基于STEAM的發(fā)電機模型3D打印校本課程的設(shè)計

邱林瑜 程敏熙

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

3D打印技術(shù)(3D Printing)是増材制造(AM)技術(shù)的俗稱，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[1].3D打印技術(shù)不僅對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)有所影響，同時也影響著教育行業(yè)的發(fā)展.3D打印技術(shù)與教育相結(jié)合，作為一種教育技術(shù)應(yīng)用到課程教學(xué)中，能夠為教育教學(xué)的創(chuàng)新提供很好的方法和思路，在相關(guān)理論基礎(chǔ)指導(dǎo)下一定會對目前的教育模式產(chǎn)生巨大的沖擊[2].不僅能使抽象的知識立體化，幫助理解深奧概念，還能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維及設(shè)計靈感.2014年6月，“國際教育信息化發(fā)展研究”項目提出“全球十大教育創(chuàng)新技術(shù)”中包括3D打印技術(shù)顛覆學(xué)生動手實踐、開源硬件夯實信息技術(shù)“做中學(xué)”教學(xué)模式[3]等，我國開始掀起3D打印技術(shù)走進中小學(xué)教學(xué)課堂的熱潮.

1 3D打印技術(shù)應(yīng)用于教育的現(xiàn)狀及存在問題

2014年，原航空航天部部長林宗棠向中央上書提建議：3D打印技術(shù)要從娃娃抓起，在全國青少年中播種10萬顆3D打印創(chuàng)新種子[4]，隨后國家開啟“3D打印創(chuàng)新教育播種”計劃.2015年5月16日，廣州市教育局首次舉辦大規(guī)模的3D打印系列培訓(xùn)課.此后，珠三角地區(qū)教育局相繼開展3D打印培訓(xùn)課程.目前，3D打印技術(shù)校本課程正以發(fā)達城市為中心，向全國更多地區(qū)蔓延開展.

3D打印技術(shù)校本課程雖然是從2014年開始陸續(xù)在中小學(xué)開展，但到2019年仍處于探索時期，存在不少的問題.一是對教師要求高，師資力量缺乏，大多數(shù)教師都沒有接觸過3D打印技術(shù).二是教育部并未頒布3D打印課程相應(yīng)教材，課程內(nèi)容設(shè)置的靈活性較大，學(xué)校缺乏完善課程體系，不利教學(xué)良性發(fā)展[5].

因此，本文將設(shè)計發(fā)電機模型3D打印校本課程方案，充分挖掘3D打印的教育價值，為各學(xué)校開展3D打印校本課程提供案例.

2 STEAM教育

STEAM教育的前身為20世紀80年代美國人提出的STEM教育，該教育包含4個學(xué)科：Science(科學(xué))、Technology(技術(shù))、Engineering(工程)以及Mathematics(數(shù)學(xué))，由奧巴馬大力推進這種綜合課程的實施[6]，旨在培養(yǎng)學(xué)生的解決問題、團隊合作及實踐創(chuàng)新能力.隨后，在原有4科的基礎(chǔ)上加入了Art(藝術(shù))學(xué)科，多學(xué)科融合得到STEAM教育.STEAM是一種多元學(xué)科結(jié)合的創(chuàng)造性產(chǎn)物，主要強調(diào)跨學(xué)科融合，以項目式學(xué)習(xí)的方式，運用多元學(xué)科去解決真實情境中出現(xiàn)的問題.STEAM教育理念與3D打印課程教學(xué)相融合，結(jié)合物理學(xué)是一門科學(xué)，3D打印作為一門技術(shù)，打印出來的零件組成設(shè)備是一項工程，在3D打印過程中需要數(shù)學(xué)、幾何知識進行相關(guān)建模，并需要對零件或設(shè)備加以色彩、造型的搭配，從完成工程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與動手能力.

3 3D打印校本課程的設(shè)計

基于STEAM的3D打印校本課程定位為一門綜合課程，教學(xué)內(nèi)容不僅僅是Solidworks建模軟件與3D打印機使用的學(xué)習(xí)，還應(yīng)將科學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)及數(shù)學(xué)有機融合，團隊合作解決實際問題.因此，本文設(shè)計了一套適合高中學(xué)校開展的發(fā)電機模型3D打印校本課程實施方案，包含了8課時的內(nèi)容，每課時80 min.課程類型分為操作類課程、項目類課程、展示類課程，知識由淺入深，學(xué)生從個人設(shè)計到團隊合作運用3D打印技術(shù)完成“交變電流發(fā)電機”的制作.該實施方案如表1所示.

表1 3D打印校本課程實施方案

3.1 操作類課程課例——拉伸凸臺/切除特征

(1)導(dǎo)入新課

師：我們這門課定下的目標是用3D打印技術(shù)制作出交變電流發(fā)電機.元件是三維立體的，而上節(jié)課先學(xué)習(xí)了Soildworks畫二維圖像，這節(jié)課就開始學(xué)習(xí)繪制三維立體模型.發(fā)電機是由線圈、磁鐵、集電環(huán)、電刷、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸支架、手柄等交變電流發(fā)電機模型元件組成(圖1).發(fā)電機要轉(zhuǎn)動起來，最核心的部件是轉(zhuǎn)軸，那轉(zhuǎn)軸是屬于什么形狀的物體呢？

圖1 發(fā)電機構(gòu)造圖

生：可以看作是圓柱體.

師：同學(xué)們回答得很正確，那我們可以怎么在Solidworks軟件繪制出圓柱體形狀的轉(zhuǎn)軸呢？這就和今天所學(xué)的拉伸凸臺特征功能有關(guān)了.

