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        3D打印技術(shù)在STEAM教育中的應(yīng)用與實踐探究

        2019-08-09 05:51:32王蕾
        基礎(chǔ)教育參考 2019年12期
        關(guān)鍵詞:宮燈課程文化

        王蕾

        [摘? ?要]隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟,世界各國積極將3D打印技術(shù)引入教育領(lǐng)域,為教育事業(yè)帶來了新的發(fā)展契機。北京市第一中學(xué)立足3D打印課程,以初中綜合實踐課為切入點,積極組織學(xué)生參加STEAM競賽活動,通過多種方式將3D打印技術(shù)應(yīng)用于STEAM教育中,著力提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力,促進學(xué)生的全面發(fā)展。

        [關(guān)鍵詞]3D打印技術(shù);STEAM教育;信息素養(yǎng)

        教育部發(fā)布的《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導(dǎo)意見》提出,鼓勵中小學(xué)探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式,使學(xué)生具有較強的信息意識與創(chuàng)新意識,養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)習(xí)慣?!镀胀ǜ咧姓n程方案和語文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中,3D打印被納入《17-1834普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》和《17-1847普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》兩大文件。為此,北京市第一中學(xué)立足3D打印課程,以初中綜合實踐課為切入點,通過多種方式將3D打印技術(shù)應(yīng)用于STEAM教育,提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力,促進學(xué)生全面發(fā)展。

        一、把想象變成現(xiàn)實,培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力

        自2014年起,學(xué)校開設(shè)了3D打印校本課程,教學(xué)內(nèi)容融合了三維軟件建模、3D打印創(chuàng)作、VR虛擬現(xiàn)實等,旨在培養(yǎng)學(xué)生的合作、創(chuàng)新和實踐動手能力。學(xué)生將自己的想法通過應(yīng)用軟件設(shè)計出來,在指導(dǎo)教師的幫助下進行打印、加工,最終呈現(xiàn)出一件件充滿創(chuàng)意的作品。

        在“東城區(qū)3D打印設(shè)計作品展”中,學(xué)生們的作品是用3D打印制作出的學(xué)校沙盤模型。為了節(jié)省空間并便于管理,學(xué)生們進行了大膽設(shè)想,將教室設(shè)計成可以翻轉(zhuǎn)折疊的模塊,使用時打開,用畢則收起。更有趣的是,學(xué)生們還設(shè)計了一個運用了磁懸浮原理的教學(xué)樓體模型,當(dāng)?shù)卣鸬韧话l(fā)事件發(fā)生時,教室可以像工具箱一樣平鋪展開,使樓體不至于立刻坍塌,為學(xué)生快速撤離現(xiàn)場爭取時間,以避免踩踏事故,減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

        基于STEAM教育的3D打印課程,使學(xué)生親歷了從想象到圖紙再到實物制作的全過程,極大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。3D打印課堂為學(xué)生提供了展現(xiàn)非凡創(chuàng)造力的機會,使學(xué)生逐漸能夠打通“想象—虛擬—實體”三者之間的鴻溝,完成探索、思考和操作實現(xiàn)的完整過程,為學(xué)生開辟了一種全新的思維通道[1]。

        二、結(jié)合綜合實踐課程,提高知識運用能力

        綜合實踐活動課程是從學(xué)生的真實生活和發(fā)展需要出發(fā),從生活情境中發(fā)現(xiàn)問題,并轉(zhuǎn)化為活動主題,通過探究、服務(wù)、制作、體驗等方式,培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的跨學(xué)科的實踐性課程。STEAM教育與綜合實踐活動課程存在許多共性,都注重跨學(xué)科學(xué)習(xí),注重知識的綜合運用,注重強調(diào)以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)方式[2]。為此,學(xué)校以綜合實踐活動課為切入點,全面開展STEAM教育。

        1.探秘青銅器

        “探秘青銅器”是學(xué)校初中綜合實踐課中的一個課題,約8課時,歷時兩個月。為了更好地實現(xiàn)課程目標(biāo),在設(shè)計教學(xué)時結(jié)合了STEAM教育的理念,要求學(xué)生動手設(shè)計并制作出屬于自己的“青銅特色”的生活用品。在這個階段,學(xué)生遇到了很大的困難。中國古代青銅器的鑄造有塊范法和失蠟法兩種基本方法,此外還有分鑄法、焊接法等工藝。無論哪一種方法,學(xué)生實施起來都有很大的難度。這時,大家想到了應(yīng)用3D打印技術(shù)設(shè)計并打印出青銅器模型。

