基于STEAM 教育理念的初中3D 打印校本課程設(shè)計(jì)與實(shí)施

張惠姍

[摘要]近年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的普及，越來(lái)越多的學(xué)校開設(shè)3D打印課程，希望通過(guò)課程的開展，推動(dòng)“雙減”政策，落實(shí)立德樹人，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。本文以“3D小車設(shè)計(jì)與制作”教學(xué)為例，探索課程設(shè)計(jì)的新思路，建立起課本理論知識(shí)與生活實(shí)際相結(jié)合的紐帶，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。研究發(fā)現(xiàn)，STEAM教育理念的實(shí)施，不僅有助于培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，也為教師的教學(xué)提供了一定的參考和借鑒。本文是“基于STEAM理念的初中3D打印校本課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究”的成果之一。

[關(guān)鍵詞]STEAM教育;3D打印;校本課程

一、項(xiàng)目設(shè)計(jì)

近年來(lái)，3D打印走進(jìn)中小學(xué)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域。為了順應(yīng)未來(lái)發(fā)展的需要，我校于2019年建立了3D打印創(chuàng)客社團(tuán)，開設(shè)了3D打印特色校本課程，該課程針對(duì)七、八年級(jí)學(xué)生開設(shè)。教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的學(xué)習(xí)情景，讓學(xué)生把理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，利用3D打印技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題，以此培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用多門學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，增強(qiáng)合作意識(shí)。

在了解學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)之后，經(jīng)過(guò)與物理、數(shù)學(xué)、美術(shù)教師充分討論，筆者設(shè)計(jì)實(shí)施了“3D小車設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目課程。該項(xiàng)目主要包含以下八項(xiàng)流程。

（一）發(fā)布任務(wù)

作為兒時(shí)玩具的滑行小車，承載了同學(xué)們很多美好的童年回憶。為引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，搭建學(xué)生展現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)的平臺(tái)，整合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，綜合提升學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，我校3D打印創(chuàng)客社團(tuán)舉辦“重拾美好·駛向未來(lái)”3D小車比賽，包含3D小車設(shè)計(jì)比賽及比遠(yuǎn)比賽。

1.參數(shù)規(guī)格：長(zhǎng)度為11-13cm;寬度為8-10cm;小車左右輪距為5-6cm，小車前后軸距為9-10cm。打印材料長(zhǎng)度20米的白色PLA耗材，需對(duì)小車進(jìn)行上色。

2.3D小車設(shè)計(jì)比賽：在滿足小車參數(shù)規(guī)格條件下，依據(jù)3D作品評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)3D小車造型設(shè)計(jì)、顏色搭配等進(jìn)行評(píng)比，評(píng)出“3D小車最佳設(shè)計(jì)獎(jiǎng)”。

3.3D小車比遠(yuǎn)比賽：賽道是一個(gè)60cm高、60cm寬、30°斜面，斜面底端接一個(gè)帶有拐角且逐漸變窄的木板，具體參數(shù)見下圖。在斜面頂端有一個(gè)裝置，用于固定小車。小車裝上100g砝碼后，放在斜面頂部，斜面頂端有一個(gè)裝置，固定小車。裝置松開后，小車自然沿著斜面下滑，然后從斜面底部開始向前滑行，以前進(jìn)的距離決定成績(jī)。比遠(yuǎn)規(guī)則：

（1）小車從斜面上掉落，成績(jī)?yōu)?;

（2）小車無(wú)法被爪子抓住，成績(jī)?yōu)?;

（3）小車不符合規(guī)格和參數(shù)要求，成績(jī)?yōu)?;

（4）小車停止后，以小車最后點(diǎn)與斜面底部垂直距離為比賽成績(jī)。

（二）學(xué)生調(diào)查和分析

學(xué)生了解小車的定義、分組查閱有關(guān)小車的材料，并嘗試對(duì)小車進(jìn)行分類。

（三）學(xué)習(xí)小車的分類及其結(jié)構(gòu)

