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3D打印笔在STEAM教学中的应用

发表时间：2020/7/13 来源：《新纪实》2020年第3期作者：范晓婷胡小强

[导读] 2017年教育部印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》中明确提出3D设计及3D打印机等新技术要进入学校,进行3D设计与打印技术的初步应用。3D打印逐渐成为教育领域关注的热点，研究3D打印笔在中小学教育中应用有重要的现实意义。特别是结合当前STRAM教育，3D打印笔是一个很多的应用工具。本文通过分析3D打印笔与STEAM教学相结合的案例，旨在更好的培养学生的各项综合素质，探索其在具体教学中的应用。

        江西科技师范大学江西南昌 330013
        【摘要】2017年教育部印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》中明确提出3D设计及3D打印机等新技术要进入学校,进行3D设计与打印技术的初步应用。3D打印逐渐成为教育领域关注的热点，研究3D打印笔在中小学教育中应用有重要的现实意义。特别是结合当前STRAM教育，3D打印笔是一个很多的应用工具。本文通过分析3D打印笔与STEAM教学相结合的案例，旨在更好的培养学生的各项综合素质，探索其在具体教学中的应用。
        【关键词】3D打印；3D打印笔；STEAM教育

        3D打印技术被誉为“第三次工业革命”核心科技之一，它的重要程度不亚于互联网和新能源两大科技，是继蒸汽时代、电气时代后又一历史性的突破，它把想法、设计、生产一系列过程联系起来，鼓励人们大胆猜想，大胆设计。由于3D打印技术能够培养学生的自主设计和创新思维能力，因而该技术逐渐中小学的教育教学中。目前，因为3D打印机在中小学课堂中实际操作难度高、过程复杂、学生在创作过程中缺少耐心而被摒弃，被小巧安全、高效便捷、成本低的3D打印笔所取代，借助3D打印笔可将小学教育中的数学、信息技术、科学、美术等学科课程内容有机地结合起来，丰富课堂的教学形式，充分发挥出3D打印技术的教育价值，本文将阐述基于3D打印笔培养学生的STEAM素养。
        一、3D打印笔的特点
        3D打印笔是一种将PLA或ABS等原材料加入通电的打印笔，经过高温融化，将材料进行再塑造，甚至可以自由地在空气中作画，除了原材料不需要其他介质的支撑，并且无需电脑或电脑软件支持，相比3D打印更便捷和随意。其设备及使用成本都极其低，易于普及使用。3D打印笔是基于3D打印技术，具有3D打印功能的笔。由于其在制作工艺方面的创新，被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”，由于其具有结构简单，耗材常见，入门容易等特点，在中小学教学中应用较多。3D打印笔具有操作简单，可塑性强的特点。能够充分发挥各年龄阶段学生和教师的创新创造能力。另外，3D打印笔可以培养学生的立体空间感和立体思维能力，与科学、技术、艺术、数学等学科结合起来，既能训练学生动手动脑能力，也增加了学习的趣味性。
        二、3D打印笔应用于STEAM的可行性
        STEAM (Science, Technology, Engineering, Art, Mathematics) 教育是以跨学科整合的方式培养学生STEAM素养的一种技术教育，STEAM有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式,它是一种重实践的超学科教育概念。而3D打印笔也可以突破各个学科体系的限制，能够将数学、科学、艺术等多个学科的知识相互渗透。以STEAM教育理论为指导，将3D打印笔应用在教学中，能让学生在课堂上使用3D打印笔做作品，在玩中学，让学生动手动脑，激发了他们的学习的兴趣，从而促进学生对知识的主动探索，真正做到寓教于乐；另外，在完成作品的过程中，一般需要团队合作，学生们遇到问题一起交流，利于协作探究和团队合作精神的培养；在建模的过程中，学生手脑并用，将物体化抽象为具体，不仅能启发他们的创新思维，还提升了动手操作能力和空间想象能力，从而促进学生的全面发展。
        三、基于3D打印笔的STEAM应用案例—“认识摩天轮”
        在自然课程教学中，涉及到认识一些建筑物，大型著名的摩天轮在全球有十余座，也是中小学最喜欢体验的运动之一。在这个案例中，项目是认识摩天轮。
        （一）教学目标
        1.学生了解摩天轮的结构。
        2.比较不同地摩天轮的外形，认识世界上著名的摩天轮。
        3.培养学生合作探究精神以及勇于探索科学奥秘的兴趣和科学意识。
        （二）教学重难点
        重点：用3D打印笔将二维的平面图形组合为三维立体图形。
        难点：学生按照顺序步骤进行建模。
        （三）教学策略
        1.创设生活情境，激发学生的求知欲望。
        2.任务驱动，自主协作学习。

