基于虛擬儀器和3D打印的STEAM教育體系設(shè)計

高晗煜 張育謙 齊金燦 荊振國

摘? 要 通過調(diào)查研究，分析STEAM教育現(xiàn)狀，探究虛擬儀器、Arduino和3D打印在教育領(lǐng)域的優(yōu)勢，設(shè)計出基于虛擬儀器和3D打印的STEAM教育體系，并通過展示教育方案和資源包的樣例，說明該體系在STEAM教育中的重要意義。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器;3D打印;STEAM教育;機器人教育;Lab-VIEW;Arduino

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）14-0036-04

STEAM Education System Design based on Virtual Instrument and 3D Printing//GAO Hanyu， ZHANG Yuqian， QI Jincan， JING Zhenguo

Abstract Through the research， this paper analyzed the current situ-

ation of STEAM education， explored the advantages of virtual instru-

ment， Arduino and 3D printing in the field of education， designed a

STEAM education system based on virtual instrument and 3D prin-

ting， and illustrated the significance of this system in STEAM educa-

tion by showing a sample of educational programs and resource packs.

Key words virtual instrument; 3D printing; STEAM education; ro-bot education; LabVIEW; Arduino

1 STEAM教育現(xiàn)狀

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新力，近年來，很多新式教學(xué)課程模式在我國流行起來，如云課堂、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等。STEAM教育也正在逐漸融入我國教育之中，為我國教育從應(yīng)試培養(yǎng)向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)變提供了有力的幫助。

20世紀(jì)80年代，美國人提出STEM教育，包含Science、

Technology、Engineering、Mathematics四個學(xué)科，即科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)，旨在使兒童從小就接觸創(chuàng)造、創(chuàng)新、科學(xué)技術(shù)能力的培養(yǎng)。之后，STEM教育在原本四科上加入Art（藝術(shù)）學(xué)科。融合了新的學(xué)科，STEAM教育就誕生了。STEAM教育通過跨學(xué)科的方式，促進(jìn)學(xué)生對不同領(lǐng)域的知識進(jìn)行整合，解決綜合問題，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造、創(chuàng)新性的解決問題的能力[1]。

國內(nèi)外STEAM教育現(xiàn)狀? STEAM教育在國外主要集中于發(fā)達(dá)國家，比如美國和英國，美國甚至設(shè)立了專門的STEAM中學(xué)。在STEAM中學(xué)，學(xué)生可以自主申請項目經(jīng)費來開展項目，同時可以受到相關(guān)專家的指導(dǎo)。并且學(xué)校還設(shè)立了大學(xué)先修課程，方便能力強、成績優(yōu)秀的學(xué)生進(jìn)一步提升自我，從而極大提高學(xué)生的知識水平、創(chuàng)造力以及創(chuàng)新能力[2]。

在國內(nèi)，STEAM教育中的程序設(shè)計類、媒體類軟件課程在中小學(xué)已經(jīng)較為廣泛，以信息技術(shù)和通用技術(shù)課程為主。例如：向東和毛愛萍依托兒童編程軟件，創(chuàng)造了多媒體藝術(shù)創(chuàng)作課程;謝作如憑借Arduino平臺開發(fā)了通用技術(shù)課

程;吳俊杰也針對中小學(xué)生推出人工智能課程[3]。

現(xiàn)在比較熱門的是STEAM機器人。近年來，隨著基礎(chǔ)教育新課程改革的逐步推進(jìn)，機器人教育在我國的一些中學(xué)中正在加速發(fā)展。但客觀來說，我國的機器人教育仍然處于初級階段，普及率不高，而且大部分都以功利性的競賽為主，在實驗中側(cè)重機械的模仿，在教育目標(biāo)上卻重基礎(chǔ)輕應(yīng)用;在內(nèi)容上側(cè)重于學(xué)科，重技術(shù)輕綜合;教育理念支持不足，一直沒有提出教育理念和準(zhǔn)則，機器人教育無法更加深入地開展;而且機器人教育分布與發(fā)展不平衡，西北地區(qū)相對于沿海發(fā)達(dá)地區(qū)起步較晚，相關(guān)的教學(xué)活動很少。

