3D打印課程《搬運(yùn)機(jī)器人策略物的設(shè)計(jì)與制作》教學(xué)實(shí)踐與反思

夏小剛

【摘 要】2014年12月，我校引進(jìn)第一批3D打印機(jī)，開(kāi)始3D打印教學(xué)實(shí)踐探索。在近一年的實(shí)踐探索中，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)、參加相關(guān)3D打印公開(kāi)課活動(dòng)，我們認(rèn)為中小學(xué)3D打印教學(xué)還存在重設(shè)計(jì)輕結(jié)構(gòu)、重軟件設(shè)計(jì)輕實(shí)踐應(yīng)用、任務(wù)選擇脫離學(xué)生生活等問(wèn)題。在STEAM教育理念的指導(dǎo)下，我們以學(xué)生遇到的真實(shí)問(wèn)題引入、采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、借助3D打印物化創(chuàng)意、產(chǎn)品測(cè)試改進(jìn)的方法開(kāi)展3D打印教學(xué)，取得了良好的效果。本文是其中一個(gè)項(xiàng)目“搬運(yùn)機(jī)器人策略物的設(shè)計(jì)與制作”的教學(xué)實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】]3D打印；STEAM；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；教學(xué)實(shí)踐

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2017）09-0064-04

2014年9月，我校開(kāi)始建設(shè)創(chuàng)客空間，12月，第一臺(tái)3D打印機(jī)正式走進(jìn)了我們學(xué)校。懷著對(duì)3D打印技術(shù)濃厚的興趣，在并未交貨的情況下，筆者向?qū)W校領(lǐng)導(dǎo)請(qǐng)示、向公司技術(shù)人員求教，由此開(kāi)始了3D打印之旅。在將近一個(gè)月的時(shí)間里，筆者借助網(wǎng)絡(luò)資料和說(shuō)明書(shū)、請(qǐng)教技術(shù)人員，努力鉆研，功夫不負(fù)有心人，終于成功打印了一個(gè)模型，并且順利解決了調(diào)平、不出料等技術(shù)問(wèn)題，總結(jié)出了初步的模型設(shè)計(jì)和打印經(jīng)驗(yàn)。

2015年伊始，創(chuàng)客空間的精工實(shí)驗(yàn)室正式交付使用，筆者就將3D打印正式引入了學(xué)校的 “七初DIY” 社團(tuán)。該社團(tuán)由筆者和一名物理老師共同負(fù)責(zé)，社團(tuán)由25名對(duì)科技特別感興趣的學(xué)生組成，以學(xué)生科技活動(dòng)、科技制作為主。第一次課上，筆者給學(xué)生們講解了3D打印原理，展示了3D打印的基本流程，同學(xué)們都異常興奮。課后他們告訴老師：“多么神奇啊！打印機(jī)立馬可以打印出立體的東西。真的是‘立等可取喲。以后我們想要玩具，可以直接DIY打印一個(gè)，我們想要杯子，DIY打印一個(gè)……哇，這就是科技發(fā)展給我們帶來(lái)的新奇之處。”一段話足見(jiàn)同學(xué)們對(duì)3D打印技術(shù)的欣喜。在接下來(lái)的課程里，學(xué)生們依次學(xué)習(xí)了123D Design、3Done兩種3D模型設(shè)計(jì)軟件，用來(lái)制作水杯，制作3D校園模型以及3D打印掛件制作。

3D打印教學(xué)目前存在的問(wèn)題

劉金鵬曾闡述過(guò)目前大部分3D打印課堂存在的問(wèn)題：

現(xiàn)象1：為了“造物”而“造物”。從網(wǎng)上下載3D模型文件，打印出來(lái)供學(xué)習(xí)者遠(yuǎn)觀或把玩；

現(xiàn)象2：把3D打印教學(xué)變成建模軟件的教學(xué)，目的似乎是為了學(xué)會(huì)軟件的使用，而不是設(shè)計(jì)和造物本身；

