基于STEAM的發電機模型3D打印校本課程的設計

邱林瑜 程敏熙

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

3D打印技術(3D Printing)是増材制造(AM)技術的俗稱，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[1].3D打印技術不僅對傳統產業有所影響，同時也影響著教育行業的發展.3D打印技術與教育相結合，作為一種教育技術應用到課程教學中，能夠為教育教學的創新提供很好的方法和思路，在相關理論基礎指導下一定會對目前的教育模式產生巨大的沖擊[2].不僅能使抽象的知識立體化，幫助理解深奧概念，還能培養學生創新思維及設計靈感.2014年6月，“國際教育信息化發展研究”項目提出“全球十大教育創新技術”中包括3D打印技術顛覆學生動手實踐、開源硬件夯實信息技術“做中學”教學模式[3]等，我國開始掀起3D打印技術走進中小學教學課堂的熱潮.

1 3D打印技術應用于教育的現狀及存在問題

2014年，原航空航天部部長林宗棠向中央上書提建議：3D打印技術要從娃娃抓起，在全國青少年中播種10萬顆3D打印創新種子[4]，隨后國家開啟“3D打印創新教育播種”計劃.2015年5月16日，廣州市教育局首次舉辦大規模的3D打印系列培訓課.此后，珠三角地區教育局相繼開展3D打印培訓課程.目前，3D打印技術校本課程正以發達城市為中心，向全國更多地區蔓延開展.

3D打印技術校本課程雖然是從2014年開始陸續在中小學開展，但到2019年仍處于探索時期，存在不少的問題.一是對教師要求高，師資力量缺乏，大多數教師都沒有接觸過3D打印技術.二是教育部并未頒布3D打印課程相應教材，課程內容設置的靈活性較大，學校缺乏完善課程體系，不利教學良性發展[5].

因此，本文將設計發電機模型3D打印校本課程方案，充分挖掘3D打印的教育價值，為各學校開展3D打印校本課程提供案例.

2 STEAM教育

STEAM教育的前身為20世紀80年代美國人提出的STEM教育，該教育包含4個學科：Science(科學)、Technology(技術)、Engineering(工程)以及Mathematics(數學)，由奧巴馬大力推進這種綜合課程的實施[6]，旨在培養學生的解決問題、團隊合作及實踐創新能力.隨后，在原有4科的基礎上加入了Art(藝術)學科，多學科融合得到STEAM教育.STEAM是一種多元學科結合的創造性產物，主要強調跨學科融合，以項目式學習的方式，運用多元學科去解決真實情境中出現的問題.STEAM教育理念與3D打印課程教學相融合，結合物理學是一門科學，3D打印作為一門技術，打印出來的零件組成設備是一項工程，在3D打印過程中需要數學、幾何知識進行相關建模，并需要對零件或設備加以色彩、造型的搭配，從完成工程中培養學生的創新思維與動手能力.

3 3D打印校本課程的設計

基于STEAM的3D打印校本課程定位為一門綜合課程，教學內容不僅僅是Solidworks建模軟件與3D打印機使用的學習，還應將科學、技術、藝術及數學有機融合，團隊合作解決實際問題.因此，本文設計了一套適合高中學校開展的發電機模型3D打印校本課程實施方案，包含了8課時的內容，每課時80 min.課程類型分為操作類課程、項目類課程、展示類課程，知識由淺入深，學生從個人設計到團隊合作運用3D打印技術完成“交變電流發電機”的制作.該實施方案如表1所示.

表1 3D打印校本課程實施方案

3.1 操作類課程課例——拉伸凸臺/切除特征

(1)導入新課

師：我們這門課定下的目標是用3D打印技術制作出交變電流發電機.元件是三維立體的，而上節課先學習了Soildworks畫二維圖像，這節課就開始學習繪制三維立體模型.發電機是由線圈、磁鐵、集電環、電刷、轉軸、轉軸支架、手柄等交變電流發電機模型元件組成(圖1).發電機要轉動起來，最核心的部件是轉軸，那轉軸是屬于什么形狀的物體呢？

圖1 發電機構造圖

生：可以看作是圓柱體.

師：同學們回答得很正確，那我們可以怎么在Solidworks軟件繪制出圓柱體形狀的轉軸呢？這就和今天所學的拉伸凸臺特征功能有關了.

