基于STEAM的发电机模型3D打印校本课程的设计

邱林瑜 程敏熙

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

3D打印技术(3D Printing)是増材制造(AM)技术的俗称，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[1].3D打印技术不仅对传统产业有所影响，同时也影响着教育行业的发展.3D打印技术与教育相结合，作为一种教育技术应用到课程教学中，能够为教育教学的创新提供很好的方法和思路，在相关理论基础指导下一定会对目前的教育模式产生巨大的冲击[2].不仅能使抽象的知识立体化，帮助理解深奥概念，还能培养学生创新思维及设计灵感.2014年6月，“国际教育信息化发展研究”项目提出“全球十大教育创新技术”中包括3D打印技术颠覆学生动手实践、开源硬件夯实信息技术“做中学”教学模式[3]等，我国开始掀起3D打印技术走进中小学教学课堂的热潮.

1 3D打印技术应用于教育的现状及存在问题

2014年，原航空航天部部长林宗棠向中央上书提建议：3D打印技术要从娃娃抓起，在全国青少年中播种10万颗3D打印创新种子[4]，随后国家开启“3D打印创新教育播种”计划.2015年5月16日，广州市教育局首次举办大规模的3D打印系列培训课.此后，珠三角地区教育局相继开展3D打印培训课程.目前，3D打印技术校本课程正以发达城市为中心，向全国更多地区蔓延开展.

3D打印技术校本课程虽然是从2014年开始陆续在中小学开展，但到2019年仍处于探索时期，存在不少的问题.一是对教师要求高，师资力量缺乏，大多数教师都没有接触过3D打印技术.二是教育部并未颁布3D打印课程相应教材，课程内容设置的灵活性较大，学校缺乏完善课程体系，不利教学良性发展[5].

因此，本文将设计发电机模型3D打印校本课程方案，充分挖掘3D打印的教育价值，为各学校开展3D打印校本课程提供案例.

2 STEAM教育

STEAM教育的前身为20世纪80年代美国人提出的STEM教育，该教育包含4个学科：Science(科学)、Technology(技术)、Engineering(工程)以及Mathematics(数学)，由奥巴马大力推进这种综合课程的实施[6]，旨在培养学生的解决问题、团队合作及实践创新能力.随后，在原有4科的基础上加入了Art(艺术)学科，多学科融合得到STEAM教育.STEAM是一种多元学科结合的创造性产物，主要强调跨学科融合，以项目式学习的方式，运用多元学科去解决真实情境中出现的问题.STEAM教育理念与3D打印课程教学相融合，结合物理学是一门科学，3D打印作为一门技术，打印出来的零件组成设备是一项工程，在3D打印过程中需要数学、几何知识进行相关建模，并需要对零件或设备加以色彩、造型的搭配，从完成工程中培养学生的创新思维与动手能力.

3 3D打印校本课程的设计

基于STEAM的3D打印校本课程定位为一门综合课程，教学内容不仅仅是Solidworks建模软件与3D打印机使用的学习，还应将科学、技术、艺术及数学有机融合，团队合作解决实际问题.因此，本文设计了一套适合高中学校开展的发电机模型3D打印校本课程实施方案，包含了8课时的内容，每课时80 min.课程类型分为操作类课程、项目类课程、展示类课程，知识由浅入深，学生从个人设计到团队合作运用3D打印技术完成“交变电流发电机”的制作.该实施方案如表1所示.

表1 3D打印校本课程实施方案

3.1 操作类课程课例——拉伸凸台/切除特征

(1)导入新课

师：我们这门课定下的目标是用3D打印技术制作出交变电流发电机.元件是三维立体的，而上节课先学习了Soildworks画二维图像，这节课就开始学习绘制三维立体模型.发电机是由线圈、磁铁、集电环、电刷、转轴、转轴支架、手柄等交变电流发电机模型元件组成(图1).发电机要转动起来，最核心的部件是转轴，那转轴是属于什么形状的物体呢？

图1 发电机构造图

生：可以看作是圆柱体.

师：同学们回答得很正确，那我们可以怎么在Solidworks软件绘制出圆柱体形状的转轴呢？这就和今天所学的拉伸凸台特征功能有关了.