現(xiàn)象3：學(xué)生依葫蘆畫(huà)瓢，按照教師的制作步驟或范例提示一步步操作完成作品建模，并最終把實(shí)物打印出來(lái)。

通過(guò)調(diào)查和訪談，我們了解到成都高新區(qū)目前75%的學(xué)校都配備了3D打印機(jī)，但是只有40%的學(xué)校開(kāi)設(shè)了3D打印相關(guān)課程。教師們反饋開(kāi)設(shè)課程最大的阻礙是沒(méi)有相關(guān)的課程支持，其次是沒(méi)有相關(guān)教師。而開(kāi)設(shè)了相關(guān)課程的教師最需要的是STEM教育理念、課程開(kāi)發(fā)能力和3D打印機(jī)使用和維護(hù)的相關(guān)能力的提升。

在近一年多的實(shí)踐探索中，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)、參加相關(guān)3D打印公開(kāi)課活動(dòng)，筆者認(rèn)為目前中小學(xué)3D打印教學(xué)還存在以下問(wèn)題：重設(shè)計(jì)輕結(jié)構(gòu)；重軟件設(shè)計(jì)輕實(shí)踐應(yīng)用；任務(wù)選擇脫離學(xué)生生活。

基于這些問(wèn)題，筆者在課程設(shè)計(jì)中做了相應(yīng)優(yōu)化。接下來(lái)就以3D打印課程《搬運(yùn)機(jī)器人策略物設(shè)計(jì)與制作》作為案例來(lái)闡述筆者的設(shè)計(jì)理念。

選題背景

2016年11月，我校部分學(xué)生正在參加第十四屆四川省青少年機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)（普及組）的六足搬運(yùn)機(jī)器人比賽。學(xué)生們通過(guò)自己的努力，搭建好了自己的抬升式、夾取式機(jī)器人。但是發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在執(zhí)行搬運(yùn)乒乓球任務(wù)的時(shí)候，夾到球或者鏟到球的幾率非常小。我們仔細(xì)閱讀比賽規(guī)則，發(fā)現(xiàn)可以自行設(shè)計(jì)策略物。于是，結(jié)合到本學(xué)期學(xué)習(xí)的3D打印技術(shù)，我們計(jì)劃利用3D打印來(lái)制作機(jī)器人夾取和抬升乒乓球的策略物。

教學(xué)設(shè)計(jì)

本課時(shí)為工程應(yīng)用階段的第3課，學(xué)生通過(guò)橋的例子，已經(jīng)初步掌握了工程設(shè)計(jì)的基本流程和熟練操作3D打印機(jī)的方法。

學(xué)習(xí)模塊：3D打印模塊

教學(xué)對(duì)象：DIY社團(tuán)學(xué)生（七八年級(jí)）

1. 課程設(shè)計(jì)理念

STEAM 是科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)五門(mén)學(xué)科的簡(jiǎn)稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合。STEAM 教育強(qiáng)調(diào)將五門(mén)學(xué)科內(nèi)容組合形成一個(gè)有機(jī)整體，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。“3D打印創(chuàng)意制作”為我校STEAM系列課程中的一門(mén)核心課程。課程以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力等核心素養(yǎng)為目標(biāo)，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式實(shí)施教學(xué)。

基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)過(guò)程包括實(shí)證調(diào)查要解決的問(wèn)題，建構(gòu)解決方案，以及科學(xué)和工程研究必需的分析與評(píng)價(jià)，這些活動(dòng)形成的是一個(gè)循環(huán)迭代過(guò)程。

2. 學(xué)情分析

“七初DIY” 社團(tuán)有4名學(xué)生參與了比賽，但是成績(jī)并不理想，于是我們計(jì)劃在社團(tuán)課上開(kāi)展搬運(yùn)機(jī)器人策略物設(shè)計(jì)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生用3D打印技術(shù)解決遇到的問(wèn)題。學(xué)生們通過(guò)前面課程的學(xué)習(xí)，初步掌握了3Done軟件的基本操作、如何設(shè)計(jì)基本的3D模型、3D打印的基本流程等知識(shí)。同時(shí)，學(xué)生對(duì)3D打印實(shí)踐有濃厚的興趣。

