STEAM教育理念下3D打印筆繪圖教學設計
——以設計晴川橋模型為例

武漢外國語學校(430056) 黃 果

在新時代創新浪潮的沖擊下，如何開展創新教育，培養創新人才成了學校教育新的命題。在教育部頒布的《教育信息化“十三五”規劃》中，明確提出“要積極探索信息技術在‘眾創空間’、跨學科學習(STEAM教育)、創客教育等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養、創新意識和創新能力”。STEAM教育作為一種培養未來綜合性人才新的教育模式，能夠增強學生的創新意識和創新能力。近幾年來，STEAM教育的新模式已經逐步進入學校，但如何有效開展還是值得積極研究和探討的新領域。

武漢外國語學校初中部為了順應時代的發展，積極探索STEAM教育理念在社團活動中的應用。本文將具體講解基于STEAM教育理念的3D打印筆繪圖設計晴川橋模型的教學設計。

1 什么是STEAM教育

STEAM代表科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、藝術(Arts)、數學(Mathematics)。STEAM教育就是科學、技術、工程、藝術、數學多領域融合的綜合教育。有別于傳統的單學科、重書本知識的教育方式，STEAM是一種重實踐的超學科教育概念。STEAM教育理念認為任何事情的成功都不僅僅依靠某一種能力的實現，單一技能的運用已經無法支撐未來人才的發展，而是需要多種能力的綜合。STEAM的初衷即為了培養學生的學習能力，讓學生從小具備科學思維，學會觀察，學會提問，學會整理信息，提出假設，學會驗證等，這些都是特別重要的學習能力。STEAM教育中五門學科的教學必須緊密相連，以整合的教學方式使學生掌握知識和技能，并能進行靈活遷移應用解決真實世界的問題。

2 STEAM教育理念下3D打印筆繪圖設計晴川橋教學設計

根據以上的分析，為了提升學生對武漢這座城市的熱愛，結合社團活動的開展實際，選擇晴川橋模型為主題，具體闡述基于STEAM教育理念的3D打印筆繪圖教學設計。

2.1 教學目標確定

2.1.1 知識與技能目標

(1)熟練運用搜索引擎了解晴川橋，并用PPT呈現出晴川橋不同方位的圖片和有關數據。

(2)學會參照晴川橋不同方位的圖片，對晴川橋模型進行結構化拆分，細化成橋拱、拱間連接、鋼索、橋面、橋墩，設計制作方案、應用拋物線方程設計橋拱和拱間連接紙膜。

(3)靈活使用3D打印筆照著紙膜繪制晴川橋模型的結構部件并進行粘合。

(4)使用斜口鉗進行晴川橋模型的修模處理。

2.1.2 過程與方法目標

(1)通過搜索引擎的使用，提升學生信息意識及信息檢索、獲取、處理的能力。

(2)通過設計晴川橋模型的橋拱、拱間連接、鋼索、橋面、橋墩的結構化拆分方案，應用拋物線方程設計橋拱、拱頂、拱底和拱間連接紙膜，提升學生問題解決的能力。

(3)通過用3D打印筆繪制晴川橋模型，培養學生創新精神及創新思維。

2.1.3 情感價值目標

在用3D打印筆繪圖設計制作過程中，通過學生自主設計晴川橋模型結構化拆分方案，豐富設計體驗，感受晴川橋的立體之美，提升對武漢這座城市的熱愛之情。

2.2 教學內容分析

3D打印筆通常以PLA、PCL塑料或光敏樹脂為原材，擠出熱熔塑料或光敏樹脂，然后在空氣中迅速冷卻，最后固化成型。它可以在任何表面“書寫”，甚至直接在空氣中作畫。3D打印筆不僅易于學生使用，又能寓教于樂，讓學生獲得創作的樂趣。學生可以利用3D打印筆設計、創造和表達他們自己。

本節課基于STEAM教育理念來進行跨學科整合的嘗試，將數學知識與3D打印筆繪圖設計進行整合，實現晴川橋的物化效果，在鍛煉學生小組合作能力、創新精神、問題解決能力的同時，也培養學生熱愛武漢這座城市、熱愛生活的情趣。

2.3 學習者分析

我校3D打印社團成員都是對3D打印有著濃厚興趣的七年級和八年級學生，他們還沒有學習拋物線方程的知識，其中，七年級學生還沒有學習坐標的概念。因為疫情的原因，社團活動2021年10月份才開始開展，七年級學生才開始接觸3D打印筆。

