基于STEAM 教育理念的初中3D 打印校本課程設計與實施

張惠姍

[摘要]近年來，隨著3D打印技術的普及，越來越多的學校開設3D打印課程，希望通過課程的開展，推動“雙減”政策，落實立德樹人，培養學生的核心素養。本文以“3D小車設計與制作”教學為例，探索課程設計的新思路，建立起課本理論知識與生活實際相結合的紐帶，培養學生發現問題、思考問題、解決問題的能力。研究發現，STEAM教育理念的實施，不僅有助于培養青少年的創新意識、實踐能力和團隊協作精神，也為教師的教學提供了一定的參考和借鑒。本文是“基于STEAM理念的初中3D打印校本課程設計與實踐研究”的成果之一。

[關鍵詞]STEAM教育;3D打印;校本課程

一、項目設計

近年來，3D打印走進中小學基礎教育領域。為了順應未來發展的需要，我校于2019年建立了3D打印創客社團，開設了3D打印特色校本課程，該課程針對七、八年級學生開設。教師通過創設真實的學習情景，讓學生把理論與實踐有機地結合起來，利用3D打印技術解決現實生活中的問題，以此培養學生綜合應用多門學科知識解決問題的能力，提高學生動手實踐能力，增強合作意識。

在了解學生的學習基礎之后，經過與物理、數學、美術教師充分討論，筆者設計實施了“3D小車設計與制作”項目課程。該項目主要包含以下八項流程。

（一）發布任務

作為兒時玩具的滑行小車，承載了同學們很多美好的童年回憶。為引導學生深度學習，搭建學生展現科學素養的平臺，整合科學、技術、工程、藝術、數學的相關知識，綜合提升學生的實踐和創新能力，我校3D打印創客社團舉辦“重拾美好·駛向未來”3D小車比賽，包含3D小車設計比賽及比遠比賽。

1.參數規格：長度為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。打印材料長度20米的白色PLA耗材，需對小車進行上色。

2.3D小車設計比賽：在滿足小車參數規格條件下，依據3D作品評價標準，對3D小車造型設計、顏色搭配等進行評比，評出“3D小車最佳設計獎”。

3.3D小車比遠比賽：賽道是一個60cm高、60cm寬、30°斜面，斜面底端接一個帶有拐角且逐漸變窄的木板，具體參數見下圖。在斜面頂端有一個裝置，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，以前進的距離決定成績。比遠規則：

（1）小車從斜面上掉落，成績為0;

（2）小車無法被爪子抓住，成績為0;

（3）小車不符合規格和參數要求，成績為0;

（4）小車停止后，以小車最后點與斜面底部垂直距離為比賽成績。

（二）學生調查和分析

學生了解小車的定義、分組查閱有關小車的材料，并嘗試對小車進行分類。

（三）學習小車的分類及其結構

通過教師的講解，學生運用物理知識探究阻力對小車運動的影響，提煉出解決問題的基本思想和方法，并將其運用到自己的設計中。

（四）繪制小車草圖

學生根據所學知識，針對實際任務，選擇合適的小車類型，完成小車的初步設計。

（五）計算小車各組成部分參數

對照小車參數規格，依據草圖計算車身、車軸、車輪等相關結構的尺寸并標注。

（六）修改并完善小車設計草圖，建立3D模型

根據所設計的草圖，使用3D One軟件建立模型。在實際3D建模中，進一步修改并完善小車設計草圖。

（七）3D打印、上色及裝配

使用CURA軟件進行切片，打印、上色、裝配，并進行測試和修改完善。

（八）項目展示、評價和總結

舉行“3D小車最佳設計”比賽和“3D小車比遠”比賽，各項目小組匯報并展示本小組作品，通過小組自評、組間互評和教師評價等方式綜合評價各項目小組，并對獲獎者進行頒獎。

二、“3D小車”建模教學設計

筆者著重介紹項目第6項流程中的“3D小車建模”教學設計情況。

（一）教學背景與學習準備

在前期課程中，我們學習了小車的定義，了解了常見類型小車的結構及功能特點，并且以小組為單位根據任務要求設計了相應的小車，繪制好了草圖。本節課，我們將小車草圖通過3D One軟件建模“3D小車”模型，并通過3D打印機打印出來，上色及裝配成一輛完整的3D小車。