3. 學(xué)習(xí)目標(biāo)

科學(xué)：了解并掌握科學(xué)探究的基本方法和步驟；技術(shù)：熟練掌握“減去”命令，更加熟練應(yīng)用3Done軟件和切片軟件，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力；工程：知道如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的策略物、裝載機(jī)器人策略物、正確使用螺絲刀，培養(yǎng)合作能力；藝術(shù)：設(shè)計(jì)具有一定美感的策略物；數(shù)學(xué)：能有效測(cè)量3D模型和機(jī)器人零部件的尺寸，掌握應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的方法，培養(yǎng)思維的邏輯性和縝密性。

4. 學(xué)習(xí)資源準(zhǔn)備

五臺(tái)3D打印機(jī)、PLA打印材料、3D模型設(shè)計(jì)相關(guān)教程、比賽規(guī)則（簡(jiǎn)化版）、學(xué)習(xí)卡、相關(guān)操作工具。學(xué)生準(zhǔn)備尺子、筆、紙張、iPad等學(xué)習(xí)工具。

5. 學(xué)習(xí)流程（如下表）

6. 學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

小組合作評(píng)價(jià)（教師評(píng)價(jià)+小組自評(píng)）；解決方案評(píng)價(jià)（小組互評(píng)）；搬運(yùn)比賽評(píng)價(jià)（以實(shí)際得分為準(zhǔn)）。

教學(xué)實(shí)踐

前兩節(jié)課總聽(tīng)到有同學(xué)抱怨：學(xué)了幾次3D打印，為什么不讓我們打印呢？那么今天我們就一起進(jìn)入3D打印實(shí)戰(zhàn)。

1. 解決技術(shù)問(wèn)題

在進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)之前，我們請(qǐng)同學(xué)先來(lái)解決上節(jié)課設(shè)計(jì)和作業(yè)中存在的幾個(gè)問(wèn)題：（1）減去（外方內(nèi)圓的水杯）；（2）草圖繪制與拉升；（3）掃掠；（4）移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)。

學(xué)生上臺(tái)講解、演示，教師適當(dāng)補(bǔ)充。

2. 情境引入

解決完了這些問(wèn)題，肯定有同學(xué)要問(wèn)了：老師，我們今天究竟要打印什么模型？

我們今天要打印一個(gè)和我手中的機(jī)器人相關(guān)的模型，（生：自己設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人嗎？）但不是這樣一個(gè)機(jī)器人，是我們完成機(jī)器人比賽的策略物（也就是輔助機(jī)構(gòu)）。我知道咱們社團(tuán)有4名同學(xué)參加了本次搬運(yùn)機(jī)器人比賽。我想問(wèn)問(wèn)你們，在機(jī)器人設(shè)計(jì)中你們遇到了哪些問(wèn)題？（生：夾不起球、紙殼容易卡住等）。那么今天我們就來(lái)設(shè)計(jì)這樣一個(gè)夾取或鏟起乒乓球的策略物。

在設(shè)計(jì)解決方案之前，我想請(qǐng)各小組再次仔細(xì)閱讀比賽規(guī)則，特別是老師標(biāo)注顏色的內(nèi)容。看完比賽規(guī)則，小組簡(jiǎn)單討論一下解決方案。

3. 設(shè)計(jì)解決方案

在大家正式進(jìn)入方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之前，我想先提醒幾點(diǎn)，（展示PPT）機(jī)器人的大小不能超過(guò)25cm*15cm、策略物如何固定、考慮乒乓球的大小、考慮球框的高度、最大抬升高度和夾取寬度。

同時(shí)，我們可以看看實(shí)際生活中是如何夾取和抬升物品的。這三張圖分別是夾取機(jī)器人、叉車(chē)和推土機(jī)，咱們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中可以參考這些結(jié)構(gòu)。

下面我們分小組開(kāi)始設(shè)計(jì)方案，要求如下：

（1）時(shí)間：10分鐘；（2）小組分工；測(cè)量（2人）；設(shè)計(jì)草圖（1人）；3D建模（2人）；數(shù)據(jù)記錄（1人）；（3）提交3D模型至Moodle平臺(tái)