通過(guò)教師的講解，學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)探究阻力對(duì)小車運(yùn)動(dòng)的影響，提煉出解決問(wèn)題的基本思想和方法，并將其運(yùn)用到自己的設(shè)計(jì)中。

（四）繪制小車草圖

學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，針對(duì)實(shí)際任務(wù)，選擇合適的小車類型，完成小車的初步設(shè)計(jì)。

（五）計(jì)算小車各組成部分參數(shù)

對(duì)照小車參數(shù)規(guī)格，依據(jù)草圖計(jì)算車身、車軸、車輪等相關(guān)結(jié)構(gòu)的尺寸并標(biāo)注。

（六）修改并完善小車設(shè)計(jì)草圖，建立3D模型

根據(jù)所設(shè)計(jì)的草圖，使用3D One軟件建立模型。在實(shí)際3D建模中，進(jìn)一步修改并完善小車設(shè)計(jì)草圖。

（七）3D打印、上色及裝配

使用CURA軟件進(jìn)行切片，打印、上色、裝配，并進(jìn)行測(cè)試和修改完善。

（八）項(xiàng)目展示、評(píng)價(jià)和總結(jié)

舉行“3D小車最佳設(shè)計(jì)”比賽和“3D小車比遠(yuǎn)”比賽，各項(xiàng)目小組匯報(bào)并展示本小組作品，通過(guò)小組自評(píng)、組間互評(píng)和教師評(píng)價(jià)等方式綜合評(píng)價(jià)各項(xiàng)目小組，并對(duì)獲獎(jiǎng)?wù)哌M(jìn)行頒獎(jiǎng)。

二、“3D小車”建模教學(xué)設(shè)計(jì)

筆者著重介紹項(xiàng)目第6項(xiàng)流程中的“3D小車建?！苯虒W(xué)設(shè)計(jì)情況。

（一）教學(xué)背景與學(xué)習(xí)準(zhǔn)備

在前期課程中，我們學(xué)習(xí)了小車的定義，了解了常見類型小車的結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)，并且以小組為單位根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的小車，繪制好了草圖。本節(jié)課，我們將小車草圖通過(guò)3D One軟件建?！?D小車”模型，并通過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)，上色及裝配成一輛完整的3D小車。

教學(xué)目標(biāo)：在“科學(xué)”方面，進(jìn)一步了解所選擇小車類型的結(jié)構(gòu)及功能特征;在“技術(shù)”方面，進(jìn)一步掌握移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、鏡像、抽殼等基本命令操作，掌握了3D打印的流程及操作方法;在“工程”方面，熟悉工程設(shè)計(jì)的流程，能根據(jù)小車草圖設(shè)計(jì)建模出“3D小車”模型;在“藝術(shù)”方面，設(shè)計(jì)出輕便快捷且新穎獨(dú)特的小車，并對(duì)小車進(jìn)行上色裝扮，注重色彩搭配;在“數(shù)學(xué)”方面，指導(dǎo)如何利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，了解角度、刻度單位、三視圖等知識(shí)。

資源準(zhǔn)備：PLA耗材+3D打印機(jī)（8套），熱熔膠+熱熔槍（2套），砂紙（8張）、銼刀（8把）、尺子（6把）等材料;“3D小車設(shè)計(jì)與制作”微視頻、學(xué)習(xí)卡等。

