STEAM教育理念下3D打印笔绘图教学设计——以设计晴川桥模型为例

武汉外国语学校(430056) 黄 果

在新时代创新浪潮的冲击下，如何开展创新教育，培养创新人才成了学校教育新的命题。在教育部颁布的《教育信息化“十三五”规划》中，明确提出“要积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习(STEAM教育)、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力”。STEAM教育作为一种培养未来综合性人才新的教育模式，能够增强学生的创新意识和创新能力。近几年来，STEAM教育的新模式已经逐步进入学校，但如何有效开展还是值得积极研究和探讨的新领域。

武汉外国语学校初中部为了顺应时代的发展，积极探索STEAM教育理念在社团活动中的应用。本文将具体讲解基于STEAM教育理念的3D打印笔绘图设计晴川桥模型的教学设计。

1 什么是STEAM教育

STEAM代表科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Arts)、数学(Mathematics)。STEAM教育就是科学、技术、工程、艺术、数学多领域融合的综合教育。有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式，STEAM是一种重实践的超学科教育概念。STEAM教育理念认为任何事情的成功都不仅仅依靠某一种能力的实现，单一技能的运用已经无法支撑未来人才的发展，而是需要多种能力的综合。STEAM的初衷即为了培养学生的学习能力，让学生从小具备科学思维，学会观察，学会提问，学会整理信息，提出假设，学会验证等，这些都是特别重要的学习能力。STEAM教育中五门学科的教学必须紧密相连，以整合的教学方式使学生掌握知识和技能，并能进行灵活迁移应用解决真实世界的问题。

2 STEAM教育理念下3D打印笔绘图设计晴川桥教学设计

根据以上的分析，为了提升学生对武汉这座城市的热爱，结合社团活动的开展实际，选择晴川桥模型为主题，具体阐述基于STEAM教育理念的3D打印笔绘图教学设计。

2.1 教学目标确定

2.1.1 知识与技能目标

(1)熟练运用搜索引擎了解晴川桥，并用PPT呈现出晴川桥不同方位的图片和有关数据。

(2)学会参照晴川桥不同方位的图片，对晴川桥模型进行结构化拆分，细化成桥拱、拱间连接、钢索、桥面、桥墩，设计制作方案、应用抛物线方程设计桥拱和拱间连接纸膜。

(3)灵活使用3D打印笔照着纸膜绘制晴川桥模型的结构部件并进行粘合。

(4)使用斜口钳进行晴川桥模型的修模处理。

2.1.2 过程与方法目标

(1)通过搜索引擎的使用，提升学生信息意识及信息检索、获取、处理的能力。

(2)通过设计晴川桥模型的桥拱、拱间连接、钢索、桥面、桥墩的结构化拆分方案，应用抛物线方程设计桥拱、拱顶、拱底和拱间连接纸膜，提升学生问题解决的能力。

(3)通过用3D打印笔绘制晴川桥模型，培养学生创新精神及创新思维。

2.1.3 情感价值目标

在用3D打印笔绘图设计制作过程中，通过学生自主设计晴川桥模型结构化拆分方案，丰富设计体验，感受晴川桥的立体之美，提升对武汉这座城市的热爱之情。

2.2 教学内容分析

3D打印笔通常以PLA、PCL塑料或光敏树脂为原材，挤出热熔塑料或光敏树脂，然后在空气中迅速冷却，最后固化成型。它可以在任何表面“书写”，甚至直接在空气中作画。3D打印笔不仅易于学生使用，又能寓教于乐，让学生获得创作的乐趣。学生可以利用3D打印笔设计、创造和表达他们自己。

本节课基于STEAM教育理念来进行跨学科整合的尝试，将数学知识与3D打印笔绘图设计进行整合，实现晴川桥的物化效果，在锻炼学生小组合作能力、创新精神、问题解决能力的同时，也培养学生热爱武汉这座城市、热爱生活的情趣。

2.3 学习者分析

我校3D打印社团成员都是对3D打印有着浓厚兴趣的七年级和八年级学生，他们还没有学习抛物线方程的知识，其中，七年级学生还没有学习坐标的概念。因为疫情的原因，社团活动2021年10月份才开始开展，七年级学生才开始接触3D打印笔。