(2)介紹拉伸凸臺特征——以轉軸圖繪制為例

師：拉伸就是把一個草圖沿垂直方向伸長，伸長的方向可以是單向或雙向的.拉伸凸臺/基體的操作方法是繪制好平面草圖后，在特征工具欄中單擊【拉伸凸臺/基體】圖標，然后設置對話框，選擇拉伸的終止類型.下面同學們跟著老師一起以繪制轉軸圖.我們先繪制x-y平面圓，再對圓進行拉伸(圖2).

圖2 “拉伸凸臺”操作圖

(3)牛刀小試

布置任務：

1)繪制中心對稱長140 mm、寬100 mm、厚16 mm (切除中心對稱長120 mm、寬80 mm長方體、厚16 mm的長方體)的線圈框，并在100 mm×16 mm平面中心位置切除半徑為5 mm、長為140 mm的圓柱體.

2)轉軸可穿過線圈框，請學生們設計轉軸支架并繪制三維圖像.

(4)介紹拉伸切除特征——以線圈框圖繪制為例

師：拉伸切除的操作方法是繪制想要的平面草圖后在特征工具欄中單擊【拉伸切除】圖標，然后設置對話框，可選擇完全貫穿，并設置所需的拉伸切除的總深度.下面同學們跟著老師一起以繪制線圈框圖.先運用拉伸凸臺特征繪制大長方體，再在大長方體中用拉伸切除特征切除小長方體，最后在線框中心切除轉軸大小部分(圖3).

圖3 “拉伸切除”操作圖

(5)鞏固提升

布置任務：3人為一組，討論完成電刷(圖4)的簡化圖，并嘗試將2個電刷與支架繪制在同一幅設計中，便于打印的穩固性.電刷+支架模型圖范例如圖5所示.

圖4 電刷實物圖

圖5 電刷+支架模型圖范例

3.2 項目類課程課例——圓角特征、抽殼特征

(1)創設情境

師：通過之前的學習，我們已經學會繪制發電機所有元件的模型圖了.組裝的尺寸通常設置得剛好，但是打印存在誤差，我們可以怎么樣將元件順利組裝起來呢？

生：可以打印完打磨各部分元件.

師：這也不失一個方法，其實我們已經學完了5種基礎特征建模方法，Solidworks軟件還設置了附件特征建模的功能.其中，圓角特征就可以很好解決組裝問題了.今天我們主要學習圓角特征與抽殼特征.

(2)介紹圓角特征

師：圓角特征是建立與設定邊線相連的兩個曲面相切的曲面，使實體曲面實現圓滑過渡.圓角特征步驟是，先選擇一個基體，再點擊特征欄當中的圓角，然后選擇一個圓角類型(圖6).

圖6 “圓角”操作圖

(3)牛刀小試

布置任務：運用圓角功能修改“轉軸支架”模型圖，方便組裝順滑.修改前與修改后范例如圖7所示.

圖7 “轉軸支架”模型圖

(4)交流與合作

教師布置課程的終極任務(見圖8)引導學生通過小組合作的方式，設計交流發電機各部分元件的建模圖，并自學附加特征功能設計發電機的一些裝飾品，在學習3D打印機的使用后打印出作品最后于第8課時中展示.

圖8 課程終極任務

設計意圖：以小組方式完成指定的教學任務，是“項目式學習”的體現.學生通過小組討論、互相學習，感受到了合作精神，并解決了實際問題，是STEAM教育理論的有效實踐.

3.3 3D打印“交變電流發電機”的意義及應用

在粵教版選修3-2“交變電流”一節中介紹了交流發電機的工作原理，分析了發電機中線圈在不同位置時產生電流的方向.但是教科書上示意圖是二維的，需要學生加以想象才能理解，而圖9的3D打印交流發電機模型將抽象的知識立體化，便于學生清楚了解發電機的構造及產生電流的原理，提升學生興趣之余也提高了教學效果.這反映了在3D打印校本課程中融合STEAM教育能夠使知識可視化，演變出創客式的教學新模式，提供科技創新的平臺，推動智慧教育的發展，實現平面教育到立體教育的轉變[7].

圖9 3D打印交流發電機模型

4 總結

基于STEAM教育開展的3D打印高中校本課程是讓學生在學習3D打印技術過程中，把科學、技術、藝術及數學相融合，通過項目式學習的方式團隊解決實際問題，從中培養學生的創新思維和動手實踐能力，這一舉措提升了3D打印校本課程的教學效果.在教育研究者以及一線優秀教師的共同努力下，3D打印一定會給教學創造新的局面，也期待3D技術在中國更多的學校得到普及！