(2)介紹拉伸凸臺特征——以轉(zhuǎn)軸圖繪制為例

師：拉伸就是把一個草圖沿垂直方向伸長，伸長的方向可以是單向或雙向的.拉伸凸臺/基體的操作方法是繪制好平面草圖后，在特征工具欄中單擊【拉伸凸臺/基體】圖標，然后設(shè)置對話框，選擇拉伸的終止類型.下面同學(xué)們跟著老師一起以繪制轉(zhuǎn)軸圖.我們先繪制x-y平面圓，再對圓進行拉伸(圖2).

圖2 “拉伸凸臺”操作圖

(3)牛刀小試

布置任務(wù)：

1)繪制中心對稱長140 mm、寬100 mm、厚16 mm (切除中心對稱長120 mm、寬80 mm長方體、厚16 mm的長方體)的線圈框，并在100 mm×16 mm平面中心位置切除半徑為5 mm、長為140 mm的圓柱體.

2)轉(zhuǎn)軸可穿過線圈框，請學(xué)生們設(shè)計轉(zhuǎn)軸支架并繪制三維圖像.

(4)介紹拉伸切除特征——以線圈框圖繪制為例

師：拉伸切除的操作方法是繪制想要的平面草圖后在特征工具欄中單擊【拉伸切除】圖標，然后設(shè)置對話框，可選擇完全貫穿，并設(shè)置所需的拉伸切除的總深度.下面同學(xué)們跟著老師一起以繪制線圈框圖.先運用拉伸凸臺特征繪制大長方體，再在大長方體中用拉伸切除特征切除小長方體，最后在線框中心切除轉(zhuǎn)軸大小部分(圖3).

圖3 “拉伸切除”操作圖

(5)鞏固提升

布置任務(wù)：3人為一組，討論完成電刷(圖4)的簡化圖，并嘗試將2個電刷與支架繪制在同一幅設(shè)計中，便于打印的穩(wěn)固性.電刷+支架模型圖范例如圖5所示.

圖4 電刷實物圖

圖5 電刷+支架模型圖范例

3.2 項目類課程課例——圓角特征、抽殼特征

(1)創(chuàng)設(shè)情境

師：通過之前的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)學(xué)會繪制發(fā)電機所有元件的模型圖了.組裝的尺寸通常設(shè)置得剛好，但是打印存在誤差，我們可以怎么樣將元件順利組裝起來呢？

生：可以打印完打磨各部分元件.

師：這也不失一個方法，其實我們已經(jīng)學(xué)完了5種基礎(chǔ)特征建模方法，Solidworks軟件還設(shè)置了附件特征建模的功能.其中，圓角特征就可以很好解決組裝問題了.今天我們主要學(xué)習(xí)圓角特征與抽殼特征.

(2)介紹圓角特征

師：圓角特征是建立與設(shè)定邊線相連的兩個曲面相切的曲面，使實體曲面實現(xiàn)圓滑過渡.圓角特征步驟是，先選擇一個基體，再點擊特征欄當中的圓角，然后選擇一個圓角類型(圖6).

圖6 “圓角”操作圖

(3)牛刀小試

布置任務(wù)：運用圓角功能修改“轉(zhuǎn)軸支架”模型圖，方便組裝順滑.修改前與修改后范例如圖7所示.

圖7 “轉(zhuǎn)軸支架”模型圖

(4)交流與合作

教師布置課程的終極任務(wù)(見圖8)引導(dǎo)學(xué)生通過小組合作的方式，設(shè)計交流發(fā)電機各部分元件的建模圖，并自學(xué)附加特征功能設(shè)計發(fā)電機的一些裝飾品，在學(xué)習(xí)3D打印機的使用后打印出作品最后于第8課時中展示.

圖8 課程終極任務(wù)

設(shè)計意圖：以小組方式完成指定的教學(xué)任務(wù)，是“項目式學(xué)習(xí)”的體現(xiàn).學(xué)生通過小組討論、互相學(xué)習(xí)，感受到了合作精神，并解決了實際問題，是STEAM教育理論的有效實踐.

3.3 3D打印“交變電流發(fā)電機”的意義及應(yīng)用

在粵教版選修3-2“交變電流”一節(jié)中介紹了交流發(fā)電機的工作原理，分析了發(fā)電機中線圈在不同位置時產(chǎn)生電流的方向.但是教科書上示意圖是二維的，需要學(xué)生加以想象才能理解，而圖9的3D打印交流發(fā)電機模型將抽象的知識立體化，便于學(xué)生清楚了解發(fā)電機的構(gòu)造及產(chǎn)生電流的原理，提升學(xué)生興趣之余也提高了教學(xué)效果.這反映了在3D打印校本課程中融合STEAM教育能夠使知識可視化，演變出創(chuàng)客式的教學(xué)新模式，提供科技創(chuàng)新的平臺，推動智慧教育的發(fā)展，實現(xiàn)平面教育到立體教育的轉(zhuǎn)變[7].

圖9 3D打印交流發(fā)電機模型

4 總結(jié)

基于STEAM教育開展的3D打印高中校本課程是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)過程中，把科學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)及數(shù)學(xué)相融合，通過項目式學(xué)習(xí)的方式團隊解決實際問題，從中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手實踐能力，這一舉措提升了3D打印校本課程的教學(xué)效果.在教育研究者以及一線優(yōu)秀教師的共同努力下，3D打印一定會給教學(xué)創(chuàng)造新的局面，也期待3D技術(shù)在中國更多的學(xué)校得到普及！