巡視指導(dǎo)各小組分工合作，各小組開(kāi)始分工設(shè)計(jì)方案、測(cè)量機(jī)器人尺寸、計(jì)算策略物的尺寸，各小組設(shè)計(jì)的策略物五花八門(mén)：有方框、鏟子、夾子等。

4. 展示3D模型

時(shí)間到了，我們請(qǐng)各個(gè)小組來(lái)展示解決方案。展示的時(shí)候小組成員都要上臺(tái)，先展示設(shè)計(jì)方案，闡述理由，然后展示3D模型，陳述安裝方法。

王皓民小組展示了本小組的類似方框的3D模型，他們充分考慮了球框的大小和0.5cm的高度，設(shè)計(jì)大小可以容納4個(gè)乒乓球；易周陽(yáng)小組展示了夾取策略物，綜合考慮了機(jī)器人長(zhǎng)度，并用熱熔膠實(shí)現(xiàn)了增加輪子的摩擦力；卿正宇小組展示了類似鏟子的模型，他們給鏟子做了倒角處理，加高了護(hù)邊，并且考慮了策略物如何安裝，給鏟子的四個(gè)頂點(diǎn)打了孔；聞峻毅小組設(shè)計(jì)了一個(gè)類似王皓民小組的方框，但他們的方框只有三面，并且內(nèi)部設(shè)計(jì)成空心，減輕重量。

5. 打印策略物

接下來(lái)，按照老師和同學(xué)們的意見(jiàn)做一下修正，然后上傳至Moodle平臺(tái)，各小組依次切片、打印。

因?yàn)闀r(shí)間的關(guān)系，我們一節(jié)課沒(méi)法打印完作品，請(qǐng)同學(xué)們課下再來(lái)測(cè)試打印好的策略物。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。3D打印是一個(gè)很好的個(gè)性化定制工具，用以解決我們生活中遇到的問(wèn)題。在今后的生活和學(xué)習(xí)中，我們要善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)去解決這些問(wèn)題，讓我們的生活更加美好。

教學(xué)反思

1. 教學(xué)設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

學(xué)習(xí)問(wèn)題來(lái)源于生活，學(xué)生有濃厚的學(xué)習(xí)興趣；激發(fā)了學(xué)生綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理知識(shí)解決問(wèn)題的意識(shí)，如測(cè)量機(jī)器人的大小、三角形知識(shí)、密度、摩擦力等；教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度高，學(xué)生的作品比賽效果很好；探究式的學(xué)習(xí)方式提高了學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)。

2. 教學(xué)設(shè)計(jì)不足之處

設(shè)計(jì)之初，沒(méi)有留足夠的時(shí)間來(lái)修改3D模型和打印，只能通過(guò)課后時(shí)間來(lái)彌補(bǔ)；學(xué)生關(guān)于3D打印機(jī)操作方面的知識(shí)準(zhǔn)備欠缺，學(xué)生3D打印、切片操作不太熟練；沒(méi)有充分考慮打印材料的因素，部分小組打印過(guò)程中，ABS材料容易變形，影響了學(xué)習(xí)進(jìn)度；小組人數(shù)規(guī)模稍大，每個(gè)小組6人，個(gè)別學(xué)生參與度較低。

結(jié) 語(yǔ)

“創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，基于學(xué)生興趣，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式，使用數(shù)字化工具，倡導(dǎo)造物，鼓勵(lì)分享，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問(wèn)題能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育。”而3D打印機(jī)則是創(chuàng)客教育造物環(huán)節(jié)不可或缺的工具，在課程設(shè)計(jì)中我們應(yīng)避免單純教技術(shù)，而應(yīng)該著重培養(yǎng)學(xué)生利用3D打印解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

本堂課的設(shè)計(jì)始于學(xué)生生活中的問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中綜合應(yīng)用各學(xué)科知識(shí)，鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力，不失為3D打印教學(xué)的一個(gè)發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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