基于STEAM 教育理念的初中3D 打印校本课程设计与实施

张惠姗

[摘要]近年来，随着3D打印技术的普及，越来越多的学校开设3D打印课程，希望通过课程的开展，推动“双减”政策，落實立德树人，培养学生的核心素养。本文以“3D小车设计与制作”教学为例，探索课程设计的新思路，建立起课本理论知识与生活实际相结合的纽带，培养学生发现问题、思考问题、解决问题的能力。研究发现，STEAM教育理念的实施，不仅有助于培养青少年的创新意识、实践能力和团队协作精神，也为教师的教学提供了一定的参考和借鉴。本文是“基于STEAM理念的初中3D打印校本课程设计与实践研究”的成果之一。

[关键词]STEAM教育;3D打印;校本课程

一、项目设计

近年来，3D打印走进中小学基础教育领域。为了顺应未来发展的需要，我校于2019年建立了3D打印创客社团，开设了3D打印特色校本课程，该课程针对七、八年级学生开设。教师通过创设真实的学习情景，让学生把理论与实践有机地结合起来，利用3D打印技术解决现实生活中的问题，以此培养学生综合应用多门学科知识解决问题的能力，提高学生动手实践能力，增强合作意识。

在了解学生的学习基础之后，经过与物理、数学、美术教师充分讨论，笔者设计实施了“3D小车设计与制作”项目课程。该项目主要包含以下八项流程。

（一）发布任务

作为儿时玩具的滑行小车，承载了同学们很多美好的童年回忆。为引导学生深度学习，搭建学生展现科学素养的平台，整合科学、技术、工程、艺术、数学的相关知识，综合提升学生的实践和创新能力，我校3D打印创客社团举办“重拾美好·驶向未来”3D小车比赛，包含3D小车设计比赛及比远比赛。

1.参数规格：长度为11-13cm;宽度为8-10cm;小车左右轮距为5-6cm，小车前后轴距为9-10cm。打印材料长度20米的白色PLA耗材，需对小车进行上色。

2.3D小车设计比赛：在满足小车参数规格条件下，依据3D作品评价标准，对3D小车造型设计、颜色搭配等进行评比，评出“3D小车最佳设计奖”。

3.3D小车比远比赛：赛道是一个60cm高、60cm宽、30°斜面，斜面底端接一个带有拐角且逐渐变窄的木板，具体参数见下图。在斜面顶端有一个装置，用于固定小车。小车装上100g砝码后，放在斜面顶部，斜面顶端有一个装置，固定小车。装置松开后，小车自然沿着斜面下滑，然后从斜面底部开始向前滑行，以前进的距离决定成绩。比远规则：

（1）小车从斜面上掉落，成绩为0;

（2）小车无法被爪子抓住，成绩为0;

（3）小车不符合规格和参数要求，成绩为0;

（4）小车停止后，以小车最后点与斜面底部垂直距离为比赛成绩。

（二）学生调查和分析

学生了解小车的定义、分组查阅有关小车的材料，并尝试对小车进行分类。

（三）学习小车的分类及其结构

通过教师的讲解，学生运用物理知识探究阻力对小车运动的影响，提炼出解决问题的基本思想和方法，并将其运用到自己的设计中。

（四）绘制小车草图

学生根据所学知识，针对实际任务，选择合适的小车类型，完成小车的初步设计。

（五）计算小车各组成部分参数

对照小车参数规格，依据草图计算车身、车轴、车轮等相关结构的尺寸并标注。

（六）修改并完善小车设计草图，建立3D模型

根据所设计的草图，使用3D One软件建立模型。在实际3D建模中，进一步修改并完善小车设计草图。

（七）3D打印、上色及装配

使用CURA软件进行切片，打印、上色、装配，并进行测试和修改完善。

（八）项目展示、评价和总结

举行“3D小车最佳设计”比赛和“3D小车比远”比赛，各项目小组汇报并展示本小组作品，通过小组自评、组间互评和教师评价等方式综合评价各项目小组，并对获奖者进行颁奖。

二、“3D小车”建模教学设计

笔者着重介绍项目第6项流程中的“3D小车建模”教学设计情况。

（一）教学背景与学习准备

在前期课程中，我们学习了小车的定义，了解了常见类型小车的结构及功能特点，并且以小组为单位根据任务要求设计了相应的小车，绘制好了草图。本节课，我们将小车草图通过3D One软件建模“3D小车”模型，并通过3D打印机打印出来，上色及装配成一辆完整的3D小车。

