基于3D打印技術(shù)進(jìn)行STEAM教學(xué)的運(yùn)用與探索

吳振興

摘 要：2017年的小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提出人類為實(shí)現(xiàn)自己的需要，對(duì)已有的物質(zhì)材料和生活環(huán)境加以系統(tǒng)性的開發(fā)、生產(chǎn)、加工、建造等，這便是工程，工程的核心是建造。運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)和工程，人類創(chuàng)造了豐富多彩的人工世界。伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，3D打印技術(shù)也在日益成熟。運(yùn)用3D打印技術(shù)在六年級(jí)開展跨學(xué)科STEAM教學(xué)的運(yùn)用與探索。

關(guān)鍵詞：3D打印；STEAM活動(dòng)；探索

2013年地平線報(bào)告提出：3D打印是未來值得我們關(guān)注的一種新的技術(shù)，它可能會(huì)給我們帶來教學(xué)、學(xué)習(xí)和研究領(lǐng)域的變革。近年來，很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始研究3D打印技術(shù)對(duì)教學(xué)的改革，嘗試促進(jìn)3D打印技術(shù)與現(xiàn)代教育的融合，配置3D打印機(jī)，并進(jìn)行相關(guān)的師資培訓(xùn)，從而培養(yǎng)出更加適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)、制造的人才，從而提高自身的綜合競爭力。

一、課程背景分析

學(xué)生在五年級(jí)（教科版小學(xué)科學(xué)教材）學(xué)習(xí)了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。教師指導(dǎo)學(xué)生通過觀察、閱讀、制作等活動(dòng)，了解工程師職業(yè)特點(diǎn)。讓學(xué)生意識(shí)到工程師和科學(xué)家不同，科學(xué)家探索世界以發(fā)現(xiàn)科學(xué)原理，而工程師根據(jù)科學(xué)原理設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品給人類生活帶來方便和舒適。

本課在設(shè)計(jì)時(shí)要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間里設(shè)計(jì)一座有一定大小和載重能力的橋。學(xué)生在經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制作和交流評(píng)價(jià)的過程中，能夠發(fā)展諸方面的素養(yǎng)，也可以為本單元的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)提供更有力的證據(jù)。

二、整合教學(xué)流程

本課有兩個(gè)活動(dòng)：第一，設(shè)計(jì)橋要考慮哪些問題。本部分是對(duì)學(xué)生如何設(shè)計(jì)作指導(dǎo)。在設(shè)計(jì)橋時(shí)，需要綜合考慮許多因素，如材料的特性和數(shù)量、形狀和結(jié)構(gòu)、部件的組合和連接等等。第二，介紹評(píng)價(jià)我們的橋。這是制作好紙橋后的活動(dòng)，是一個(gè)必要的過程，可以達(dá)到前面教學(xué)不能達(dá)到的目標(biāo)，如培養(yǎng)表達(dá)、評(píng)價(jià)等方面的能力。

（一）本課就從查閱相關(guān)資料開始

通過指導(dǎo)學(xué)生查閱這兩種橋的相關(guān)資料：

1.各式各樣的拱橋

要指導(dǎo)學(xué)生從找出的拱橋照片中發(fā)現(xiàn)它們的相同之處和不同之處，找出各自的優(yōu)點(diǎn)所在。從橋拱與橋面相對(duì)位置的角度來引導(dǎo)學(xué)生研究。

2.大跨度的鋼索橋

這部分內(nèi)容要求在觀察的基礎(chǔ)上讓學(xué)生找一找、說一說鋼索橋的結(jié)構(gòu)和顯著特點(diǎn)。鋼索橋主要由鋼纜、橋塔、橋面組成。鋼纜是橋承重的主要構(gòu)件，橋塔是支撐鋼纜的主要構(gòu)件。顯著特點(diǎn)從結(jié)構(gòu)上看是吊橋，即橋面被鋼纜吊起來；從功能上看是跨度很大。

（二）討論方案

在學(xué)生設(shè)計(jì)方案時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生注意到很多現(xiàn)代大橋不是一種單純的結(jié)構(gòu)，而是把多種結(jié)構(gòu)合為一體。這對(duì)開啟學(xué)生思維有潛移默化的影響。

（三）學(xué)生用軟件設(shè)計(jì)、構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)

在此期間，讓學(xué)生通過組內(nèi)討論，對(duì)不合理的地方進(jìn)行討論。

（四）模型細(xì)節(jié)處理與優(yōu)化、打印

指導(dǎo)學(xué)生從美學(xué)、實(shí)用等角度再進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。確保設(shè)計(jì)出的橋既美觀又實(shí)用。安排學(xué)生打印。打印時(shí)，要選擇同一種精度的打印機(jī)、同一品牌同一型號(hào)的3D打印耗材進(jìn)行打印，確保公平。

（五）模型展示、交流、承重測試

1.小組間互相展示設(shè)計(jì)，小組間交流、互評(píng)

2.承重測試

（1）測試前對(duì)被測橋梁進(jìn)行稱重，如果超重，則取消測試資格。

（2）根據(jù)小組討論的三次加載質(zhì)量，申請(qǐng)參加測試。該加載質(zhì)量含測試裝置的質(zhì)量（25公斤）。砝碼可以有多種規(guī)格。測試過程加載質(zhì)量只增不降。

（3）由參賽者將橋梁放在測試臺(tái)的立柱平面上，結(jié)構(gòu)的任何部分都不得與測試臺(tái)的內(nèi)側(cè)面（垂直面）接觸，調(diào)整好位置后示意可以加載砝碼，加載由老師進(jìn)行。

（4）砝碼安裝完后，由參賽者確認(rèn)可以承重，裁判方可加載：重物加載上后開始計(jì)時(shí)。

（5）橋梁加載承重后必須保持30秒時(shí)間，30秒后橋梁沒有損壞則本次測試有效。如果在30秒內(nèi)橋梁發(fā)生損壞，則本次測試成績?yōu)榱恪?/p>

（6）參賽者必須提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包括設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)草圖、尺寸標(biāo)注等信息。

（六）師生小結(jié)

1.學(xué)生分小組總結(jié)匯報(bào)本次活動(dòng)中的收獲與不足

2.教師小結(jié)

三、小結(jié)

本活動(dòng)在原來教材設(shè)計(jì)紙橋的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了再加工。利用了最新面向中小學(xué)生的3D打印設(shè)計(jì)軟件結(jié)合進(jìn)行建模，參考全國未來工程師比賽橋梁承重的比賽規(guī)則進(jìn)行再加工，形成了一節(jié)融合科學(xué)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等多學(xué)科融合的STEAM實(shí)驗(yàn)課。