基于虛擬儀器和3D打印的STEAM教育體系設計

高晗煜 張育謙 齊金燦 荊振國

摘? 要 通過調查研究，分析STEAM教育現狀，探究虛擬儀器、Arduino和3D打印在教育領域的優勢，設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? ? 文獻標識碼：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教育現狀

為了更好地培養學生的創造性思維和創新力，近年來，很多新式教學課程模式在我國流行起來，如云課堂、慕課、翻轉課堂等。STEAM教育也正在逐漸融入我國教育之中，為我國教育從應試培養向素質教育轉變提供了有力的幫助。

20世紀80年代，美國人提出STEM教育，包含Science、

Technology、Engineering、Mathematics四個學科，即科學、技術、工程、數學，旨在使兒童從小就接觸創造、創新、科學技術能力的培養。之后，STEM教育在原本四科上加入Art（藝術）學科。融合了新的學科，STEAM教育就誕生了。STEAM教育通過跨學科的方式，促進學生對不同領域的知識進行整合，解決綜合問題，從而培養學生創造、創新性的解決問題的能力[1]。

國內外STEAM教育現狀? STEAM教育在國外主要集中于發達國家，比如美國和英國，美國甚至設立了專門的STEAM中學。在STEAM中學，學生可以自主申請項目經費來開展項目，同時可以受到相關專家的指導。并且學校還設立了大學先修課程，方便能力強、成績優秀的學生進一步提升自我，從而極大提高學生的知識水平、創造力以及創新能力[2]。

在國內，STEAM教育中的程序設計類、媒體類軟件課程在中小學已經較為廣泛，以信息技術和通用技術課程為主。例如：向東和毛愛萍依托兒童編程軟件，創造了多媒體藝術創作課程;謝作如憑借Arduino平臺開發了通用技術課

程;吳俊杰也針對中小學生推出人工智能課程[3]。

現在比較熱門的是STEAM機器人。近年來，隨著基礎教育新課程改革的逐步推進，機器人教育在我國的一些中學中正在加速發展。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，在實驗中側重機械的模仿，在教育目標上卻重基礎輕應用;在內容上側重于學科，重技術輕綜合;教育理念支持不足，一直沒有提出教育理念和準則，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展不平衡，西北地區相對于沿海發達地區起步較晚，相關的教學活動很少。

隨著我國新課程改革的實行，各學科教學中涌現了越來越多的新型教育技術，STEAM教育也逐漸進入正式教學視野。在實際應用中，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、圖形化編程軟件、3D打印技術等硬件技術。假使STEAM教育能夠被正式納入學校教學中，學生的創新能力以及綜合素質的提升都將極大獲益。

現階段STEAM教育中存在的問題? 當前比較流行的STEAM教育和機器人結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，使學生能夠在中小學就得到綜合素質的提升。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，一些復雜的功能不能輕易地實現，無法讓學生從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，但是由于結構過于單一，也無法很好地實現更為復雜的功能。

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

2 基于虛擬儀器和3D打印的STEAM教育

虛擬儀器與Arduino在教育領域的優勢? 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為基礎，實現現實世界中的儀器功能。

LabVIEW（實驗室虛擬儀器工程平臺）是一種程序開發平臺，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，類似于Python開發環境。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，呈現出的外觀是程序框圖。因此，對學生來說，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行通信，將程序燒錄進微控制器，從而達到使用LabVIEW控制Arduino的目的。于是使用LabVIEW，通過圖形化的編程對一些復雜過程的封裝，對以往繁雜的編程過程進行簡化，就可以使完全沒有編程經驗的中小學生通過簡單的拖拽即完成原本很困難的編程任務，對自己拼接的以Arduino為控制器的積木結構裝置進行復雜控制，大大打破原來STEAM教育在技術上的限制，讓學生可以發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）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化上。

3D打印在教育領域中的優勢

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。在課堂教學中，教師需要一些個性化的復雜教具，如心臟模型、小型機械結構、地形展示;在學生的自主實驗與競賽中，學生在作品開發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打印在教育領域的首要優勢[4]。

2）自由度高。很多原有的創新教育方式都是在條框和既定規則之下按照已有的模塊進行組合，組合數量和自由度有限。而通過3D打印技術的設計，學生可以擁有極大的自由度，在符合物理定律的基礎上，打印自己想要實現的所有模塊。

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

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

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? 教育資源是為教學的成功舉行準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，也包括紙質學案、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，筆者以能夠在教學活動中被有效利用為條件，將資源分為學生使用的學生方資料（包括套件清單、組裝樣例、導學案、課中小題等）、教師使用的教師方材料（包括教學流程參考、量化調查表、套件教程等）以及創作資源（包括3D打印機，PLA、ABS等耗材，基礎套件，Arduino開發板，計算機，導線等），如圖1所示。