（二）教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程

1.項(xiàng)目回顧

教師通過(guò)項(xiàng)目回顧引導(dǎo)學(xué)生深化認(rèn)識(shí)，明確限制條件，促進(jìn)學(xué)生對(duì)本組設(shè)計(jì)方案的反思和優(yōu)化。課堂上，教師引導(dǎo)學(xué)生回顧本項(xiàng)目（設(shè)計(jì)小車）的具體任務(wù)，并請(qǐng)A、B兩個(gè)小組結(jié)合上節(jié)課設(shè)計(jì)好的小車草圖來(lái)分享“為什么選擇該小車類型？創(chuàng)新點(diǎn)在哪里？”A小組選擇的是“四輪軸動(dòng)小車”，給出的理由一是增加小車的穩(wěn)定性，二是增加小車的平衡，同時(shí)為減少小車運(yùn)動(dòng)時(shí)車輪與賽道的摩擦力，設(shè)計(jì)了寬為5mm的車輪。而B小組選擇“四輪輪動(dòng)小車”，小車造型參照四驅(qū)車輪廓，使小車更加炫酷好看。為最大程度減少小車運(yùn)動(dòng)與賽道的摩擦力，利用兩個(gè)相同的圓臺(tái)反向組合，設(shè)計(jì)了與賽道接觸面為一條直線的車輪。另外，把小車四輪設(shè)置在內(nèi)側(cè)，減少車輪滑行與拐角接觸。

教師肯定了A小組的設(shè)計(jì)方案合理可行，表?yè)P(yáng)了B小組的設(shè)計(jì)想法新穎獨(dú)特，既能考慮到小車造型設(shè)計(jì)，更能突破小車滑行的關(guān)鍵點(diǎn)——車輪與賽道的摩擦力及車輪與拐角的接觸。同時(shí)提醒學(xué)生在實(shí)際設(shè)計(jì)小車的過(guò)程中，不僅要考慮項(xiàng)目給出的條件參數(shù)，還要考慮小車的材料及實(shí)際打印參數(shù)誤差等因素。

2.闡述本節(jié)課任務(wù)

本節(jié)課的教學(xué)任務(wù)，是通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生將小車草圖設(shè)計(jì)通過(guò)3D One軟件進(jìn)行建模，讓學(xué)生明確階段性任務(wù)，促進(jìn)項(xiàng)目的延續(xù)性實(shí)施。教師提出疑問(wèn)：如何設(shè)置車輪，減少小車車輪與賽道的接觸面，從而使小車滑行得更遠(yuǎn)？學(xué)生應(yīng)用物理中減少車輪與賽道的接觸面來(lái)減少摩擦力。但是，接下來(lái)有學(xué)生提出：賽道有一個(gè)凸出的拐角，如何設(shè)計(jì)小車有效地減少小車滑行與拐角撞擊。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之后，很多學(xué)生想到了可以給小車增加防撞設(shè)置。筆者充分肯定了他們的想法，同時(shí)提出小車的設(shè)計(jì)需注重實(shí)用性，除了增加防撞設(shè)置，還可以從小車自身結(jié)構(gòu)出發(fā)加以改造，從而起到更好的防撞保護(hù)作用，使小車滑行得更遠(yuǎn)。接著，教師展示了“3D小車”的參數(shù)規(guī)格、設(shè)計(jì)評(píng)比及滑行比遠(yuǎn)要求，啟發(fā)學(xué)生思考。教師順勢(shì)提問(wèn)：“3D小車”的設(shè)計(jì)主要包括了幾個(gè)部分？學(xué)生討論后給出正確答案：車身（含砝碼卡槽、車軸卡槽）、車軸、車輪。

至此，教師提出任務(wù)：為提高小車建模效率，請(qǐng)各小組先根據(jù)小車?yán)L制草圖，需考慮打印誤差，分別計(jì)算出小車各部分的參數(shù)，然后分工合作，利用3D One軟件共同完成“3D小車”的建模。

3.計(jì)算小車各部分（車身、車軸、車輪）的參數(shù)

此環(huán)節(jié)是小車打印出來(lái)能否成功裝配的關(guān)鍵所在。通過(guò)讓學(xué)生先認(rèn)真計(jì)算小車各部分（車身、車軸、車輪）的參數(shù)，再依據(jù)參數(shù)進(jìn)行3D建模。這樣的訓(xùn)練可以促進(jìn)學(xué)生抽象思維能力的發(fā)展和數(shù)學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。在學(xué)生根據(jù)條件計(jì)算小車各部分（車身、車軸、車輪）參數(shù)的過(guò)程中，教師給予指導(dǎo)，比如提示學(xué)生需考慮打印誤差。