隨著我國新課程改革的實行，各學(xué)科教學(xué)中涌現(xiàn)了越來越多的新型教育技術(shù)，STEAM教育也逐漸進(jìn)入正式教學(xué)視野。在實際應(yīng)用中，STEAM教育除了可以依托Scratch等軟件，還可以依托Arduino等電子平臺、機器人技術(shù)、圖形化編程軟件、3D打印技術(shù)等硬件技術(shù)。假使STEAM教育能夠被正式納入學(xué)校教學(xué)中，學(xué)生的創(chuàng)新能力以及綜合素質(zhì)的提升都將極大獲益。

現(xiàn)階段STEAM教育中存在的問題? 當(dāng)前比較流行的STEAM教育和機器人結(jié)合的例子有樂高機器人和小米的米兔機器人，都是利用機器人教育與STEAM教育融合，使學(xué)生能夠在中小學(xué)就得到綜合素質(zhì)的提升。而它們剛剛興起，還不是一個完全成熟的體系，樂高機器人和小米的米兔機器人的主控模塊ARM9和Cortex MX的性能比較基礎(chǔ)，一些復(fù)雜的功能不能輕易地實現(xiàn)，無法讓學(xué)生從STEAM教育中獲得足夠多的成就感。在編程模塊上，如米兔機器人使用的語言雖然簡單，但是由于結(jié)構(gòu)過于單一，也無法很好地實現(xiàn)更為復(fù)雜的功能。

同時，主流的創(chuàng)新積木，由于都是用的現(xiàn)成的積木，不能發(fā)揮自己的創(chuàng)造力自定義積木部件，做出來的作品較為重復(fù)單一，不能持續(xù)更新。并且由于品牌效應(yīng)，主流的STEAM機器人價格高，動輒幾千元，這為開展STEAM教育帶來更多的經(jīng)濟成本，使普通家庭難以承擔(dān)相關(guān)的費用。

2 基于虛擬儀器和3D打印的STEAM教育

虛擬儀器與Arduino在教育領(lǐng)域的優(yōu)勢? 虛擬儀器是基于計算機的儀器，主要是指將儀器裝入計算機，以計算機硬件及操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)現(xiàn)實世界中的儀器功能。

LabVIEW（實驗室虛擬儀器工程平臺）是一種程序開發(fā)平臺，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于Python開發(fā)環(huán)境。但是LabVIEW與其他程序語言有一個顯著不同：一般的程序代碼都是基于文本、文字，而LabVIEW是基于圖形化編輯語言G語言，呈現(xiàn)出的外觀是程序框圖。因此，對學(xué)生來說，LabVIEW操作難度很小，易上手。

Arduino作為一款便捷靈活、功能強大的開源電子原型平臺，能通過各種各樣的擴展元件與傳感器來感知外界，通過控制LED、電機、發(fā)射管和其他的部件來反饋、作用于外界。

而LabVIEW和Arduino能夠通過串口通信、無線通信等多種方式進(jìn)行通信，將程序燒錄進(jìn)微控制器，從而達(dá)到使用LabVIEW控制Arduino的目的。于是使用LabVIEW，通過圖形化的編程對一些復(fù)雜過程的封裝，對以往繁雜的編程過程進(jìn)行簡化，就可以使完全沒有編程經(jīng)驗的中小學(xué)生通過簡單的拖拽即完成原本很困難的編程任務(wù)，對自己拼接的以Arduino為控制器的積木結(jié)構(gòu)裝置進(jìn)行復(fù)雜控制，大大打破原來STEAM教育在技術(shù)上的限制，讓學(xué)生可以發(fā)揮天馬行空的想象力，做出真正想做出的作品。