教学目标：在“科学”方面，进一步了解所选择小车类型的结构及功能特征;在“技术”方面，进一步掌握移动、旋转、镜像、抽壳等基本命令操作，掌握了3D打印的流程及操作方法;在“工程”方面，熟悉工程设计的流程，能根据小车草图设计建模出“3D小车”模型;在“艺术”方面，设计出轻便快捷且新颖独特的小车，并对小车进行上色装扮，注重色彩搭配;在“数学”方面，指导如何利用数学知识解决实际问题，了解角度、刻度单位、三视图等知识。

资源准备：PLA耗材+3D打印机（8套），热熔胶+热熔枪（2套），砂纸（8张）、锉刀（8把）、尺子（6把）等材料;“3D小车设计与制作”微视频、学习卡等。

（二）教学设计过程

1.项目回顾

教师通过项目回顾引导学生深化认识，明确限制条件，促进学生对本组设计方案的反思和优化。课堂上，教师引导学生回顾本项目（设计小车）的具体任务，并请A、B两个小组结合上节课设计好的小车草图来分享“为什么选择该小车类型？创新点在哪里？”A小组选择的是“四轮轴动小车”，给出的理由一是增加小车的稳定性，二是增加小车的平衡，同时为减少小车运动时车轮与赛道的摩擦力，设计了宽为5mm的车轮。而B小组选择“四轮轮动小车”，小车造型参照四驱车轮廓，使小车更加炫酷好看。为最大程度减少小车运动与赛道的摩擦力，利用两个相同的圆台反向组合，设计了与赛道接触面为一条直线的车轮。另外，把小车四轮设置在内侧，减少车轮滑行与拐角接触。

教师肯定了A小组的设计方案合理可行，表扬了B小组的设计想法新颖独特，既能考虑到小车造型设计，更能突破小车滑行的关键点——车轮与赛道的摩擦力及车轮与拐角的接触。同时提醒学生在实际设计小车的过程中，不仅要考虑项目给出的条件参数，还要考虑小车的材料及实际打印参数误差等因素。

2.阐述本节课任务

本节课的教学任务，是通过引导学生将小车草图设计通过3D One软件进行建模，让学生明确阶段性任务，促进项目的延续性实施。教师提出疑问：如何设置车轮，减少小车车轮与赛道的接触面，从而使小车滑行得更远？学生应用物理中减少车轮与赛道的接触面来减少摩擦力。但是，接下来有学生提出：赛道有一个凸出的拐角，如何设计小车有效地减少小车滑行与拐角撞击。发现问题之后，很多学生想到了可以给小车增加防撞设置。笔者充分肯定了他们的想法，同时提出小车的设计需注重实用性，除了增加防撞设置，还可以从小车自身结构出发加以改造，从而起到更好的防撞保护作用，使小车滑行得更远。接着，教师展示了“3D小车”的参数规格、设计评比及滑行比远要求，启发学生思考。教师顺势提问：“3D小车”的设计主要包括了几个部分？学生讨论后给出正确答案：车身（含砝码卡槽、车轴卡槽）、车轴、车轮。

至此，教师提出任务：为提高小车建模效率，请各小组先根据小车绘制草图，需考虑打印误差，分别计算出小车各部分的参数，然后分工合作，利用3D One软件共同完成“3D小车”的建模。

3.计算小车各部分（车身、车轴、车轮）的参数

此环节是小车打印出来能否成功装配的关键所在。通过让学生先认真计算小车各部分（车身、车轴、车轮）的参数，再依据参数进行3D建模。这样的训练可以促进学生抽象思维能力的发展和数学知识的实际应用。在学生根据条件计算小车各部分（车身、车轴、车轮）参数的过程中，教师给予指导，比如提示学生需考虑打印误差。

4.修改并完善小车设计草图，建立3D模型

教师参与到其中，对他们的讨论进行必要的补充、完善，使之思路更为清晰，增强信心。学生在任务驱动下，通过学习并应用技术完成“3D小车”建模，这样能更好地促进学生学习并掌握3D设计与建模。由于各小组的工作进度不一致，教师提供了“3D小车建模”微视频。学生可以根据教师的讲解去设计符合本组要求的“3D小车”。各小组完成设计建模后开始打印。

B小组遇到了问题：利用两个相同圆台反向组合设计与赛道接触面为一条直线的车轮，该圆台的高应拉伸多大以确保车轮的稳定性？教师从实际情况考虑，建议该圆台的高应不小于5mm。教师发现大部分选择设计“四轮轴动小车”的学生只考虑了车轴与车轮的参数吻合，却忽略了车轮与车轴卡槽之间应预留间隔使得小车顺利滑行。于是提示他们：轴动小车依靠滚动轴滑行，必须考虑车轴与车轴卡槽的间距，否则车轴被卡死无法滑行。笔者建议学生必须先细化分解小车各组成部分（车身、车轴、车轮），然后根据选择小车类型“四轮轴动小车”或是“四轮轮动小车”，充分考虑小车滑行关键点，从而计算出各组成部分（车身、车轴、车轮）的具体参数，最后再进行“3D小车”建模。学生先确定了小车类型，若是选择“四轮轴动小车”，车轴卡槽必须大于车轮直径（大于范围控制在1.5mm内）。若是选择“轮动小车”，车轮卡槽必须大于车轮直径（大于范围控制在1.5mm内）。经过不断修改与完善，部分小组顺利完成了本阶段任务，并设计建模出了“3D小车”模型。

