chǎng)景。

老師展示幾種陀螺的樣式，竹蜻蜓打破了學(xué)生對(duì)陀螺的認(rèn)知。教師點(diǎn)撥，“正式提出‘陀螺術(shù)語(yǔ)的是19世紀(jì)法國(guó)物理學(xué)家博科，陀螺定義為“回轉(zhuǎn)體”。竹蜻蜓是在空的回轉(zhuǎn)體，所以它也是一種陀螺。竹蜻蜓在國(guó)外又被叫做‘中國(guó)陀螺”。通過(guò)點(diǎn)撥，拓寬學(xué)生對(duì)陀螺概念的理解。

（2）了解物理學(xué)知識(shí)。

陀螺在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，不但圍繞自身軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，還圍繞一個(gè)軸作錐形運(yùn)動(dòng)。就是說(shuō)，陀螺一邊圍繞本身的軸線(xiàn)作自轉(zhuǎn)，一邊圍繞垂直軸作公轉(zhuǎn)。陀螺圍繞自身軸線(xiàn)作“自轉(zhuǎn)”運(yùn)動(dòng)的快慢，決定其擺動(dòng)角的大小。轉(zhuǎn)得越慢，擺動(dòng)角越大，穩(wěn)定性越差；轉(zhuǎn)得越快，擺動(dòng)角越小，穩(wěn)定性也越好。陀螺高速自轉(zhuǎn)時(shí)，在重力偶作用下，不沿力偶方向翻倒，而繞著支點(diǎn)的垂直軸作圓錐運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，就是陀螺原理。

因此，可以從如下5個(gè)方面考慮來(lái)延長(zhǎng)陀螺的旋轉(zhuǎn)時(shí)間：

A.加大陀螺的質(zhì)量，質(zhì)量大慣性就大，摩擦力不變時(shí)，轉(zhuǎn)得更久。

B.陀螺的外形和材質(zhì)，要均勻，對(duì)稱(chēng)。這樣可以減小陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)軸的擺動(dòng)，轉(zhuǎn)得更久。

C.盡可能減小外界摩擦力的影響。比如陀螺腳底采用鋼珠。

D.降低陀螺的重心。這樣可減小陀螺的轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)，可以減小外力對(duì)陀螺的影響。

（3）改進(jìn)陀螺設(shè)計(jì)圖，建立3D模型。

通過(guò)教師的指導(dǎo)，同學(xué)們對(duì)自己的陀螺又有了新的想法，改進(jìn)了自己設(shè)計(jì)的陀螺。這里選取了一些據(jù)有代表性的學(xué)生作品。

其中，A同學(xué)設(shè)計(jì)為一個(gè)指尖陀螺，一開(kāi)始的設(shè)計(jì)為兩葉片的，外形上重心分布不夠穩(wěn)固，同時(shí)，PLA材質(zhì)的葉片較輕。經(jīng)過(guò)指導(dǎo)修改加大了葉片的配重，改為3葉片。B同學(xué)的原始設(shè)計(jì)的陀螺重心過(guò)高，改進(jìn)后重心下移，并在底部加鋼珠減小摩擦。

3.3D打印實(shí)操與展示評(píng)價(jià)

3D打印耗時(shí)較長(zhǎng)，通常一節(jié)課不能完成打印，確保打印機(jī)正常工作后。打印實(shí)操結(jié)果和分析放在下一節(jié)課進(jìn)行。

其中：C同學(xué)在給陀螺結(jié)構(gòu)件做切片時(shí)，擺放的角度不對(duì)，導(dǎo)致打印過(guò)多“支撐”，可以借助細(xì)砂紙反復(fù)打磨達(dá)到最佳效果；D同學(xué)打印的結(jié)構(gòu)件底座無(wú)法剝離。學(xué)生在使用Cura切片時(shí)參數(shù)設(shè)置的問(wèn)題，在教師的建議下將懸空間隙設(shè)置成0.22mm后發(fā)現(xiàn)更易剝離。

隨后舉行“時(shí)長(zhǎng)爭(zhēng)霸賽”和“最具創(chuàng)意者”比賽，每組組內(nèi)選出該組旋轉(zhuǎn)時(shí)間最長(zhǎng)的陀螺作品，投票選出組內(nèi)最具創(chuàng)意作品。再組間PK，最終角逐產(chǎn)生“時(shí)長(zhǎng)王”和“創(chuàng)意王”，既對(duì)學(xué)生的科學(xué)技術(shù)能力有要求，又考察培養(yǎng)了學(xué)生的藝術(shù)素養(yǎng)。最后“時(shí)長(zhǎng)王”和“創(chuàng)意王”分別介紹自己的作品，教師對(duì)各作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

三、反思總結(jié)

本項(xiàng)目課程最初設(shè)想每位同學(xué)的作品都能打印出來(lái)，實(shí)操中發(fā)現(xiàn)存在雷同設(shè)計(jì)，為了避免浪費(fèi)，實(shí)際處理上，筆者把學(xué)生的作品分類(lèi)，同類(lèi)的作品選取代表性的打印出來(lái)。同時(shí)，筆者也注意到部分作品出了細(xì)節(jié)問(wèn)題，學(xué)生不能持續(xù)的改進(jìn)，缺乏匠人的精神?；趯?shí)際開(kāi)展中的種種問(wèn)題，筆者認(rèn)為STEAM教育實(shí)踐中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

1、問(wèn)題盡量來(lái)源于生活，且容易研究解決。2、注重動(dòng)手實(shí)踐，傳承匠人精神。3、強(qiáng)調(diào)3D打印的工具性。3D打印只是眾多物化實(shí)現(xiàn)工具中的一個(gè)，教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)該是解決實(shí)際問(wèn)題。4、注重多學(xué)科知識(shí)的融合。

參考文獻(xiàn)：

[1]何灃燊、高佳平：《基于3D打印的STEAM學(xué)習(xí)資源包設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)》，《中國(guó)教育技術(shù)裝備》2017年14期，31-35頁(yè)。

[2]夏小剛、鄭剛：《基于工程實(shí)踐的STEAM項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施——以“3D打印——橋的設(shè)計(jì)與制作”為例》，《中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)》2018年01期，56-58頁(yè)。