2.4 教学重点与难点

(1)教学重点：应用抛物线方程设计桥拱、拱顶、拱底和拱间连接纸膜。

(2)教学难点：抛物线方程的应用。

2.5 教学过程

2.5.1 引入——情境设置

课程导入：武汉有着三镇隔江鼎立的格局，有着“百湖之城”的美誉，桥成为了武汉人赖以生存、交流、沟通的必需。一桥飞架南北，天堑变通途。古人有云：“两水夹明镜，双桥落彩虹。”在武汉市，就有着这么一座“彩虹桥”。大家可能都想到了，此桥名为晴川桥，位于汉江与长江的交汇处，名字取自唐朝诗人崔颢的“晴川历历汉阳树”。今天，我们将用3D打印笔制作晴川桥模型。

2.5.2 探究——小组探究确定方案

学习任务单(一)：使用搜索引擎了解晴川桥

(1)学生根据学习任务单(一)，使用搜索引擎查找有关晴川桥的图片资料和数据资料，完成晴川桥长度、拱肋跨度、拱高的数据填写，制作呈现晴川桥不同方位图片的PPT；

(2)课前学生自由分组，组员为4名学生，教师引导学生利用网络查找的相关资料绘制晴川桥模型的结构图，并进行模块化分解，小组探究3D打印笔制作晴川桥方案；

(3)不同小组交流方案设计，师生共同讨论制定3D打印笔制作晴川桥模型的方案，学生提出桥拱的设计需用到抛物线知识。

2.5.3 解释——抛物线方程应用

(1)组织学生观看微课“坐标的概念”“二次函数基础知识”，教师巡查，对学生进行有针对性地讲解；

(2)要求学生完成学习任务单(二)：晴川桥函数题，教师指导帮助学生。

学习任务单(二)：晴川桥函数题

晴川桥是一座下承式钢管混凝土系杆拱桥。它犹如一道美丽的彩虹跨越汉江，是江城武汉的一道靓丽景观。桥的拱肋ACB视为抛物线的一部分，桥面(视为水平的)与拱肋用垂直于桥面的系杆连接，拱肋的跨度AB为280 m。以AB所在直线为x轴，抛物线的对称轴为y轴建立如图1所示的平面直角坐标系。

图1 晴川桥函数题模型

已知抛物线的解析式为y=ax2+c，A点坐标为(-140,0)，B点坐标为(140,0)，C点坐标为(0,56)，求a,c的值。

2.5.4 迁移——3D打印笔制作晴川桥

(1)学生根据学习任务单(二)求解的抛物线方程解析式，完成学习任务单(三)：x,y数值的计算(见表1)，教师指导帮助学生。

表1 x,y数值表

(2)教师发放x,y值数值表(见表2)，学生对照此表检查自己计算出来的数值是否正确，学生根据x,y值数值表在坐标纸上等比缩小1 000倍画出桥拱的纸膜图(见图2)。

图2 晴川桥的纸膜图

表2 x,y值数值表

(3)小组成员根据自身风格研讨分工：桥拱制作、拱顶制作、拱底制作、拱间连接制作、桥面设计描点、模块部件粘合、桥墩粘合，拍照、交流成果PPT制作。

各小组学生利用自己设计的纸膜，用3D打印笔绘制桥拱部件，小组分工完成晴川桥的各个模块并进行粘合成立体物件(见图3)。小组之间分享绘制桥的部件、粘合的方法，听取同伴及教师的建议，修改作品。

图3 作品实拍

2.5.5 评价——交流分享评价

各个小组用PPT展示3D打印笔制作晴川桥模型的心得体会，师生评选出最佳制作奖、最佳设计奖、最佳建议奖、最佳团队奖、最佳参与奖，让每个小组都得到肯定和鼓励。

教师可通过观察、参与小组合作等方式了解学生完成作品过程中的表现，提供评价量表，进行自我评价和小组互评。自评表主要体现过程性评价，互评表偏重结果性评价。晴川桥模型制作过程评价表、晴川桥模型评价表分别见表3和表4。

表3 晴川桥模型制作过程评价表

表4 晴川桥模型评价表

用3D打印笔绘制桥拱的过程中，因桥拱跨度达到28 cm，需要学生对3D打印笔的使用有较强的掌控能力，对线条的连贯性、均匀度、填充完整和平滑度要求较高。我校3D打印社团活动是七八年级学生一起进行，在活动开展的过程中，因疫情原因，七年级学生仅仅会用3D打印笔，八年级学生因使用3D打印笔做过一些作品，较为熟练，因此整体比七年级学生绘制效果要好。今后，可以将七年级学生先培训几次3D打印笔绘图设计，让他们掌握3D打印笔的使用后再开展此类活动。