4.修改并完善小車設(shè)計(jì)草圖，建立3D模型

教師參與到其中，對(duì)他們的討論進(jìn)行必要的補(bǔ)充、完善，使之思路更為清晰，增強(qiáng)信心。學(xué)生在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)學(xué)習(xí)并應(yīng)用技術(shù)完成“3D小車”建模，這樣能更好地促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握3D設(shè)計(jì)與建模。由于各小組的工作進(jìn)度不一致，教師提供了“3D小車建模”微視頻。學(xué)生可以根據(jù)教師的講解去設(shè)計(jì)符合本組要求的“3D小車”。各小組完成設(shè)計(jì)建模后開始打印。

B小組遇到了問(wèn)題：利用兩個(gè)相同圓臺(tái)反向組合設(shè)計(jì)與賽道接觸面為一條直線的車輪，該圓臺(tái)的高應(yīng)拉伸多大以確保車輪的穩(wěn)定性？教師從實(shí)際情況考慮，建議該圓臺(tái)的高應(yīng)不小于5mm。教師發(fā)現(xiàn)大部分選擇設(shè)計(jì)“四輪軸動(dòng)小車”的學(xué)生只考慮了車軸與車輪的參數(shù)吻合，卻忽略了車輪與車軸卡槽之間應(yīng)預(yù)留間隔使得小車順利滑行。于是提示他們：軸動(dòng)小車依靠滾動(dòng)軸滑行，必須考慮車軸與車軸卡槽的間距，否則車軸被卡死無(wú)法滑行。筆者建議學(xué)生必須先細(xì)化分解小車各組成部分（車身、車軸、車輪），然后根據(jù)選擇小車類型“四輪軸動(dòng)小車”或是“四輪輪動(dòng)小車”，充分考慮小車滑行關(guān)鍵點(diǎn)，從而計(jì)算出各組成部分（車身、車軸、車輪）的具體參數(shù)，最后再進(jìn)行“3D小車”建模。學(xué)生先確定了小車類型，若是選擇“四輪軸動(dòng)小車”，車軸卡槽必須大于車輪直徑（大于范圍控制在1.5mm內(nèi)）。若是選擇“輪動(dòng)小車”，車輪卡槽必須大于車輪直徑（大于范圍控制在1.5mm內(nèi)）。經(jīng)過(guò)不斷修改與完善，部分小組順利完成了本階段任務(wù)，并設(shè)計(jì)建模出了“3D小車”模型。

5.測(cè)試并修改

測(cè)試并修改是項(xiàng)目實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生逐一通過(guò)“距離測(cè)量”命令再次檢驗(yàn)實(shí)際設(shè)置參數(shù)是否滿足需求，并作出相應(yīng)調(diào)整。在這個(gè)過(guò)程中，教師針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題不斷追問(wèn)，這樣能很好地促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展。

A小組進(jìn)度比較快，在上節(jié)課的基礎(chǔ)上完成了車身的設(shè)計(jì)建模，并且設(shè)計(jì)預(yù)留好了車輪與車軸卡槽的合適間隔，很快就完成“3D小車”各部分的設(shè)計(jì)與建模，但是在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)了砝碼卡槽沒(méi)有與車身組合成一體。教師抓住這個(gè)課堂生成的問(wèn)題，引導(dǎo)該小組思考假設(shè)砝碼卡槽沒(méi)有與車身組合成一體，對(duì)小車后期的打印、裝配以及比遠(yuǎn)是否有影響？A小組某一學(xué)生自信地回答：“對(duì)后面環(huán)節(jié)并沒(méi)有多大問(wèn)題。砝碼卡槽與車身分離，打印后可用熱熔膠使其連接?！苯處熇^續(xù)追問(wèn)：“那是否考略到砝碼卡槽裝載著100g的砝碼，并從一定高度的斜角滑行下來(lái)，經(jīng)過(guò)拐角撞擊后會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，你們覺(jué)得會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？”另一個(gè)小組的某些學(xué)生回答：“砝碼卡槽可能因?yàn)樽矒舳撾x小車，導(dǎo)致砝碼無(wú)法安裝到小車上，比賽成績(jī)?yōu)??！苯處煟骸安诲e(cuò)，那A小組需要怎么調(diào)整修改呢？”A小組的某一學(xué)生反思后回答：“我們需要設(shè)計(jì)車身與砝碼卡槽是緊密相連并組合為一體的。”教師：“非常好！所以我們?cè)谶M(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)建模時(shí)，我們不僅要考慮項(xiàng)目限制條件，還要考慮現(xiàn)實(shí)條件，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。請(qǐng)各小組針對(duì)測(cè)試中出現(xiàn)的問(wèn)題認(rèn)真改進(jìn)，下節(jié)課，我們繼續(xù)設(shè)計(jì)和打印、上色，然后裝配好我們的3D小車，最后進(jìn)行3D小車最佳設(shè)計(jì)比賽和3D小車比遠(yuǎn)比賽?！?/p>