教學目標：在“科學”方面，進一步了解所選擇小車類型的結構及功能特征;在“技術”方面，進一步掌握移動、旋轉、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，熟悉工程設計的流程，能根據小車草圖設計建模出“3D小車”模型;在“藝術”方面，設計出輕便快捷且新穎獨特的小車，并對小車進行上色裝扮，注重色彩搭配;在“數學”方面，指導如何利用數學知識解決實際問題，了解角度、刻度單位、三視圖等知識。

資源準備：PLA耗材+3D打印機（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小車設計與制作”微視頻、學習卡等。

（二）教學設計過程

1.項目回顧

教師通過項目回顧引導學生深化認識，明確限制條件，促進學生對本組設計方案的反思和優化。課堂上，教師引導學生回顧本項目（設計小車）的具體任務，并請A、B兩個小組結合上節課設計好的小車草圖來分享“為什么選擇該小車類型？創新點在哪里？”A小組選擇的是“四輪軸動小車”，給出的理由一是增加小車的穩定性，二是增加小車的平衡，同時為減少小車運動時車輪與賽道的摩擦力，設計了寬為5mm的車輪。而B小組選擇“四輪輪動小車”，小車造型參照四驅車輪廓，使小車更加炫酷好看。為最大程度減少小車運動與賽道的摩擦力，利用兩個相同的圓臺反向組合，設計了與賽道接觸面為一條直線的車輪。另外，把小車四輪設置在內側，減少車輪滑行與拐角接觸。

教師肯定了A小組的設計方案合理可行，表揚了B小組的設計想法新穎獨特，既能考慮到小車造型設計，更能突破小車滑行的關鍵點——車輪與賽道的摩擦力及車輪與拐角的接觸。同時提醒學生在實際設計小車的過程中，不僅要考慮項目給出的條件參數，還要考慮小車的材料及實際打印參數誤差等因素。

2.闡述本節課任務

本節課的教學任務，是通過引導學生將小車草圖設計通過3D One軟件進行建模，讓學生明確階段性任務，促進項目的延續性實施。教師提出疑問：如何設置車輪，減少小車車輪與賽道的接觸面，從而使小車滑行得更遠？學生應用物理中減少車輪與賽道的接觸面來減少摩擦力。但是，接下來有學生提出：賽道有一個凸出的拐角，如何設計小車有效地減少小車滑行與拐角撞擊。發現問題之后，很多學生想到了可以給小車增加防撞設置。筆者充分肯定了他們的想法，同時提出小車的設計需注重實用性，除了增加防撞設置，還可以從小車自身結構出發加以改造，從而起到更好的防撞保護作用，使小車滑行得更遠。接著，教師展示了“3D小車”的參數規格、設計評比及滑行比遠要求，啟發學生思考。教師順勢提問：“3D小車”的設計主要包括了幾個部分？學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：為提高小車建模效率，請各小組先根據小車繪制草圖，需考慮打印誤差，分別計算出小車各部分的參數，然后分工合作，利用3D One軟件共同完成“3D小車”的建模。

3.計算小車各部分（車身、車軸、車輪）的參數

此環節是小車打印出來能否成功裝配的關鍵所在。通過讓學生先認真計算小車各部分（車身、車軸、車輪）的參數，再依據參數進行3D建模。這樣的訓練可以促進學生抽象思維能力的發展和數學知識的實際應用。在學生根據條件計算小車各部分（車身、車軸、車輪）參數的過程中，教師給予指導，比如提示學生需考慮打印誤差。

4.修改并完善小車設計草圖，建立3D模型

教師參與到其中，對他們的討論進行必要的補充、完善，使之思路更為清晰，增強信心。學生在任務驅動下，通過學習并應用技術完成“3D小車”建模，這樣能更好地促進學生學習并掌握3D設計與建模。由于各小組的工作進度不一致，教師提供了“3D小車建模”微視頻。學生可以根據教師的講解去設計符合本組要求的“3D小車”。各小組完成設計建模后開始打印。

