基于STEAM的教学设计实践
——以太空行星3D打印课程为例
2021-03-27
（龙岩市招生考试中心，福建 龙岩 364000）
一、基于STEAM理念的高中通用技术学科教学改革背景
STEAM（Science，Technology，Engineering，Art，Mathematics）即科学、技术、工程、艺术和数学英文名词的首字母结合，旨在培养未来人工智能时代具备解决实际问题能力的跨学科、协作性和艺术性人才。在我国，中学教育新课程改革正逐步推进。但客观来说，在目前高考指挥棒压力下，距离高中通用技术学科要求的物化能力、工程思维和创新设计还有很大差距。3D打印具有定制成本低、自由度高等特点，可充分发挥学生的工程实践能力、空间设计和美学培养等。本文介绍了基于STEAM理念的3D打印太空行星教学设计实践，探索STEAM教育理念在高中通用技术学科的发展与落地。
二、太空行星3D打印课程教学设计
1.教学前置信息
使用的主要硬件设备有计算机和3D打印机，工作软件为SolidWorks和UP Studio，分别用于制作太空行星3D模型渲染和控制3D打印机硬件。要求教师具备熟练使用设备及软件的能力，学生具备一定的自主学习能力。本文选取的章节片段教学基本目标是实现学生小组团队自由设计具有一定美术欣赏价值的星球模型。
2.教学设计过程
第一，导入相关3D打印制作微视频，吸引学生的注意力和兴趣力，使用的主要设备包括投影仪。第二，教师讲授SolidWorks软件的使用方法，由教师手把手通过大屏幕进行演示。目的在于让学生直观上尽快学会该软件的基本使用方法，并能够独立设计三维图形。对学生的小考核包括练习画一个半径为3CM的球体。第三，教师讲授3D打印机的使用步骤。包括3D打印机对应的UP Studio软件操作方法。教师手把手演示，目的在于把三维图打印成实体模型。对学生的小考核包括把上个阶段设计的3CM球体，打印出实体。第四，以小组为单位，对学生进行分组，要求合作完成他们设想的太空行星。要求独立查询相关天体知识，可以附加艺术设计效果。教师在这个单元中，负责协助完成学生组队过程中无法解决的疑难点。第五，成品展示和交流。各学生组队上台进行实体展示，并由学生本人进行产品优点游说，台下学生观众对其进行批评交流，充分锻炼学生的演说能力和批判性思维。第六，总结和拓展。由教师对各学生团队进行点评，鼓励学生，并提出后续发展方向，如制作莫比乌斯环（Mobius Band）等较高艺术难度和数学难度的空间结构。
3.相关重点步骤演示
本段详细介绍二个具体的教学细节，选择SolidWorks中的画球体操作（三维设计，软件部分）和UP Studio的3D打印机操作（硬件部分）。首先，打开SolidWorks软件，选择“零件”菜单，然后在二级菜单中选择“草图绘制”。选中草图中的画圆工具，按照教师要求画一个完整的圆（输入要求的半径，也可使用“智能尺寸”选项）。而后使用直线工具，过该圆圆心任意画一条直线，而后在工具栏中选中“剪裁实体”选项。在裁剪出一个半圆后，保存该草图。然后打开特征栏选项，选择“选择基体”按钮，则生成了一个完整的符合半径要求的3D球体，最后，把该3D图保存为STL格式。
而后打开UP Studio软件。选中“UP”按钮，然后添加本地文件，选择之前保存的星球模型STL格式文件。把图像中球体模型放入虚拟的打印框正中央区域，然后要求学生们检查打印机（重点步骤，学生们经常忘记），检查打印机的底盘是否牢固就位、干净无异物等。而后连接3D打印机，打开打印机并进行软件初始化操作。打印完成后，要求学生把打印实体（行星模型）跟打印机底盘同时取下，取走打印实体后，即可对打印机底盘进行清洗，并立即复位（学生难以规范操作，需反复提醒）。
另外，由于3D打印操作性较强，教师需要对3D打印机的使用作详细介绍。如打印机的结构组成部分，可以细分为电器部分、机械部分和软件部分。学生应直观了解嵌入式硬件驱动下的材料形成过程，涉及部件包括微型计算机、运动控制器、室温控制器（测温元件、加热元件）和材料温控器等。在打印机平台水平校准环节中，教师可以以学生小组为单位进行演示。水平校准时，要提前清理好打印头和打印板。在物料消耗完毕或需要更换其他物料操作时，应反复提示学生需等待系统加温提示音的结束后，方可加入物料至进料口，同时注意手部不要触屏打印口，避免二次污染。
三、STEAM教育理念下太空行星3D打印课程的教学设计理念
1.全面素质发展，面向解决实际问题能力培养
从章节二太空行星3D打印课程教学设计中可以看到，STEAM理念贯彻落实在全程每个步骤。学生们需要对星球知识有更多的理解，学会搜索引擎的使用方法。SolidWorks中的编程技术可以锻炼学生的工程实践能力和数学能力培养。我们特地引入了艺术附加分的单元，目的在于引导学生充分发挥空间设计感和美学设计能力，也是对STEAM中艺术的落地实践。
2.学生为主，教师为辅
在该单元教授的过程中，学生们需要大量使用搜索引擎和专业社区网站对相关知识进行搜索。我们允许学生使用网络资料，但是必须注明出处。另外，学生会对现代编程技术有个启蒙认识，教师在后续单元总结中，会对当下热门的软件工程、人工智能等学科，进行概括式介绍。充分实现以学生为主、教师为辅，面向解决问题为目的的驱动式教学。
3.项目式教学
我们在教学设计中后续特地进行分组，并提高制作难度，除了锻炼学生的科技使用能力之外，另外一个重要目标在于锻炼培养学生的团队合作能力（Teamwork）。通过演说，我们引导展示方对自己作品进行最大程度的优点游说，以及观众（反方）对作品进行批评，培养学生的批判性思维和演讲能力。
