基于STEAM的教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐
——以太空行星3D打印課程為例

（龍巖市招生考試中心，福建 龍巖 364000）

一、基于STEAM理念的高中通用技術(shù)學(xué)科教學(xué)改革背景

STEAM（Science，Technology，Engineering，Art，Mathematics）即科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)英文名詞的首字母結(jié)合，旨在培養(yǎng)未來人工智能時代具備解決實(shí)際問題能力的跨學(xué)科、協(xié)作性和藝術(shù)性人才。在我國，中學(xué)教育新課程改革正逐步推進(jìn)。但客觀來說，在目前高考指揮棒壓力下，距離高中通用技術(shù)學(xué)科要求的物化能力、工程思維和創(chuàng)新設(shè)計(jì)還有很大差距。3D打印具有定制成本低、自由度高等特點(diǎn)，可充分發(fā)揮學(xué)生的工程實(shí)踐能力、空間設(shè)計(jì)和美學(xué)培養(yǎng)等。本文介紹了基于STEAM理念的3D打印太空行星教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐，探索STEAM教育理念在高中通用技術(shù)學(xué)科的發(fā)展與落地。

二、太空行星3D打印課程教學(xué)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)前置信息

使用的主要硬件設(shè)備有計(jì)算機(jī)和3D打印機(jī)，工作軟件為SolidWorks和UP Studio，分別用于制作太空行星3D模型渲染和控制3D打印機(jī)硬件。要求教師具備熟練使用設(shè)備及軟件的能力，學(xué)生具備一定的自主學(xué)習(xí)能力。本文選取的章節(jié)片段教學(xué)基本目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)學(xué)生小組團(tuán)隊(duì)自由設(shè)計(jì)具有一定美術(shù)欣賞價值的星球模型。

2.教學(xué)設(shè)計(jì)過程

第一，導(dǎo)入相關(guān)3D打印制作微視頻，吸引學(xué)生的注意力和興趣力，使用的主要設(shè)備包括投影儀。第二，教師講授SolidWorks軟件的使用方法，由教師手把手通過大屏幕進(jìn)行演示。目的在于讓學(xué)生直觀上盡快學(xué)會該軟件的基本使用方法，并能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)三維圖形。對學(xué)生的小考核包括練習(xí)畫一個半徑為3CM的球體。第三，教師講授3D打印機(jī)的使用步驟。包括3D打印機(jī)對應(yīng)的UP Studio軟件操作方法。教師手把手演示，目的在于把三維圖打印成實(shí)體模型。對學(xué)生的小考核包括把上個階段設(shè)計(jì)的3CM球體，打印出實(shí)體。第四，以小組為單位，對學(xué)生進(jìn)行分組，要求合作完成他們設(shè)想的太空行星。要求獨(dú)立查詢相關(guān)天體知識，可以附加藝術(shù)設(shè)計(jì)效果。教師在這個單元中，負(fù)責(zé)協(xié)助完成學(xué)生組隊(duì)過程中無法解決的疑難點(diǎn)。第五，成品展示和交流。各學(xué)生組隊(duì)上臺進(jìn)行實(shí)體展示，并由學(xué)生本人進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)游說，臺下學(xué)生觀眾對其進(jìn)行批評交流，充分鍛煉學(xué)生的演說能力和批判性思維。第六，總結(jié)和拓展。由教師對各學(xué)生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行點(diǎn)評，鼓勵學(xué)生，并提出后續(xù)發(fā)展方向，如制作莫比烏斯環(huán)（Mobius Band）等較高藝術(shù)難度和數(shù)學(xué)難度的空間結(jié)構(gòu)。

3.相關(guān)重點(diǎn)步驟演示

本段詳細(xì)介紹二個具體的教學(xué)細(xì)節(jié)，選擇SolidWorks中的畫球體操作（三維設(shè)計(jì)，軟件部分）和UP Studio的3D打印機(jī)操作（硬件部分）。首先，打開SolidWorks軟件，選擇“零件”菜單，然后在二級菜單中選擇“草圖繪制”。選中草圖中的畫圓工具，按照教師要求畫一個完整的圓（輸入要求的半徑，也可使用“智能尺寸”選項(xiàng)）。而后使用直線工具，過該圓圓心任意畫一條直線，而后在工具欄中選中“剪裁實(shí)體”選項(xiàng)。在裁剪出一個半圓后，保存該草圖。然后打開特征欄選項(xiàng)，選擇“選擇基體”按鈕，則生成了一個完整的符合半徑要求的3D球體，最后，把該3D圖保存為STL格式。