并且，由于不同年齡段學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，設定每個方案的教學目標。

6～10版本：使用Tinkercad和簡單的打印元件讓學生初步形成3D設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讓學生從圖形化編程入手，學習設計的理念，在趣味中學習。

14+版本：使用Fusion 360建模，使用Arduino IDE編程，讓學生在較為復雜的建模、打印、動手和編程中鍛煉邏輯思維，學習十分有用的單片機技術，在十足的挑戰性與成就感中獲得全方面提升。

6～10歲的教學方案

1）學生方資料：對應資源模塊的基本組裝指南、實驗報告、導學案、Tinkercad使用教程、Tinkercad樣例。

2）教師方資料：創作資源清單、教學流程參考、6～10歲教案、匿名量化調查表、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）創作資源：3D建模網站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）教學方式：教師教授學生如何組裝基本的原件及其組裝原理，帶領學生使用Tinkercad設計簡單的3D模型并引導學生將其打印出來，從而改進已有的模型或者創造新的模型。

10～14歲的教學方案

1）學生方資料：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、導學案、Tinker-

cad使用教程、Tinkercad樣例。

2）教師方資料：創作資源清單、教學流程參考、10～

14歲教案、匿名量化調查表、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基礎知識文件（PDF）、LabVIEW詳細教程（書本）、已設計好的模塊化LabVIEW子VI說明（PDF）。

3）創作資源：3D建模網站Tinkercad，LabVIEW虛擬儀器軟件，已設計好的LabVIEW子VI文件，Arduino開發板及其相關電子元件，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）教學方式：教師教授學生使用Tinkercad設計簡單的3D模型并引導學生將其打印出來，從而改進已有的機械模型或者創造新的模型;教授學生Arduino的基礎知識與LabVIEW的部分操作，使學生可以通過對已設計好的子VI進行拖拽，控制由Arduino控制的自己設計組裝的模型。

14+歲以上的教學方案

1）學生方資料：Fusion 360知識卡片、Arduino知識卡片、LabVIEW入門卡片、實驗報告、導學案。

2）教師方資料：創作資源清單、教學流程參考、14+歲教案、匿名量化調查表、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詳細教程（書本）、已設計好的模塊化LabVIEW子VI說明（PDF）。

3）創作資源：Fusion 360建模軟件，Arduino IDE編程軟件，Arduino開發板及其相關電子元件，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）教學方式：教師教授學生使用Fusion 360設計3D模型并引導學生將其打印出來，從而改進已有的機械模型或者創造新的模型;邊教授學生LabVIEW子VI的使用邊教授Arduino的用法，使學生最終可以通過對Arduino進行編程來控制自己設計的模型。

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，筆者設計了對應14+歲學生的一套自由度很高的“智能礦山車”主題的12學時STEAM課程和資源包，具體內容如下。

資源內容

1）學生方資料：Fusion 360知識卡片、Arduino知識卡片、LabVIEW入門卡片、實驗報告、12學時逐課導學案。

2）教師方資料：創作資源清單，教學流程參考，12學時逐課教案，匿名量化調查表，多媒體課件，礦山車組裝教程（視頻+PDF），Fusion 360使用教程（視頻+PDF），Arduino完整知識文件（PDF），LabVIEW詳細教程（書本），藍牙遙控、超聲波避障、循跡等LabVIEW子VI說明（PDF）。

3）創作資源：Fusion 360建模軟件，Arduino IDE編程軟件，Arduino開發板*1，電機*2，電池盒*1，擴展板*1，超聲波云臺，LED、紅外接收、藍牙通信等功能模塊，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→安卓手機藍牙遙控、重力感應→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、與學生互動的時機和方式、教學速度都有詳細介紹的教案，還包含教學中每一模塊的詳細教程，即使教師的教學經驗比較缺乏、知識有缺陷，也可以根據教師方材料的指導，迅速、合理地開展教育。

2）學生方意義。學生方資料中提供了簡明的指南，有助于學生迅速了解整個課程的教學思路。而12學時逐課導學案使學生每堂課都可以在引導下進行自主思考。14歲以上的學生已經擁有不俗的學習能力，從圖形化編程出發，初步過渡到代碼編程、儀器組裝、3D模型設計與打印，是一個由簡到難、循序漸進的過程。在整個學習過程中，學生可以越學越輕松，越學越感興趣，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、創造力上全面大幅度提升。

5 結語

如果說計算機是人認識世界的工具，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，學生認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，主動、積極地去認識、探究甚至創造實物、改造世界[5]。學生在平臺中基于項目學習，通過硬件與軟件技術解決實際問題，在團隊協作中綜合運用知識，提升科學、技術、工程、藝術、數學的素質，真正體現創新素質教育重視的能力提升，這無疑是學生創新素養培育和發展的保障，也是STEAM教育和創新型人才培養所要實現的目標[6]?！?/p>

參考文獻

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