5.测试并修改

测试并修改是项目实践的重要环节。学生逐一通过“距离测量”命令再次检验实际设置参数是否满足需求，并作出相应调整。在这个过程中，教师针对出现的问题不断追问，这样能很好地促进学生思维的发展。

A小组进度比较快，在上节课的基础上完成了车身的设计建模，并且设计预留好了车轮与车轴卡槽的合适间隔，很快就完成“3D小车”各部分的设计与建模，但是在测试过程中出现了砝码卡槽没有与车身组合成一体。教师抓住这个课堂生成的问题，引导该小组思考假设砝码卡槽没有与车身组合成一体，对小车后期的打印、装配以及比远是否有影响？A小组某一学生自信地回答：“对后面环节并没有多大问题。砝码卡槽与车身分离，打印后可用热熔胶使其连接。”教师继续追问：“那是否考略到砝码卡槽装载着100g的砝码，并从一定高度的斜角滑行下来，经过拐角撞击后会产生巨大的冲击力，你们觉得会出现什么情况呢？”另一个小组的某些学生回答：“砝码卡槽可能因为撞击而脱离小车，导致砝码无法安装到小车上，比赛成绩为0。”教师：“不错，那A小组需要怎么调整修改呢？”A小组的某一学生反思后回答：“我们需要设计车身与砝码卡槽是紧密相连并组合为一体的。”教师：“非常好！所以我们在进行实际设计建模时，我们不仅要考虑项目限制条件，还要考虑现实条件，及时发现并解决问题。请各小组针对测试中出现的问题认真改进，下节课，我们继续设计和打印、上色，然后装配好我们的3D小车，最后进行3D小车最佳设计比赛和3D小车比远比赛。”

三、反思与总结

通过基于STEAM教育理念的“3D小车设计与制作”项目实施与经验总结，笔者认为，依托3D打印开展初中3D打印校本课程应该注意以下五点：

（一）强调问题源于现实生活

开展3D打印校本课程教学以来，笔者开发了“炫酷灯具”“小车”“小船”等贴近学生生活的实践项目。如“小车”这个项目，设计小车的任务来源于生活，这样，更容易激发学生的学习兴趣。

（二）强调项目任务的分解

我们可将综合项目分解成多个具体可操作性的任务。对于初中阶段的学生，只有课程目标明确，教师才更容易把控项目进度。

（三）强调STEAM教育理念的工程实践

工程实践过程中，教师要引导学生像工程师一样参考资料、查阅数据，还要指导学生按照“工程设计流程”付诸实施。在实施过程中，要求学生深入思考并科学建模，这有利于增加设计复杂度，降低打印难度。

（四）强调3D的工具性

3D打印具有物化学生创意设计的功能。但在STEAM项目中，物化本身并不是核心。我们需要突出3D打印的工具性，以解决项目实施中的关键问题。本项目中，3D打印主要用来物化模型。教学重点在于教会学生应用技术来解决实际问题。

（五）强调多学科知识的应用

通过实践，学生能综合应用信息技术、数学、物理、工程、美术等多学科知识解决问题。教师在设计之初就应重视培养学生综合应用各學科知识解决实际问题的能力，从而使学生对学科知识有更深层次的理解与认识。

本项目的设计得到了物理、数学、美术等教师的认可：在学生了解小车的定义、类型和功能特点之后，教师指导学生利用小车草图进行3D设计与建模，极大地激发了学生学习兴趣。课堂上，学生综合应用信息技术、数学、物理、工程、美术等知识设计小车模型、分解小车结构、计算各组成部分的具体参数，最后通过3D One软件设计建模出来，修改与完善后完成本节课的学习内容。本项目的教学很好地践行了STEAM的教育理念。

参考文献

[1]夏小刚，郑刚.基于工程实践的STEAM项目设计与实施——以“3D打印——桥的设计与制作”为例[J].中小学数字化教学，2018（1）.

[2]周宗萍.基于STEAM教育理念的小学“3D打印”校本课程设计与实践研究[D].上海师范大学，2019.

[3]杲文秀.基于STEAM教育的初中科技活动的设计与实施[D].山东师范大学，2019.