而后打開UP Studio軟件。選中“UP”按鈕，然后添加本地文件，選擇之前保存的星球模型STL格式文件。把圖像中球體模型放入虛擬的打印框正中央?yún)^(qū)域，然后要求學(xué)生們檢查打印機(jī)（重點(diǎn)步驟，學(xué)生們經(jīng)常忘記），檢查打印機(jī)的底盤是否牢固就位、干凈無異物等。而后連接3D打印機(jī)，打開打印機(jī)并進(jìn)行軟件初始化操作。打印完成后，要求學(xué)生把打印實(shí)體（行星模型）跟打印機(jī)底盤同時取下，取走打印實(shí)體后，即可對打印機(jī)底盤進(jìn)行清洗，并立即復(fù)位（學(xué)生難以規(guī)范操作，需反復(fù)提醒）。

另外，由于3D打印操作性較強(qiáng)，教師需要對3D打印機(jī)的使用作詳細(xì)介紹。如打印機(jī)的結(jié)構(gòu)組成部分，可以細(xì)分為電器部分、機(jī)械部分和軟件部分。學(xué)生應(yīng)直觀了解嵌入式硬件驅(qū)動下的材料形成過程，涉及部件包括微型計(jì)算機(jī)、運(yùn)動控制器、室溫控制器（測溫元件、加熱元件）和材料溫控器等。在打印機(jī)平臺水平校準(zhǔn)環(huán)節(jié)中，教師可以以學(xué)生小組為單位進(jìn)行演示。水平校準(zhǔn)時，要提前清理好打印頭和打印板。在物料消耗完畢或需要更換其他物料操作時，應(yīng)反復(fù)提示學(xué)生需等待系統(tǒng)加溫提示音的結(jié)束后，方可加入物料至進(jìn)料口，同時注意手部不要觸屏打印口，避免二次污染。

三、STEAM教育理念下太空行星3D打印課程的教學(xué)設(shè)計(jì)理念

1.全面素質(zhì)發(fā)展，面向解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)

從章節(jié)二太空行星3D打印課程教學(xué)設(shè)計(jì)中可以看到，STEAM理念貫徹落實(shí)在全程每個步驟。學(xué)生們需要對星球知識有更多的理解，學(xué)會搜索引擎的使用方法。SolidWorks中的編程技術(shù)可以鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力和數(shù)學(xué)能力培養(yǎng)。我們特地引入了藝術(shù)附加分的單元，目的在于引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)揮空間設(shè)計(jì)感和美學(xué)設(shè)計(jì)能力，也是對STEAM中藝術(shù)的落地實(shí)踐。

2.學(xué)生為主，教師為輔

在該單元教授的過程中，學(xué)生們需要大量使用搜索引擎和專業(yè)社區(qū)網(wǎng)站對相關(guān)知識進(jìn)行搜索。我們允許學(xué)生使用網(wǎng)絡(luò)資料，但是必須注明出處。另外，學(xué)生會對現(xiàn)代編程技術(shù)有個啟蒙認(rèn)識，教師在后續(xù)單元總結(jié)中，會對當(dāng)下熱門的軟件工程、人工智能等學(xué)科，進(jìn)行概括式介紹。充分實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主、教師為輔，面向解決問題為目的的驅(qū)動式教學(xué)。

3.項(xiàng)目式教學(xué)

我們在教學(xué)設(shè)計(jì)中后續(xù)特地進(jìn)行分組，并提高制作難度，除了鍛煉學(xué)生的科技使用能力之外，另外一個重要目標(biāo)在于鍛煉培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力（Teamwork）。通過演說，我們引導(dǎo)展示方對自己作品進(jìn)行最大程度的優(yōu)點(diǎn)游說，以及觀眾（反方）對作品進(jìn)行批評，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和演講能力。