2.4 教學重點與難點

(1)教學重點：應用拋物線方程設計橋拱、拱頂、拱底和拱間連接紙膜。

(2)教學難點：拋物線方程的應用。

2.5 教學過程

2.5.1 引入——情境設置

課程導入：武漢有著三鎮隔江鼎立的格局，有著“百湖之城”的美譽，橋成為了武漢人賴以生存、交流、溝通的必需。一橋飛架南北，天塹變通途。古人有云：“兩水夾明鏡，雙橋落彩虹。”在武漢市，就有著這么一座“彩虹橋”。大家可能都想到了，此橋名為晴川橋，位于漢江與長江的交匯處，名字取自唐朝詩人崔顥的“晴川歷歷漢陽樹”。今天，我們將用3D打印筆制作晴川橋模型。

2.5.2 探究——小組探究確定方案

學習任務單(一)：使用搜索引擎了解晴川橋

(1)學生根據學習任務單(一)，使用搜索引擎查找有關晴川橋的圖片資料和數據資料，完成晴川橋長度、拱肋跨度、拱高的數據填寫，制作呈現晴川橋不同方位圖片的PPT；

(2)課前學生自由分組，組員為4名學生，教師引導學生利用網絡查找的相關資料繪制晴川橋模型的結構圖，并進行模塊化分解，小組探究3D打印筆制作晴川橋方案；

(3)不同小組交流方案設計，師生共同討論制定3D打印筆制作晴川橋模型的方案，學生提出橋拱的設計需用到拋物線知識。

2.5.3 解釋——拋物線方程應用

(1)組織學生觀看微課“坐標的概念”“二次函數基礎知識”，教師巡查，對學生進行有針對性地講解；

(2)要求學生完成學習任務單(二)：晴川橋函數題，教師指導幫助學生。

學習任務單(二)：晴川橋函數題

晴川橋是一座下承式鋼管混凝土系桿拱橋。它猶如一道美麗的彩虹跨越漢江，是江城武漢的一道靚麗景觀。橋的拱肋ACB視為拋物線的一部分，橋面(視為水平的)與拱肋用垂直于橋面的系桿連接，拱肋的跨度AB為280 m。以AB所在直線為x軸，拋物線的對稱軸為y軸建立如圖1所示的平面直角坐標系。

圖1 晴川橋函數題模型

已知拋物線的解析式為y=ax2+c，A點坐標為(-140,0)，B點坐標為(140,0)，C點坐標為(0,56)，求a,c的值。

2.5.4 遷移——3D打印筆制作晴川橋

(1)學生根據學習任務單(二)求解的拋物線方程解析式，完成學習任務單(三)：x,y數值的計算(見表1)，教師指導幫助學生。

表1 x,y數值表

(2)教師發放x,y值數值表(見表2)，學生對照此表檢查自己計算出來的數值是否正確，學生根據x,y值數值表在坐標紙上等比縮小1 000倍畫出橋拱的紙膜圖(見圖2)。

圖2 晴川橋的紙膜圖

表2 x,y值數值表

(3)小組成員根據自身風格研討分工：橋拱制作、拱頂制作、拱底制作、拱間連接制作、橋面設計描點、模塊部件粘合、橋墩粘合，拍照、交流成果PPT制作。

各小組學生利用自己設計的紙膜，用3D打印筆繪制橋拱部件，小組分工完成晴川橋的各個模塊并進行粘合成立體物件(見圖3)。小組之間分享繪制橋的部件、粘合的方法，聽取同伴及教師的建議，修改作品。

圖3 作品實拍

2.5.5 評價——交流分享評價

各個小組用PPT展示3D打印筆制作晴川橋模型的心得體會，師生評選出最佳制作獎、最佳設計獎、最佳建議獎、最佳團隊獎、最佳參與獎，讓每個小組都得到肯定和鼓勵。

教師可通過觀察、參與小組合作等方式了解學生完成作品過程中的表現，提供評價量表，進行自我評價和小組互評。自評表主要體現過程性評價，互評表偏重結果性評價。晴川橋模型制作過程評價表、晴川橋模型評價表分別見表3和表4。

表3 晴川橋模型制作過程評價表

表4 晴川橋模型評價表

用3D打印筆繪制橋拱的過程中，因橋拱跨度達到28 cm，需要學生對3D打印筆的使用有較強的掌控能力，對線條的連貫性、均勻度、填充完整和平滑度要求較高。我校3D打印社團活動是七八年級學生一起進行，在活動開展的過程中，因疫情原因，七年級學生僅僅會用3D打印筆，八年級學生因使用3D打印筆做過一些作品，較為熟練，因此整體比七年級學生繪制效果要好。今后，可以將七年級學生先培訓幾次3D打印筆繪圖設計，讓他們掌握3D打印筆的使用后再開展此類活動。