        學(xué)生經(jīng)過小組討論確定了器型及器物功能,并進行了設(shè)計圖的繪制,對器型長、寬、高數(shù)據(jù)的設(shè)定為3D建模做好了準(zhǔn)備。前期的三維建模相對簡單,在塑形的過程中,學(xué)生很容易實現(xiàn)空間的想象,直觀地體驗直角坐標(biāo)系中物體的建立過程,會對三維數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)有更深刻的認識。學(xué)生對“線生成面,面生成體”的原理有一個接受的過程,但只要實際操作幾次后就將這一過程內(nèi)化了。這種內(nèi)化正是個體空間感形成的一種方式,有利于后續(xù)平面及立體幾何的學(xué)習(xí)。學(xué)生在觀察中發(fā)現(xiàn),3D打印的過程實際上是一種立體繪制,是將熔解后的材料依據(jù)預(yù)先建立的坐標(biāo)數(shù)據(jù)重塑的過程,涉及多種化學(xué)和物理交織的成型方法,最常見的是“熔積成型”和“激光燒結(jié)”,當(dāng)然還有更多的堆疊技術(shù),這些對材料的選擇及熱熔方法的探討會讓學(xué)生對物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生更多的興趣[3]。

        2.傳統(tǒng)文化之簪釵、宮燈、射藝

        學(xué)校初二年級的綜合實踐課程以傳承傳統(tǒng)文化為大主題,由學(xué)生自主選擇題目進行研究性學(xué)習(xí)。學(xué)生分組自定了三個主題:簪釵文化、宮燈文化及射藝文化。簪釵文化研究小組探索新時代女子審美及成人禮文化,考察并傳承傳統(tǒng)發(fā)簪的設(shè)計與制作,開發(fā)符合新時代氣質(zhì)的新式發(fā)簪。宮燈文化研究小組從燈文化入手,探究如何在生活中更好地傳承中國傳統(tǒng)燈飾文化,研發(fā)集聚宮燈氣質(zhì)的新式生活產(chǎn)品。射藝文化研究小組通過新式弓箭與新射藝文化活動的研發(fā),繼承和發(fā)揚傳統(tǒng)射藝文化中“君子修德”的文化精髓。

        這三個研究小組在研究的后期都不約而同地想到了利用3D打印技術(shù)進行創(chuàng)作。簪釵文化研究小組利用3D打印技術(shù)創(chuàng)作出了蘊含現(xiàn)代元素的古典發(fā)簪,這些精美獨特的發(fā)簪受到了同學(xué)們的喜愛,還吸引了教師和家長們。宮燈文化研究小組利用3D打印技術(shù)創(chuàng)作出了多款個性化宮燈,有按季節(jié)變換圖案的四季宮燈,有一直旋轉(zhuǎn)圖案的走馬燈……這些宮燈全部是由3D打印機制作的結(jié)構(gòu)零部件組裝拼接而成的,無需模具和后期加工處理,可直接使用,將以往復(fù)雜、多線程的宮燈制作流程大大簡化了,并且作品也很精美。射藝文化研究小組利用3D打印技術(shù)制作了適合引入學(xué)校的安全弓箭,為了達到安全目標(biāo),學(xué)生們進行了三次改良。

        綜合實踐活動課注重學(xué)生的探究過程,使學(xué)生在體驗動手制作“產(chǎn)品”的過程中,提升創(chuàng)造力和綜合運用跨學(xué)科知識解決問題的能力。而應(yīng)用3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)虛擬世界與實體世界的有機結(jié)合,使學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手實踐能力得到訓(xùn)練,將學(xué)生的創(chuàng)意、想象變?yōu)楝F(xiàn)實[4],也使綜合實踐活動課程得到進一步優(yōu)化。

        三、鼓勵參與競賽活動,發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)與團隊協(xié)作能力

        STEAM教育鼓勵學(xué)生動手完成自己感興趣的并且和自己生活相關(guān)的項目,在過程中學(xué)習(xí)多學(xué)科知識,并使跨學(xué)科的綜合能力得到提升。除了課堂教學(xué)以外,學(xué)校還積極組織學(xué)生參加各級各類STEAM競賽。與學(xué)科類競賽的標(biāo)準(zhǔn)化考核相比,STEAM競賽的最大特點就是“不確定性”,而3D打印技術(shù)由于使用工具少、建模快、組裝式等特點在競賽中得到了廣泛應(yīng)用。學(xué)生在競賽活動中既熟練掌握了3D打印技術(shù),又提升了科學(xué)素養(yǎng)。

