3D打印技術在STEAM教育中的應用與實踐探究

2019-08-09 05:51:32 基礎教育參考2019年12期

王蕾

[摘   要]隨著3D打印技術的不斷成熟,世界各國積極將3D打印技術引入教育領域,爲教育事業帶來了新的發展契機。北京市第一中學立足3D打印課程,以初中綜合實踐課爲切入點,積極組織學生參加STEAM競賽活動,通過多種方式將3D打印技術應用于STEAM教育中,著力提升學生的信息素養、創新意識和創新能力,促進學生的全面發展。

[關鍵詞]3D打印技術;STEAM教育;信息素養

教育部發布的《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》提出,鼓勵中小學探索STEAM教育、創客教育等新教育模式,使學生具有較強的信息意識與創新意識,養成數字化學習習慣。《普通高中課程方案和語文等學科課程標准(2017年版)》中,3D打印被納入《17-1834普通高中通用技術課程標准》和《17-1847普通高中信息技術課程標准》兩大文件。爲此,北京市第一中學立足3D打印課程,以初中綜合實踐課爲切入點,通過多種方式將3D打印技術應用于STEAM教育,提升學生的信息素養、創新意識和創新能力,促進學生全面發展。

一、把想象變成現實,培養創新思維能力

自2014年起,學校開設了3D打印校本課程,教學內容融合了三維軟件建模、3D打印創作、VR虛擬現實等,旨在培養學生的合作、創新和實踐動手能力。學生將自己的想法通過應用軟件設計出來,在指導教師的幫助下進行打印、加工,最終呈現出一件件充滿創意的作品。

在“東城區3D打印設計作品展”中,學生們的作品是用3D打印制作出的學校沙盤模型。爲了節省空間並便于管理,學生們進行了大膽設想,將教室設計成可以翻轉折疊的模塊,使用時打開,用畢則收起。更有趣的是,學生們還設計了一個運用了磁懸浮原理的教學樓體模型,當地震等突發事件發生時,教室可以像工具箱一樣平鋪展開,使樓體不至于立刻坍塌,爲學生快速撤離現場爭取時間,以避免踩踏事故,減少人員傷亡和財産損失。

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

二、結合綜合實踐課程,提高知識運用能力

綜合實踐活動課程是從學生的真實生活和發展需要出發,從生活情境中發現問題,並轉化爲活動主題,通過探究、服務、制作、體驗等方式,培養學生綜合素質的跨學科的實踐性課程。STEAM教育與綜合實踐活動課程存在許多共性,都注重跨學科學習,注重知識的綜合運用,注重強調以學生爲主體的學習方式[2]。爲此,學校以綜合實踐活動課爲切入點,全面開展STEAM教育。

1.探秘青銅器

“探秘青銅器”是學校初中綜合實踐課中的一個課題,約8課時,曆時兩個月。爲了更好地實現課程目標,在設計教學時結合了STEAM教育的理念,要求學生動手設計並制作出屬于自己的“青銅特色”的生活用品。在這個階段,學生遇到了很大的困難。中國古代青銅器的鑄造有塊範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,學生實施起來都有很大的難度。這時,大家想到了應用3D打印技術設計並打印出青銅器模型。

學生經過小組討論確定了器型及器物功能,並進行了設計圖的繪制,對器型長、寬、高數據的設定爲3D建模做好了准備。前期的三維建模相對簡單,在塑形的過程中,學生很容易實現空間的想象,直觀地體驗直角坐標系中物體的建立過程,會對三維數據和結構有更深刻的認識。學生對“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後就將這一過程內化了。這種內化正是個體空間感形成的一種方式,有利于後續平面及立體幾何的學習。學生在觀察中發現,3D打印的過程實際上是一種立體繪制,是將熔解後的材料依據預先建立的坐標數據重塑的過程,涉及多種化學和物理交織的成型方法,最常見的是“熔積成型”和“激光燒結”,當然還有更多的堆疊技術,這些對材料的選擇及熱熔方法的探討會讓學生對物質的物理、化學性質産生更多的興趣[3]。

2.傳統文化之簪钗、宮燈、射藝

學校初二年級的綜合實踐課程以傳承傳統文化爲大主題,由學生自主選擇題目進行研究性學習。學生分組自定了三個主題:簪钗文化、宮燈文化及射藝文化。簪钗文化研究小組探索新時代女子審美及成人禮文化,考察並傳承傳統發簪的設計與制作,開發符合新時代氣質的新式發簪。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燈飾文化,研發集聚宮燈氣質的新式生活産品。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,繼承和發揚傳統射藝文化中“君子修德”的文化精髓。