同時，由于沒有市面上一些商業(yè)品牌的利益限制，并且滿足本項目需要的LabVIEW大眾版目前針對k-12（即中小學(xué)）STEAM教育目的是可以免費下載使用的，因此，使用虛擬儀器與Arduino的教育成本很低，教師可以將更多的金錢和精力放在對課程的優(yōu)化上。

3D打印在教育領(lǐng)域中的優(yōu)勢

1）定制成本低。3D打印的制造柔性高，各種形狀材料的部件可以在一臺打印機中完成制造。這種制造柔性既能滿足教育中的大量定制需求，又只需要付出極地的成本。在課堂教學(xué)中，教師需要一些個性化的復(fù)雜教具，如心臟模型、小型機械結(jié)構(gòu)、地形展示;在學(xué)生的自主實驗與競賽中，學(xué)生在作品開發(fā)過程中需要快速制造出實物用于實驗驗證或者作為作品的一部分。這些需求都是分散、單次、少量、個性化的，若是讓傳統(tǒng)制造工廠完成，其獲得成本難以接受。因此，定制成本低是3D打印在教育領(lǐng)域的首要優(yōu)勢[4]。

2）自由度高。很多原有的創(chuàng)新教育方式都是在條框和既定規(guī)則之下按照已有的模塊進(jìn)行組合，組合數(shù)量和自由度有限。而通過3D打印技術(shù)的設(shè)計，學(xué)生可以擁有極大的自由度，在符合物理定律的基礎(chǔ)上，打印自己想要實現(xiàn)的所有模塊。

3）拓寬學(xué)生的空間設(shè)計與創(chuàng)造性思維。學(xué)生在進(jìn)行3D打印課程入門時，首先需要學(xué)習(xí)的就是建模技術(shù)。在設(shè)計過程中，學(xué)生需要不斷對設(shè)計好的模型進(jìn)行修改并進(jìn)行可行性評估，最終得到滿意的文件。這整個過程就是一個對學(xué)生的設(shè)計思維和創(chuàng)新能力進(jìn)行一次次更新的過程，3D打印技術(shù)有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造激情。

4）制造時間短。3D打印制造工藝鏈很短，一步到位，現(xiàn)代的桌面3D打印機制作一個復(fù)雜的部件只需數(shù)小時。

3 基于虛擬儀器和3D打印的STEAM教育體系組成

教育資源的組成? 教育資源是為教學(xué)的成功舉行準(zhǔn)備的一切可利用的材料，包含圖片、電子文稿、課件、視頻、程序源代碼等虛擬材料，也包括紙質(zhì)學(xué)案、單片機、積木、電路板等實體材料教材。

在基于虛擬儀器和3D打印的STEAM教育資源的組成中，筆者以能夠在教學(xué)活動中被有效利用為條件，將資源分為學(xué)生使用的學(xué)生方資料（包括套件清單、組裝樣例、導(dǎo)學(xué)案、課中小題等）、教師使用的教師方材料（包括教學(xué)流程參考、量化調(diào)查表、套件教程等）以及創(chuàng)作資源（包括3D打印機，PLA、ABS等耗材，基礎(chǔ)套件，Arduino開發(fā)板，計算機，導(dǎo)線等），如圖1所示。

并且，由于不同年齡段學(xué)生的接受能力和操作能力不同，筆者將教育體系分成6～10、10～14、14+三個年齡段的不同方案，設(shè)定每個方案的教學(xué)目標(biāo)。

6～10版本：使用Tinkercad和簡單的打印元件讓學(xué)生初步形成3D設(shè)計與組裝的理念和編程的思想，在趣味中成長。

10～14版本：使用Tinkercad、LabVIEW、Arduino讓學(xué)生從圖形化編程入手，學(xué)習(xí)設(shè)計的理念，在趣味中學(xué)習(xí)。

14+版本：使用Fusion 360建模，使用Arduino IDE編程，讓學(xué)生在較為復(fù)雜的建模、打印、動手和編程中鍛煉邏輯思維，學(xué)習(xí)十分有用的單片機技術(shù)，在十足的挑戰(zhàn)性與成就感中獲得全方面提升。