        學(xué)生參與積極性最高的是“北京市中小學(xué)生科技創(chuàng)客活動”,2018年參賽的團隊取名為“我們開車不掛檔”,由高一年級的6名學(xué)生組成。在參賽過程中,六名成員協(xié)調(diào)合作、并肩作戰(zhàn),發(fā)揮了無限的潛能與創(chuàng)造力。當(dāng)團隊獨自設(shè)計的賽車構(gòu)件及車殼利用3D打印技術(shù)得以呈現(xiàn)時,當(dāng)經(jīng)過集思廣益完成一輛炫酷的MEV機動電能車的拼裝時,隊員們體驗到了滿滿的成就感并更加自信。擔(dān)任團隊工程師的學(xué)生說道:“作為團隊工程師,我在此次比賽中收獲頗豐?,F(xiàn)在我可以熟練地操作3D打印機,雖然在學(xué)習(xí)的過程中多次失敗,但還是希望能達到打印成型的那一刻。通過這次比賽,我看到了未來科技的走向,也看到了我的問題和漏洞,所以我決定向老師學(xué)習(xí)各種新技術(shù),完善漏洞,為團隊再創(chuàng)輝煌?!?/p>

        學(xué)生們通過參與STEAM競賽,不但提升了動手實踐、解決實際問題的能力,也培養(yǎng)了團隊協(xié)作能力。比賽結(jié)束后,作為團隊經(jīng)理的學(xué)生感慨道:“從初冬時節(jié)的整裝待發(fā)到十二月份載譽而歸,在這一個月的時間里,我們收獲了友情,見證了奇跡。我至今依舊清晰地記得在那間小小的科技教室里,大家沒日沒夜地擺弄著3D打印機和打印材料,耳畔響起的是大家熱烈的討論聲。我能真實地看到大家在這輛小車上所傾注的心血。”

        各級STEAM競賽活動豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)生活,拓寬了學(xué)生的視野。尤其是對一些在以往學(xué)科學(xué)習(xí)中很少獲獎的學(xué)生來說,在STEAM活動中體驗到的愉悅,用3D打印出成果后的興奮和滿足,以及班級、學(xué)校、家庭和社會對他們創(chuàng)作成果的肯定與贊賞,極大地鼓舞了他們,激發(fā)了他們的自信心和探究能力[5]。這些競賽活動進一步促進了學(xué)生像科學(xué)家一樣思考,像工程師一樣設(shè)計和實踐,發(fā)展了獨立思考和自主實踐的能力,全面提升了科學(xué)素養(yǎng)和團隊協(xié)作能力。

        四、總結(jié)與反思

        應(yīng)用3D設(shè)計及3D打印技術(shù),極大地拓寬了STEAM教育的思路。首先,學(xué)生在設(shè)計作品的時候,不再受標(biāo)準(zhǔn)化零件的限制,而是通過3D創(chuàng)意設(shè)計軟件定制更加個性化的零件。其次,在3D設(shè)計過程中,只有充分運用多學(xué)科知識才能實現(xiàn)精準(zhǔn)打印,正貼合了STEAM教育培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維和實踐能力的宗旨。同時,3D打印技術(shù)涉及的數(shù)理化知識不僅會使學(xué)生體會獲取的興趣、直接的觸感,更會為學(xué)生增加學(xué)習(xí)的動力[6]。

        通過幾年的應(yīng)用與實踐探究,學(xué)生們認識到STEAM活動中所要求的創(chuàng)造、設(shè)計、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作都可以通過3D打印技術(shù)來呈現(xiàn)。3D打印技術(shù)可以把學(xué)生天馬行空的創(chuàng)意打印出來,讓學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力得到釋放,真正做到讓創(chuàng)意、設(shè)計、制作、展示融入教學(xué),極大地激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)意實踐的積極性。以3D打印為載體進行STEAM教育,將科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程和藝術(shù)各個領(lǐng)域的知識很好地結(jié)合起來,對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識,提高學(xué)生解決實際問題的能力發(fā)揮著重要作用。

        參考文獻

        [1]丁焱.中小學(xué)開設(shè)3D打印課程的意義[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2014(14):84-85,88.

        [2]吳積軍.STEAM教育與綜合實踐活動課程[N].中國財經(jīng)新聞網(wǎng),2019-01-19.

        [3][6]李劍鳴,周競超.3D打印技術(shù)與學(xué)科融合中的應(yīng)用與探索——以綜合實踐課《探秘青銅器》為例[J].課堂內(nèi)外:教師版,2017(6):76-77.

        [4]蜂巢積木.3D打印在學(xué)校教育領(lǐng)域的運用[EB/OL].http://baijiahao.baidu.com/s?id=1599429790617496491&wfr=spider&for=pc

        [5]宋德智.STEAM教育對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)提升的調(diào)查報告[EB/OL].http://ghb.xzedu.net.cn/27602/archives/407267.aspx

        (責(zé)任編輯? 郭向和)

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