(2)介绍拉伸凸台特征——以转轴图绘制为例

师：拉伸就是把一个草图沿垂直方向伸长，伸长的方向可以是单向或双向的.拉伸凸台/基体的操作方法是绘制好平面草图后，在特征工具栏中单击【拉伸凸台/基体】图标，然后设置对话框，选择拉伸的终止类型.下面同学们跟着老师一起以绘制转轴图.我们先绘制x-y平面圆，再对圆进行拉伸(图2).

图2 “拉伸凸台”操作图

(3)牛刀小试

布置任务：

1)绘制中心对称长140 mm、宽100 mm、厚16 mm (切除中心对称长120 mm、宽80 mm长方体、厚16 mm的长方体)的线圈框，并在100 mm×16 mm平面中心位置切除半径为5 mm、长为140 mm的圆柱体.

2)转轴可穿过线圈框，请学生们设计转轴支架并绘制三维图像.

(4)介绍拉伸切除特征——以线圈框图绘制为例

师：拉伸切除的操作方法是绘制想要的平面草图后在特征工具栏中单击【拉伸切除】图标，然后设置对话框，可选择完全贯穿，并设置所需的拉伸切除的总深度.下面同学们跟着老师一起以绘制线圈框图.先运用拉伸凸台特征绘制大长方体，再在大长方体中用拉伸切除特征切除小长方体，最后在线框中心切除转轴大小部分(图3).

图3 “拉伸切除”操作图

(5)巩固提升

布置任务：3人为一组，讨论完成电刷(图4)的简化图，并尝试将2个电刷与支架绘制在同一幅设计中，便于打印的稳固性.电刷+支架模型图范例如图5所示.

图4 电刷实物图

图5 电刷+支架模型图范例

3.2 项目类课程课例——圆角特征、抽壳特征

(1)创设情境

师：通过之前的学习，我们已经学会绘制发电机所有元件的模型图了.组装的尺寸通常设置得刚好，但是打印存在误差，我们可以怎么样将元件顺利组装起来呢？

生：可以打印完打磨各部分元件.

师：这也不失一个方法，其实我们已经学完了5种基础特征建模方法，Solidworks软件还设置了附件特征建模的功能.其中，圆角特征就可以很好解决组装问题了.今天我们主要学习圆角特征与抽壳特征.

(2)介绍圆角特征

师：圆角特征是建立与设定边线相连的两个曲面相切的曲面，使实体曲面实现圆滑过渡.圆角特征步骤是，先选择一个基体，再点击特征栏当中的圆角，然后选择一个圆角类型(图6).

图6 “圆角”操作图

(3)牛刀小试

布置任务：运用圆角功能修改“转轴支架”模型图，方便组装顺滑.修改前与修改后范例如图7所示.

图7 “转轴支架”模型图

(4)交流与合作

教师布置课程的终极任务(见图8)引导学生通过小组合作的方式，设计交流发电机各部分元件的建模图，并自学附加特征功能设计发电机的一些装饰品，在学习3D打印机的使用后打印出作品最后于第8课时中展示.

图8 课程终极任务

设计意图：以小组方式完成指定的教学任务，是“项目式学习”的体现.学生通过小组讨论、互相学习，感受到了合作精神，并解决了实际问题，是STEAM教育理论的有效实践.

3.3 3D打印“交变电流发电机”的意义及应用

在粤教版选修3-2“交变电流”一节中介绍了交流发电机的工作原理，分析了发电机中线圈在不同位置时产生电流的方向.但是教科书上示意图是二维的，需要学生加以想象才能理解，而图9的3D打印交流发电机模型将抽象的知识立体化，便于学生清楚了解发电机的构造及产生电流的原理，提升学生兴趣之余也提高了教学效果.这反映了在3D打印校本课程中融合STEAM教育能够使知识可视化，演变出创客式的教学新模式，提供科技创新的平台，推动智慧教育的发展，实现平面教育到立体教育的转变[7].

图9 3D打印交流发电机模型

4 总结

基于STEAM教育开展的3D打印高中校本课程是让学生在学习3D打印技术过程中，把科学、技术、艺术及数学相融合，通过项目式学习的方式团队解决实际问题，从中培养学生的创新思维和动手实践能力，这一举措提升了3D打印校本课程的教学效果.在教育研究者以及一线优秀教师的共同努力下，3D打印一定会给教学创造新的局面，也期待3D技术在中国更多的学校得到普及！