B小組遇到了問題：利用兩個相同圓臺反向組合設計與賽道接觸面為一條直線的車輪，該圓臺的高應拉伸多大以確保車輪的穩定性？教師從實際情況考慮，建議該圓臺的高應不小于5mm。教師發現大部分選擇設計“四輪軸動小車”的學生只考慮了車軸與車輪的參數吻合，卻忽略了車輪與車軸卡槽之間應預留間隔使得小車順利滑行。于是提示他們：軸動小車依靠滾動軸滑行，必須考慮車軸與車軸卡槽的間距，否則車軸被卡死無法滑行。筆者建議學生必須先細化分解小車各組成部分（車身、車軸、車輪），然后根據選擇小車類型“四輪軸動小車”或是“四輪輪動小車”，充分考慮小車滑行關鍵點，從而計算出各組成部分（車身、車軸、車輪）的具體參數，最后再進行“3D小車”建模。學生先確定了小車類型，若是選擇“四輪軸動小車”，車軸卡槽必須大于車輪直徑（大于范圍控制在1.5mm內）。若是選擇“輪動小車”，車輪卡槽必須大于車輪直徑（大于范圍控制在1.5mm內）。經過不斷修改與完善，部分小組順利完成了本階段任務，并設計建模出了“3D小車”模型。

5.測試并修改

測試并修改是項目實踐的重要環節。學生逐一通過“距離測量”命令再次檢驗實際設置參數是否滿足需求，并作出相應調整。在這個過程中，教師針對出現的問題不斷追問，這樣能很好地促進學生思維的發展。

A小組進度比較快，在上節課的基礎上完成了車身的設計建模，并且設計預留好了車輪與車軸卡槽的合適間隔，很快就完成“3D小車”各部分的設計與建模，但是在測試過程中出現了砝碼卡槽沒有與車身組合成一體。教師抓住這個課堂生成的問題，引導該小組思考假設砝碼卡槽沒有與車身組合成一體，對小車后期的打印、裝配以及比遠是否有影響？A小組某一學生自信地回答：“對后面環節并沒有多大問題。砝碼卡槽與車身分離，打印后可用熱熔膠使其連接。”教師繼續追問：“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，經過拐角撞擊后會產生巨大的沖擊力，你們覺得會出現什么情況呢？”另一個小組的某些學生回答：“砝碼卡槽可能因為撞擊而脫離小車，導致砝碼無法安裝到小車上，比賽成績為0。”教師：“不錯，那A小組需要怎么調整修改呢？”A小組的某一學生反思后回答：“我們需要設計車身與砝碼卡槽是緊密相連并組合為一體的。”教師：“非常好！所以我們在進行實際設計建模時，我們不僅要考慮項目限制條件，還要考慮現實條件，及時發現并解決問題。請各小組針對測試中出現的問題認真改進，下節課，我們繼續設計和打印、上色，然后裝配好我們的3D小車，最后進行3D小車最佳設計比賽和3D小車比遠比賽。”

三、反思與總結

通過基于STEAM教育理念的“3D小車設計與制作”項目實施與經驗總結，筆者認為，依托3D打印開展初中3D打印校本課程應該注意以下五點：

（一）強調問題源于現實生活

開展3D打印校本課程教學以來，筆者開發了“炫酷燈具”“小車”“小船”等貼近學生生活的實踐項目。如“小車”這個項目，設計小車的任務來源于生活，這樣，更容易激發學生的學習興趣。

（二）強調項目任務的分解

我們可將綜合項目分解成多個具體可操作性的任務。對于初中階段的學生，只有課程目標明確，教師才更容易把控項目進度。

（三）強調STEAM教育理念的工程實踐

工程實踐過程中，教師要引導學生像工程師一樣參考資料、查閱數據，還要指導學生按照“工程設計流程”付諸實施。在實施過程中，要求學生深入思考并科學建模，這有利于增加設計復雜度，降低打印難度。

（四）強調3D的工具性

3D打印具有物化學生創意設計的功能。但在STEAM項目中，物化本身并不是核心。我們需要突出3D打印的工具性，以解決項目實施中的關鍵問題。本項目中，3D打印主要用來物化模型。教學重點在于教會學生應用技術來解決實際問題。

（五）強調多學科知識的應用

通過實踐，學生能綜合應用信息技術、數學、物理、工程、美術等多學科知識解決問題。教師在設計之初就應重視培養學生綜合應用各學科知識解決實際問題的能力，從而使學生對學科知識有更深層次的理解與認識。

本項目的設計得到了物理、數學、美術等教師的認可：在學生了解小車的定義、類型和功能特點之后，教師指導學生利用小車草圖進行3D設計與建模，極大地激發了學生學習興趣。課堂上，學生綜合應用信息技術、數學、物理、工程、美術等知識設計小車模型、分解小車結構、計算各組成部分的具體參數，最后通過3D One軟件設計建模出來，修改與完善后完成本節課的學習內容。本項目的教學很好地踐行了STEAM的教育理念。

參考文獻

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