6～10歲的教學(xué)方案

1）學(xué)生方資料：對應(yīng)資源模塊的基本組裝指南、實驗報告、導(dǎo)學(xué)案、Tinkercad使用教程、Tinkercad樣例。

2）教師方資料：創(chuàng)作資源清單、教學(xué)流程參考、6～10歲教案、匿名量化調(diào)查表、多媒體課件、機械裝置組裝教程（視頻+PDF）、Tinkercad使用教程（視頻+PDF）。

3）創(chuàng)作資源：3D建模網(wǎng)站Tinkercad，3D打印機，PLA、ABS等打印耗材，提前打印好和購置好的基本部件，計算機。

4）教學(xué)方式：教師教授學(xué)生如何組裝基本的原件及其組裝原理，帶領(lǐng)學(xué)生使用Tinkercad設(shè)計簡單的3D模型并引導(dǎo)學(xué)生將其打印出來，從而改進(jìn)已有的模型或者創(chuàng)造新的模型。

10～14歲的教學(xué)方案

1）學(xué)生方資料：機械模塊的基本組裝指南、Arduino入門卡片、LabVIEW入門卡片、實驗報告、導(dǎo)學(xué)案、Tinker-

cad使用教程、Tinkercad樣例。

2）教師方資料：創(chuàng)作資源清單、教學(xué)流程參考、10～

14歲教案、匿名量化調(diào)查表、多媒體課件、機械裝置組裝教程（視頻+PDF）、Tinkercad使用教程（視頻+PDF）、Arduino基礎(chǔ)知識文件（PDF）、LabVIEW詳細(xì)教程（書本）、已設(shè)計好的模塊化LabVIEW子VI說明（PDF）。

3）創(chuàng)作資源：3D建模網(wǎng)站Tinkercad，LabVIEW虛擬儀器軟件，已設(shè)計好的LabVIEW子VI文件，Arduino開發(fā)板及其相關(guān)電子元件，3D打印機，PLA、ABS等打印耗材，提前打印好和購置好的基本部件，計算機。

4）教學(xué)方式：教師教授學(xué)生使用Tinkercad設(shè)計簡單的3D模型并引導(dǎo)學(xué)生將其打印出來，從而改進(jìn)已有的機械模型或者創(chuàng)造新的模型;教授學(xué)生Arduino的基礎(chǔ)知識與LabVIEW的部分操作，使學(xué)生可以通過對已設(shè)計好的子VI進(jìn)行拖拽，控制由Arduino控制的自己設(shè)計組裝的模型。

14+歲以上的教學(xué)方案

1）學(xué)生方資料：Fusion 360知識卡片、Arduino知識卡片、LabVIEW入門卡片、實驗報告、導(dǎo)學(xué)案。

2）教師方資料：創(chuàng)作資源清單、教學(xué)流程參考、14+歲教案、匿名量化調(diào)查表、多媒體課件、機械裝置組裝教程（視頻+PDF）、Fusion 360使用教程（視頻+PDF）、Ar-

duino完整知識文件（PDF）、LabVIEW詳細(xì)教程（書本）、已設(shè)計好的模塊化LabVIEW子VI說明（PDF）。

3）創(chuàng)作資源：Fusion 360建模軟件，Arduino IDE編程軟件，Arduino開發(fā)板及其相關(guān)電子元件，3D打印機，PLA、ABS等打印耗材，提前打印好和購置好的基本部件，計算機。

4）教學(xué)方式：教師教授學(xué)生使用Fusion 360設(shè)計3D模型并引導(dǎo)學(xué)生將其打印出來，從而改進(jìn)已有的機械模型或者創(chuàng)造新的模型;邊教授學(xué)生LabVIEW子VI的使用邊教授Arduino的用法，使學(xué)生最終可以通過對Arduino進(jìn)行編程來控制自己設(shè)計的模型。

