3D打印在STEAM教育中的应用课例

张凯

摘要：本研究源于生活，借助淮南二中创客实验室开展STEAM教学实践，分享教学案例，并给出开展STEAM教育的一些思考。

关键词：STEAM，3D打印，教学案例

目前，国内学校教育逐步融合STEAM教育理念，来加强技术与工程教育。如何开展STEAM教育实践，是很多教师关注的问题。笔者在教育实践中尝试结合STEAM理念开展3D打印课程，其中设计实施了“陀螺的设计与制作”项目课程。

一、教学整体规划

最近有安全隐患的“飞镖指尖陀螺”成了众矢之的。在山西夏县新石器时代遗址中，就有石制陀螺。可见，陀螺在我国有四、五千年的历史。

通过调查发现学生都有把玩陀螺的经历，既然是文化遗产又如此流行，那么我们就通过3D打印还原出每个学生心里的陀螺。

教学流程：

1、发布任务。按要求设计：a.请勿使用尖刺设计，避免产生危险；b.怎样提高旋转时间。

2、学生分组收集有关陀螺的资料。

3、学习物理学知识。通过教师的讲解，知道影响陀螺旋转时长的要素，并能运用到自己的设计中。

4、绘制陀螺草图。学生完成陀螺的初步设计。组间讨论，改进设计。

5、3D建模、打印和修改。使用123D软件建立模型，Cura切片打印，安装、测试和修改。

6、项目展示、评价和总结。举行“时长争霸赛”，“最具创意者”比赛，先小组赛，后班内赛。获胜者介绍设计思路，师生点评、颁奖。

二、课堂教学设计

1.学前准备

知识储备：课前学生已经获取一些陀螺的相关资料，但对陀螺的物理学知识了解不足。

工具准备：PLA耗材+3D打印机（8套），热熔胶+热熔枪（2套），热风枪（1把）、细砂纸（6张）、美工刀（6把）、稿纸若干、轴承、钢珠等。

2.教学过程回顾

（1）展示实例，创造感知场景。

老师展示几种陀螺的样式，竹蜻蜓打破了学生对陀螺的认知。教师点拨，“正式提出‘陀螺术语的是19世纪法国物理学家博科，陀螺定义为“回转体”。竹蜻蜓是在空的回转体，所以它也是一种陀螺。竹蜻蜓在国外又被叫做‘中国陀螺”。通过点拨，拓宽学生对陀螺概念的理解。

（2）了解物理学知识。

陀螺在旋转的时候，不但围绕自身轴线转动，还围绕一个轴作锥形运动。就是说，陀螺一边围绕本身的轴线作自转，一边围绕垂直轴作公转。陀螺围绕自身轴线作“自转”运动的快慢，决定其摆动角的大小。转得越慢，摆动角越大，稳定性越差；转得越快，摆动角越小，稳定性也越好。陀螺高速自转时，在重力偶作用下，不沿力偶方向翻倒，而绕着支点的垂直轴作圆锥运动的现象，就是陀螺原理。

因此，可以从如下5个方面考虑来延长陀螺的旋转时间：

A.加大陀螺的质量，质量大惯性就大，摩擦力不变时，转得更久。

B.陀螺的外形和材质，要均匀，对称。这样可以减小陀螺转动轴的摆动，转得更久。

C.尽可能减小外界摩擦力的影响。比如陀螺脚底采用钢珠。

D.降低陀螺的重心。这样可减小陀螺的转轴摆动，可以减小外力对陀螺的影响。

（3）改进陀螺设计图，建立3D模型。

通过教师的指导，同学们对自己的陀螺又有了新的想法，改进了自己设计的陀螺。这里选取了一些据有代表性的学生作品。

其中，A同学设计为一个指尖陀螺，一开始的设计为两叶片的，外形上重心分布不够稳固，同时，PLA材质的叶片较轻。经过指导修改加大了叶片的配重，改为3叶片。B同学的原始设计的陀螺重心过高，改进后重心下移，并在底部加钢珠减小摩擦。

3.3D打印实操与展示评价

3D打印耗时较长，通常一节课不能完成打印，确保打印机正常工作后。打印实操结果和分析放在下一节课进行。

其中：C同学在给陀螺结构件做切片时，摆放的角度不对，导致打印过多“支撑”，可以借助细砂纸反复打磨达到最佳效果；D同学打印的结构件底座无法剥离。学生在使用Cura切片时参数设置的问题，在教师的建议下将悬空间隙设置成0.22mm后发现更易剥离。

随后举行“时长争霸赛”和“最具创意者”比赛，每组组内选出该组旋转时间最长的陀螺作品，投票选出组内最具创意作品。再组间PK，最终角逐产生“时长王”和“创意王”，既对学生的科学技术能力有要求，又考察培养了学生的艺术素养。最后“时长王”和“创意王”分别介绍自己的作品，教师对各作品进行点评。

三、反思总结

本项目课程最初设想每位同学的作品都能打印出来，实操中发现存在雷同设计，为了避免浪费，实际处理上，笔者把学生的作品分类，同类的作品选取代表性的打印出来。同时，笔者也注意到部分作品出了细节问题，学生不能持续的改进，缺乏匠人的精神。基于实际开展中的种种问题，笔者认为STEAM教育实践中应该注意以下几点：

1、问题尽量来源于生活，且容易研究解决。2、注重动手实践，传承匠人精神。3、强调3D打印的工具性。3D打印只是众多物化实现工具中的一个，教学的重点应该是解决实际问题。4、注重多学科知识的融合。

参考文献：

[1]何沣燊、高佳平：《基于3D打印的STEAM學习资源包设计开发》，《中国教育技术装备》2017年14期，31-35页。

[2]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》，《中小学数字化教学》2018年01期，56-58页。