這三個研究小組在研究的後期都不約而同地想到了利用3D打印技術進行創作。簪钗文化研究小組利用3D打印技術創作出了蘊含現代元素的古典發簪,這些精美獨特的發簪受到了同學們的喜愛,還吸引了教師和家長們。宮燈文化研究小組利用3D打印技術創作出了多款個性化宮燈,有按季節變換圖案的四季宮燈,有一直旋轉圖案的走馬燈……這些宮燈全部是由3D打印機制作的結構零部件組裝拼接而成的,無需模具和後期加工處理,可直接使用,將以往複雜、多線程的宮燈制作流程大大簡化了,並且作品也很精美。射藝文化研究小組利用3D打印技術制作了適合引入學校的安全弓箭,爲了達到安全目標,學生們進行了三次改良。

綜合實踐活動課注重學生的探究過程,使學生在體驗動手制作“産品”的過程中,提升創造力和綜合運用跨學科知識解決問題的能力。而應用3D打印技術可以實現虛擬世界與實體世界的有機結合,使學生的創新能力和動手實踐能力得到訓練,將學生的創意、想象變爲現實[4],也使綜合實踐活動課程得到進一步優化。

三、鼓勵參與競賽活動,發展科學素養與團隊協作能力

STEAM教育鼓勵學生動手完成自己感興趣的並且和自己生活相關的項目,在過程中學習多學科知識,並使跨學科的綜合能力得到提升。除了課堂教學以外,學校還積極組織學生參加各級各類STEAM競賽。與學科類競賽的標准化考核相比,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用。學生在競賽活動中既熟練掌握了3D打印技術,又提升了科學素養。

學生參與積極性最高的是“北京市中小學生科技創客活動”,2018年參賽的團隊取名爲“我們開車不挂檔”,由高一年級的6名學生組成。在參賽過程中,六名成員協調合作、並肩作戰,發揮了無限的潛能與創造力。當團隊獨自設計的賽車構件及車殼利用3D打印技術得以呈現時,當經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並更加自信。擔任團隊工程師的學生說道:“作爲團隊工程師,我在此次比賽中收獲頗豐。現在我可以熟練地操作3D打印機,雖然在學習的過程中多次失敗,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習各種新技術,完善漏洞,爲團隊再創輝煌。”

學生們通過參與STEAM競賽,不但提升了動手實踐、解決實際問題的能力,也培養了團隊協作能力。比賽結束後,作爲團隊經理的學生感慨道:“從初冬時節的整裝待發到十二月份載譽而歸,在這一個月的時間裏,我們收獲了友情,見證了奇迹。我至今依舊清晰地記得在那間小小的科技教室裏,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競賽活動豐富了學生的學習生活,拓寬了學生的視野。尤其是對一些在以往學科學習中很少獲獎的學生來說,在STEAM活動中體驗到的愉悅,用3D打印出成果後的興奮和滿足,以及班級、學校、家庭和社會對他們創作成果的肯定與贊賞,極大地鼓舞了他們,激發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生像科學家一樣思考,像工程師一樣設計和實踐,發展了獨立思考和自主實踐的能力,全面提升了科學素養和團隊協作能力。

四、總結與反思

應用3D設計及3D打印技術,極大地拓寬了STEAM教育的思路。首先,學生在設計作品的時候,不再受標准化零件的限制,而是通過3D創意設計軟件定制更加個性化的零件。其次,在3D設計過程中,只有充分運用多學科知識才能實現精准打印,正貼合了STEAM教育培養學生跨學科思維和實踐能力的宗旨。同時,3D打印技術涉及的數理化知識不僅會使學生體會獲取的興趣、直接的觸感,更會爲學生增加學習的動力[6]。

通過幾年的應用與實踐探究,學生們認識到STEAM活動中所要求的創造、設計、建構、發現、合作都可以通過3D打印技術來呈現。3D打印技術可以把學生天馬行空的創意打印出來,讓學生的創新思維和創造力得到釋放,真正做到讓創意、設計、制作、展示融入教學,極大地激發了學生創意實踐的積極性。以3D打印爲載體進行STEAM教育,將科學、數學、技術、工程和藝術各個領域的知識很好地結合起來,對培養學生創新意識,提高學生解決實際問題的能力發揮著重要作用。

參考文獻

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

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

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

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

[5]宋德智.STEAM教育對學生科學素養提升的調查報告[EB/OL].http://ghb.xzedu.net.cn/27602/archives/407267.aspx

(責任編輯  郭向和)