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        （四）教学过程
        1.导入：在上课开始时，询问大家有没有坐过摩天轮，介绍南昌之星、英国伦敦眼等，说明其高度，位于哪国等相关知识。
        2.展示摩天轮的图片，让学生观察思考摩天轮的组成及其特点，鼓励学生用3D打印笔将摩天轮“画”出来。
        从图片中可以知道：
        摩天轮底座两侧均为三角形
①　        摩天轮的转盘相当于一个扁平的圆柱，圆柱的两个底圆上有指向圆心的线条、圆柱的侧面也有相互连接的线条作为支撑。
②　        圆柱的中心与底座三角形的顶点同处一水平线上，小棒穿过圆柱的中心后搭在三角形的顶点上。
③　        3.制作模型。通过观察已经知道了摩天轮构成，那么现在我们怎样用3D打印笔来做一个立体的摩天轮呢？让学生按照小组为单位搭建一个摩天轮的模型，从而使学生了解如何从平面搭建立体实物的建模方法。
        材料：3D打印笔、PCL材料、透明隔板、小木棒等。
        第一步：确定外框架。用打印笔画在隔板上出摩天轮的基本框架，即两个相同的圆、两个相同的三角形，要注意圆的半径要小于三角形的高。提醒学生画的时候出丝要匀速，才能使线条均匀;要画得厚，才会有立体感。
        第二步：内部填充。首先，用3D打印笔在透明隔板上画出两个略大于小棒的圆环，把圆环放在大圆的中心，大圆与小圆环用多条线段连接，完成后，在大圆与小圆环中间再画几个不同颜色的圆形，使之覆盖在刚画好的线条上。其次，将两个完成的圆面从透明隔板上取下，在他们的周围用平行线条连接，色彩缤纷的转盘已经完成了，这时平面图形就组合成了三维的立体图形。最后，填充三角形，把三角形放在透明隔板上，用3D打印笔将三角形的腰用平行线或交叉线连接，使摩天轮的底座更坚固。此时告诉学生，用平行线连接两个平面的方式不仅可以使连接处变得顺滑，而且两个平面粘结也很牢固；用交叉直线连接时，连接的强度很高，也具有可折叠性，另外增加了连接处的美观。
        第三步：拼接。将完成后的三角形从透明隔板上取下，竖立，用小木棒穿过圆柱的中心后搭在三角形的顶点上，顶点处也用3D打印笔画出材料进行固定。这样，立体的能旋转的摩天轮就完成了。 4.完成模型后，以小组为单位讨论在制作过程中出现了哪些问题、如何解决、怎样才能避免问题的出现。

        图一：3D打印笔打印的摩天轮作品
        （五）反思
        在本次教学中，学生在了解摩天轮相关科学知识的同时，还学会运用3D打印笔构建出立体模型，不仅增加了对立体模型的兴趣，而且也开始运用逆向思维思考问题，另外培养了学生的观察能力、动手操作能力和团队协作能力，理解了打印笔温度对耗材的影响等，加强了非智力因素的教育，完成了STEAM教育中科学、数学、艺术多学科知识的融合。但是在创作过程中，学生以老师的经验为主导，按照老师的步骤去做，缺少学生独立完成作品的自主性，但同时有些学生做出来没有美感，感觉缺少美学修养，以后在教学中要加强这艺术这方面的教育。
        四、3D打印笔在STEAM教学的应用中存在问题与发展前景
        3D打印笔作为3D打印技术的一个分支，以其轻便和易操作的优点逐渐被应用到各个阶段的教育教学中去，这给学生带来了全新的三维体验，让学习者亲身体验到科学技术给我们的生活和教育带来的改变。通过有针对性的案例设计，可以使3D打印笔能够更好的应用到STEAM课程中去，培养学生的动手实践能力、创新素养以及其它核心素养。然而，目前3D打印笔存在笔头过热的安全问题、在使用3D打印笔时课堂难以管理、多学科的教学设计难以融合、缺乏专业的STEAM教师等问题亟待解决。

        参考文献：
        [1]高伟霞,杨艳石,苗静.应用型大学产品设计专业创新创业教学模式探究——以常熟理工学院中小学3D打印创客教育课程体系的开发为例[J].艺术科技,2019,32(06):81+106.
        [2]李青,王青.3D打印:一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志,2013,31(04):29-35.
        [3]https://www.zcool.com.cn/work/ZNzc4NjcwOA==.html.