整體的教育體系如圖2所示。

4 基于虛擬儀器和3D打印的STEAM教育方案和資源包案例

在基于虛擬儀器和3D打印的STEAM教育體系中，筆者設(shè)計了對應(yīng)14+歲學(xué)生的一套自由度很高的“智能礦山車”主題的12學(xué)時STEAM課程和資源包，具體內(nèi)容如下。

資源內(nèi)容

1）學(xué)生方資料：Fusion 360知識卡片、Arduino知識卡片、LabVIEW入門卡片、實驗報告、12學(xué)時逐課導(dǎo)學(xué)案。

2）教師方資料：創(chuàng)作資源清單，教學(xué)流程參考，12學(xué)時逐課教案，匿名量化調(diào)查表，多媒體課件，礦山車組裝教程（視頻+PDF），F(xiàn)usion 360使用教程（視頻+PDF），Arduino完整知識文件（PDF），LabVIEW詳細(xì)教程（書本），藍(lán)牙遙控、超聲波避障、循跡等LabVIEW子VI說明（PDF）。

3）創(chuàng)作資源：Fusion 360建模軟件，Arduino IDE編程軟件，Arduino開發(fā)板*1，電機*2，電池盒*1，擴展板*1，超聲波云臺，LED、紅外接收、藍(lán)牙通信等功能模塊，3D打印機，ABS、PLA等打印耗材，提前打印好和購置好的礦山車外形積木部件一套，計算機。

4）其他工具：多功能螺絲刀套裝*1、5號電池*10、螺絲若干、電線若干、紅外遙控器*1。

教案大綱? 了解我們的智能小車→LabVIEW與Arduino初學(xué)和智能小車前后左右綜合實驗→智能小車指定花式動作→安卓手機藍(lán)牙遙控、重力感應(yīng)→超聲波避障→紅外遙控→循跡和3D打印初識→礦山車3D打印部件組裝→自主編程改變運動方案→自主建模改進(jìn)礦山車。

方案在STEAM教育中的意義

1）教師方意義。教師方材料中提供了對每一課時的全流程、與學(xué)生互動的時機和方式、教學(xué)速度都有詳細(xì)介紹的教案，還包含教學(xué)中每一模塊的詳細(xì)教程，即使教師的教學(xué)經(jīng)驗比較缺乏、知識有缺陷，也可以根據(jù)教師方材料的指導(dǎo)，迅速、合理地開展教育。

2）學(xué)生方意義。學(xué)生方資料中提供了簡明的指南，有助于學(xué)生迅速了解整個課程的教學(xué)思路。而12學(xué)時逐課導(dǎo)學(xué)案使學(xué)生每堂課都可以在引導(dǎo)下進(jìn)行自主思考。14歲以上的學(xué)生已經(jīng)擁有不俗的學(xué)習(xí)能力，從圖形化編程出發(fā)，初步過渡到代碼編程、儀器組裝、3D模型設(shè)計與打印，是一個由簡到難、循序漸進(jìn)的過程。在整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以越學(xué)越輕松，越學(xué)越感興趣，在完成整套課程后，即可在動手能力、空間想象能力、程序邏輯思維、創(chuàng)造力上全面大幅度提升。

5 結(jié)語

如果說計算機是人認(rèn)識世界的工具，那么虛擬儀器和3D打印機則可以作為人改造世界的工具。在STEAM教育體系中，學(xué)生認(rèn)識這個世界的途徑不再是被動填鴨地從書本中吸納知識，而是通過使用虛擬儀器、3D打印這樣的技術(shù)，主動、積極地去認(rèn)識、探究甚至創(chuàng)造實物、改造世界[5]。學(xué)生在平臺中基于項目學(xué)習(xí)，通過硬件與軟件技術(shù)解決實際問題，在團(tuán)隊協(xié)作中綜合運用知識，提升科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)的素質(zhì)，真正體現(xiàn)創(chuàng)新素質(zhì)教育重視的能力提升，這無疑是學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)培育和發(fā)展的保障，也是STEAM教育和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)所要實現(xiàn)的目標(biāo)[6]?！?/p>

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