三、反思與總結(jié)

通過(guò)基于STEAM教育理念的“3D小車設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目實(shí)施與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，筆者認(rèn)為，依托3D打印開展初中3D打印校本課程應(yīng)該注意以下五點(diǎn)：

（一）強(qiáng)調(diào)問(wèn)題源于現(xiàn)實(shí)生活

開展3D打印校本課程教學(xué)以來(lái)，筆者開發(fā)了“炫酷燈具”“小車”“小船”等貼近學(xué)生生活的實(shí)踐項(xiàng)目。如“小車”這個(gè)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)小車的任務(wù)來(lái)源于生活，這樣，更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二）強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目任務(wù)的分解

我們可將綜合項(xiàng)目分解成多個(gè)具體可操作性的任務(wù)。對(duì)于初中階段的學(xué)生，只有課程目標(biāo)明確，教師才更容易把控項(xiàng)目進(jìn)度。

（三）強(qiáng)調(diào)STEAM教育理念的工程實(shí)踐

工程實(shí)踐過(guò)程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生像工程師一樣參考資料、查閱數(shù)據(jù)，還要指導(dǎo)學(xué)生按照“工程設(shè)計(jì)流程”付諸實(shí)施。在實(shí)施過(guò)程中，要求學(xué)生深入思考并科學(xué)建模，這有利于增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度，降低打印難度。

（四）強(qiáng)調(diào)3D的工具性

3D打印具有物化學(xué)生創(chuàng)意設(shè)計(jì)的功能。但在STEAM項(xiàng)目中，物化本身并不是核心。我們需要突出3D打印的工具性，以解決項(xiàng)目實(shí)施中的關(guān)鍵問(wèn)題。本項(xiàng)目中，3D打印主要用來(lái)物化模型。教學(xué)重點(diǎn)在于教會(huì)學(xué)生應(yīng)用技術(shù)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

（五）強(qiáng)調(diào)多學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用

通過(guò)實(shí)踐，學(xué)生能綜合應(yīng)用信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理、工程、美術(shù)等多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題。教師在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)重視培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用各學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，從而使學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)有更深層次的理解與認(rèn)識(shí)。

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)得到了物理、數(shù)學(xué)、美術(shù)等教師的認(rèn)可：在學(xué)生了解小車的定義、類型和功能特點(diǎn)之后，教師指導(dǎo)學(xué)生利用小車草圖進(jìn)行3D設(shè)計(jì)與建模，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。課堂上，學(xué)生綜合應(yīng)用信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理、工程、美術(shù)等知識(shí)設(shè)計(jì)小車模型、分解小車結(jié)構(gòu)、計(jì)算各組成部分的具體參數(shù)，最后通過(guò)3D One軟件設(shè)計(jì)建模出來(lái)，修改與完善后完成本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。本項(xiàng)目的教學(xué)很好地踐行了STEAM的教育理念。

參考文獻(xiàn)

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