3D打印在STEAM教育中的應用課例

張凱

摘要：本研究源于生活，借助淮南二中創客實驗室開展STEAM教學實踐，分享教學案例，并給出開展STEAM教育的一些思考。

關鍵詞：STEAM，3D打印，教學案例

目前，國內學校教育逐步融合STEAM教育理念，來加強技術與工程教育。如何開展STEAM教育實踐，是很多教師關注的問題。筆者在教育實踐中嘗試結合STEAM理念開展3D打印課程，其中設計實施了“陀螺的設計與制作”項目課程。

一、教學整體規劃

最近有安全隱患的“飛鏢指尖陀螺”成了眾矢之的。在山西夏縣新石器時代遺址中，就有石制陀螺。可見，陀螺在我國有四、五千年的歷史。

通過調查發現學生都有把玩陀螺的經歷，既然是文化遺產又如此流行，那么我們就通過3D打印還原出每個學生心里的陀螺。

教學流程：

1、發布任務。按要求設計：a.請勿使用尖刺設計，避免產生危險；b.怎樣提高旋轉時間。

2、學生分組收集有關陀螺的資料。

3、學習物理學知識。通過教師的講解，知道影響陀螺旋轉時長的要素，并能運用到自己的設計中。

4、繪制陀螺草圖。學生完成陀螺的初步設計。組間討論，改進設計。

5、3D建模、打印和修改。使用123D軟件建立模型，Cura切片打印，安裝、測試和修改。

6、項目展示、評價和總結。舉行“時長爭霸賽”，“最具創意者”比賽，先小組賽，后班內賽。獲勝者介紹設計思路，師生點評、頒獎。

二、課堂教學設計

1.學前準備

知識儲備：課前學生已經獲取一些陀螺的相關資料，但對陀螺的物理學知識了解不足。

工具準備：PLA耗材+3D打印機（8套），熱熔膠+熱熔槍（2套），熱風槍（1把）、細砂紙（6張）、美工刀（6把）、稿紙若干、軸承、鋼珠等。

2.教學過程回顧

（1）展示實例，創造感知場景。

老師展示幾種陀螺的樣式，竹蜻蜓打破了學生對陀螺的認知。教師點撥，“正式提出‘陀螺術語的是19世紀法國物理學家博科，陀螺定義為“回轉體”。竹蜻蜓是在空的回轉體，所以它也是一種陀螺。竹蜻蜓在國外又被叫做‘中國陀螺”。通過點撥，拓寬學生對陀螺概念的理解。

（2）了解物理學知識。

陀螺在旋轉的時候，不但圍繞自身軸線轉動，還圍繞一個軸作錐形運動。就是說，陀螺一邊圍繞本身的軸線作自轉，一邊圍繞垂直軸作公轉。陀螺圍繞自身軸線作“自轉”運動的快慢，決定其擺動角的大小。轉得越慢，擺動角越大，穩定性越差；轉得越快，擺動角越小，穩定性也越好。陀螺高速自轉時，在重力偶作用下，不沿力偶方向翻倒，而繞著支點的垂直軸作圓錐運動的現象，就是陀螺原理。

因此，可以從如下5個方面考慮來延長陀螺的旋轉時間：

A.加大陀螺的質量，質量大慣性就大，摩擦力不變時，轉得更久。

B.陀螺的外形和材質，要均勻，對稱。這樣可以減小陀螺轉動軸的擺動，轉得更久。

C.盡可能減小外界摩擦力的影響。比如陀螺腳底采用鋼珠。

D.降低陀螺的重心。這樣可減小陀螺的轉軸擺動，可以減小外力對陀螺的影響。

（3）改進陀螺設計圖，建立3D模型。

通過教師的指導，同學們對自己的陀螺又有了新的想法，改進了自己設計的陀螺。這里選取了一些據有代表性的學生作品。

其中，A同學設計為一個指尖陀螺，一開始的設計為兩葉片的，外形上重心分布不夠穩固，同時，PLA材質的葉片較輕。經過指導修改加大了葉片的配重，改為3葉片。B同學的原始設計的陀螺重心過高，改進后重心下移，并在底部加鋼珠減小摩擦。

3.3D打印實操與展示評價

3D打印耗時較長，通常一節課不能完成打印，確保打印機正常工作后。打印實操結果和分析放在下一節課進行。

其中：C同學在給陀螺結構件做切片時，擺放的角度不對，導致打印過多“支撐”，可以借助細砂紙反復打磨達到最佳效果；D同學打印的結構件底座無法剝離。學生在使用Cura切片時參數設置的問題，在教師的建議下將懸空間隙設置成0.22mm后發現更易剝離。

隨后舉行“時長爭霸賽”和“最具創意者”比賽，每組組內選出該組旋轉時間最長的陀螺作品，投票選出組內最具創意作品。再組間PK，最終角逐產生“時長王”和“創意王”，既對學生的科學技術能力有要求，又考察培養了學生的藝術素養。最后“時長王”和“創意王”分別介紹自己的作品，教師對各作品進行點評。

三、反思總結

本項目課程最初設想每位同學的作品都能打印出來，實操中發現存在雷同設計，為了避免浪費，實際處理上，筆者把學生的作品分類，同類的作品選取代表性的打印出來。同時，筆者也注意到部分作品出了細節問題，學生不能持續的改進，缺乏匠人的精神。基于實際開展中的種種問題，筆者認為STEAM教育實踐中應該注意以下幾點：

1、問題盡量來源于生活，且容易研究解決。2、注重動手實踐，傳承匠人精神。3、強調3D打印的工具性。3D打印只是眾多物化實現工具中的一個，教學的重點應該是解決實際問題。4、注重多學科知識的融合。

參考文獻：

[1]何灃燊、高佳平：《基于3D打印的STEAM學習資源包設計開發》，《中國教育技術裝備》2017年14期，31-35頁。

[2]夏小剛、鄭剛：《基于工程實踐的STEAM項目設計與實施——以“3D打印——橋的設計與制作”為例》，《中小學數字化教學》2018年01期，56-58頁。