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        基于STEAM的發(fā)電機模型3D打印校本課程的設計

        2020-07-01 10:00:08邱林瑜程敏熙
        物理通報 2020年7期
        關鍵詞:圓角轉(zhuǎn)軸繪制

        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(shù)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(tǒng)產(chǎn)業(yè)有所影響,同時也影響著教育行業(yè)的發(fā)展.3D打印技術與教育相結(jié)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(chuàng)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(chǎn)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(yǎng)學生創(chuàng)新思維及設計靈感.2014年6月,“國際教育信息化發(fā)展研究”項目提出“全球十大教育創(chuàng)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(xiàn)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(chuàng)新種子[4],隨后國家開啟“3D打印創(chuàng)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(guī)模的3D打印系列培訓課.此后,珠三角地區(qū)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(fā)達城市為中心,向全國更多地區(qū)蔓延開展.

        3D打印技術校本課程雖然是從2014年開始陸續(xù)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(shù)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(nèi)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(fā)展[5].

        因此,本文將設計發(fā)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(shù)學),由奧巴馬大力推進這種綜合課程的實施[6],旨在培養(yǎng)學生的解決問題、團隊合作及實踐創(chuàng)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(jié)合的創(chuàng)造性產(chǎn)物,主要強調(diào)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(xiàn)的問題.STEAM教育理念與3D打印課程教學相融合,結(jié)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(shù)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(yǎng)學生的創(chuàng)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(nèi)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(shù)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(fā)電機模型3D打印校本課程實施方案,包含了8課時的內(nèi)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(fā)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(fā)電機.元件是三維立體的,而上節(jié)課先學習了Soildworks畫二維圖像,這節(jié)課就開始學習繪制三維立體模型.發(fā)電機是由線圈、磁鐵、集電環(huán)、電刷、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸支架、手柄等交變電流發(fā)電機模型元件組成(圖1).發(fā)電機要轉(zhuǎn)動起來,最核心的部件是轉(zhuǎn)軸,那轉(zhuǎn)軸是屬于什么形狀的物體呢?

        圖1 發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸可穿過線圈框,請學生們設計轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wěn)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(chuàng)設情境

        師:通過之前的學習,我們已經(jīng)學會繪制發(fā)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(jīng)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(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)電機各部分元件的建模圖,并自學附加特征功能設計發(fā)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(xiàn).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(fā)電機”的意義及應用

        在粵教版選修3-2“交變電流”一節(jié)中介紹了交流發(fā)電機的工作原理,分析了發(fā)電機中線圈在不同位置時產(chǎn)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(fā)電機模型將抽象的知識立體化,便于學生清楚了解發(fā)電機的構造及產(chǎn)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(chuàng)客式的教學新模式,提供科技創(chuàng)新的平臺,推動智慧教育的發(fā)展,實現(xiàn)平面教育到立體教育的轉(zhuǎn)變[7].

        圖9 3D打印交流發(fā)電機模型

        4 總結(jié)

        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(shù)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(yǎng)學生的創(chuàng)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(yōu)秀教師的共同努力下,3D打印一定會給教學創(chuàng)造新的局面,也期待3D技術在中國更多的學校得到普及!

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