張凱

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

關(guān)鍵詞：STEAM，3D打印，教學(xué)案例

目前，國內(nèi)學(xué)校教育逐步融合STEAM教育理念，來加強技術(shù)與工程教育。如何開展STEAM教育實踐，是很多教師關(guān)注的問題。筆者在教育實踐中嘗試結(jié)合STEAM理念開展3D打印課程，其中設(shè)計實施了“陀螺的設(shè)計與制作”項目課程。

一、教學(xué)整體規(guī)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(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生都有把玩陀螺的經(jīng)歷，既然是文化遺產(chǎn)又如此流行，那么我們就通過3D打印還原出每個學(xué)生心里的陀螺。

教學(xué)流程：

1、發(fā)布任務(wù)。按要求設(shè)計：a.請勿使用尖刺設(shè)計，避免產(chǎn)生危險；b.怎樣提高旋轉(zhuǎn)時間。

2、學(xué)生分組收集有關(guān)陀螺的資料。

3、學(xué)習(xí)物理學(xué)知識。通過教師的講解，知道影響陀螺旋轉(zhuǎn)時長的要素，并能運用到自己的設(shè)計中。

4、繪制陀螺草圖。學(xué)生完成陀螺的初步設(shè)計。組間討論，改進(jìn)設(shè)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(jié)。舉行“時長爭霸賽”，“最具創(chuàng)意者”比賽，先小組賽，后班內(nèi)賽。獲勝者介紹設(shè)計思路，師生點評、頒獎。

二、課堂教學(xué)設(shè)計

1.學(xué)前準(zhǔn)備

知識儲備：課前學(xué)生已經(jīng)獲取一些陀螺的相關(guān)資料，但對陀螺的物理學(xué)知識了解不足。

工具準(zhǔn)備：PLA耗材+3D打印機（8套），熱熔膠+熱熔槍（2套），熱風(fēng)槍（1把）、細(xì)砂紙（6張）、美工刀（6把）、稿紙若干、軸承、鋼珠等。

2.教學(xué)過程回顧

（1）展示實例，創(chuàng)造感知場景。

老師展示幾種陀螺的樣式，竹蜻蜓打破了學(xué)生對陀螺的認(rèn)知。教師點撥，“正式提出‘陀螺術(shù)語的是19世紀(jì)法國物理學(xué)家博科，陀螺定義為“回轉(zhuǎn)體”。竹蜻蜓是在空的回轉(zhuǎn)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(xué)生對陀螺概念的理解。

（2）了解物理學(xué)知識。

陀螺在旋轉(zhuǎn)的時候，不但圍繞自身軸線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，一邊圍繞垂直軸作公轉(zhuǎn)。陀螺圍繞自身軸線作“自轉(zhuǎn)”運動的快慢，決定其擺動角的大小。轉(zhuǎn)得越慢，擺動角越大，穩(wěn)定性越差；轉(zhuǎn)得越快，擺動角越小，穩(wěn)定性也越好。陀螺高速自轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)時間：

A.加大陀螺的質(zhì)量，質(zhì)量大慣性就大，摩擦力不變時，轉(zhuǎn)得更久。

B.陀螺的外形和材質(zhì)，要均勻，對稱。這樣可以減小陀螺轉(zhuǎn)動軸的擺動，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸擺動，可以減小外力對陀螺的影響。

（3）改進(jìn)陀螺設(shè)計圖，建立3D模型。

通過教師的指導(dǎo)，同學(xué)們對自己的陀螺又有了新的想法，改進(jìn)了自己設(shè)計的陀螺。這里選取了一些據(jù)有代表性的學(xué)生作品。

其中，A同學(xué)設(shè)計為一個指尖陀螺，一開始的設(shè)計為兩葉片的，外形上重心分布不夠穩(wěn)固，同時，PLA材質(zhì)的葉片較輕。經(jīng)過指導(dǎo)修改加大了葉片的配重，改為3葉片。B同學(xué)的原始設(shè)計的陀螺重心過高，改進(jìn)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(jié)課不能完成打印，確保打印機正常工作后。打印實操結(jié)果和分析放在下一節(jié)課進(jìn)行。

其中：C同學(xué)在給陀螺結(jié)構(gòu)件做切片時，擺放的角度不對，導(dǎo)致打印過多“支撐”，可以借助細(xì)砂紙反復(fù)打磨達(dá)到最佳效果；D同學(xué)打印的結(jié)構(gòu)件底座無法剝離。學(xué)生在使用Cura切片時參數(shù)設(shè)置的問題，在教師的建議下將懸空間隙設(shè)置成0.22mm后發(fā)現(xiàn)更易剝離。

隨后舉行“時長爭霸賽”和“最具創(chuàng)意者”比賽，每組組內(nèi)選出該組旋轉(zhuǎn)時間最長的陀螺作品，投票選出組內(nèi)最具創(chuàng)意作品。再組間PK，最終角逐產(chǎn)生“時長王”和“創(chuàng)意王”，既對學(xué)生的科學(xué)技術(shù)能力有要求，又考察培養(yǎng)了學(xué)生的藝術(shù)素養(yǎng)。最后“時長王”和“創(chuàng)意王”分別介紹自己的作品，教師對各作品進(jìn)行點評。

三、反思總結(jié)

本項目課程最初設(shè)想每位同學(xué)的作品都能打印出來，實操中發(fā)現(xiàn)存在雷同設(shè)計，為了避免浪費，實際處理上，筆者把學(xué)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(xì)節(jié)問題，學(xué)生不能持續(xù)的改進(jìn)，缺乏匠人的精神?；趯嶋H開展中的種種問題，筆者認(rèn)為STEAM教育實踐中應(yīng)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(diào)3D打印的工具性。3D打印只是眾多物化實現(xiàn)工具中的一個，教學(xué)的重點應(yīng)該是解決實際問題。4、注重多學(xué)科知識的融合。

參考文獻(xiàn)：

[1]何灃燊、高佳平：《基于3D打印的STEAM學(xué)習(xí)資源包設(shè)計開發(fā)》，《中國教育技術(shù)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(shè)計與實施——以“3D打印——橋的設(shè)計與制作”為例》，《中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)》2018年01期，56-58頁。