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根据工程实践的STEAM项目规划与施行

2020-1-22 编辑:采编部 来源:互联网 阅读次数:
  导读: 原标题:基于工程实践的STEAM项目设计与实施 基于工程实践的STEAM项目设计与实施 ——以“3D打印——桥的设计与制作”为例 夏小刚 郑刚 目前,国内外的科学教育都开始融入STEM教育理念,加强......

原标题:基于工程实践的STEAM项目设计与实施

基于工程实践的STEAM项目设计与实施

——以“3D打印——桥的设计与制作”为例

夏小刚 郑刚

目前,国内外的科学教育都开始融入STEM教育理念,加强了技术与工程教育。STEM是科学(science)、技术(technology)、工程(engineering)、数学(mathematics)四门学科英文首字母的缩写。STEM教育强调应用多种学科的知识来共同处理问题。STEAM教育在原有STEM基础上加入了艺术(art)元素,有助于学生从更多视角认识不同学科间的联系,提高自身综合运用知识解决现实问题的能力。如何明智的选择合适的STEAM项目并设计项目实施方案,是一线教师非常关注的问题。笔者在3D打印课程教学中尝试开展STEAM教育,设计并实施了“桥的设计与制作”STEAM项目。下面,笔者对这个项目做具体的介绍、分析并加以总结。

一、项目设计

我校的3D打印课程针对七、八年级学生开设。课程教学分为两个阶段:第一阶段,让学生掌握3D打印原理、3D设计基础;第二阶段为工程应用阶段。教师通过创设一个个有趣的工程应用情境,让学生利用3D 打印技术解决现实生活中的问题(增强他们对数学和科学等相关概念的理解和认识),并掌握工程设计的流程和方法,应用3D打印技术解决实际问题,以此发展学生综合应用各个学科知识解决问题的能力,提高学生动手能力,增强合作意识。

我们做“桥的设计与制作”这个项目时参考了Intel未来课堂的案例,并简化了实施流程,更加注重工程设计流程。在了解学生的学习基础之后,经过与物理教师充分讨论,笔者最终选定了这个项目。项目包含以下8项流程。

1.发布任务。由于城市发展需要,成都市建设局计划在锦江天府段新建一座桥,请根据以下条件设计一个1∶100的桥梁模型:①新桥为双向4车道,每车道能通行宽度为2 m的汽车,双向都设有宽度为1.5 m的非机动车道和1 m的人行道;②根据成都市水文局提供的资料可知,河段宽度为50 m,河道深度为5 m(不考虑淤泥等因素),汛期河段最高水位为-1 m;③为了充分发挥锦江的旅游特色,桥下要能通行高4 m、宽4 m的游船。

2.学生调查和分析。学生了解桥的定义,分小组查阅有关桥的材料,并尝试对桥进行分类。

3.学习桥的分类及其结构和受力。在教师讲解后,学生运用物理知识对各种类型的桥做简单的受力分析,明确桥的设计核心——把水平方向的力转换为竖直方向的力。

4.绘制桥梁草图。学生根据所学知识,针对实际任务,选择正真适合的桥梁类型,完成桥梁的初步设计。

5.计算并修改。依据草图计算相关结构的尺寸并标注,反复讨论并修改桥梁设计。

6.“吸管+结构件”建模。教师指导学生将所设计的草图抽象成“吸管+结构件”模型,设计结构件并确定数量,确定吸管长度和数量。

7.3D建模、打印并制作。学生利用建模软件建立相关结构件模型并打印,利用结构件和吸管(绳索等)组装桥梁。

8.项目展示、评价、总结。各项目小组汇报并展示本小组作品,通过小组自评、互评和教师评价等方式综合评价各项目小组。

二、“吸管+结构件”建模教学设计

笔者着重介绍项目第6项流程“吸管+结构件” 建模的教学设计情况。

(一)教学背景与学习准备

在前期课程中,我们学习了桥的定义,了解了常见类型桥的结构及功能特点,并且以小组为单位根据任务要求设计了相应的桥梁,绘制了草图。本节课,我们将设计好的桥梁抽象成“结构件+吸管”的模型,同时,设计相应结构件并做3D打印。教学目标:在“科学”方面,进一步了解所选桥梁类型的结构、功能特征;在“技术”方面,进一步了解复制、旋转、移动、抽壳等基本操作,掌握3D打印的流程和操作方法;在“工程”方面,熟悉工程设计的流程,能根据桥梁草图设计“结构件+吸管”模型;在“艺术”方面,设计美观大方且符合成都文化气质的桥;在数学方面,知道如何利用数学知识解决实际问题,了解比例、角度、视图等知识。资源准备:3D打印机(7台),热熔胶枪等工具,吸管、PLA等材料,“三孔结构件设计”微视频,学习卡等。

(二)教学设计过程

1.项目回顾。教师通过项目回顾引导学生深化认识,明确限制条件,促进学生对本组设计的具体方案的反思和优化。课堂上,教师引导学生回顾本项目(设计桥梁)的具体任务,并请A、B两个小组结合上节课设计好的桥梁草图来分享“为什么选择该桥梁类型?为什么设计这样的尺寸?”A小组选择的是桁架桥,给出的理由一是更加稳固,二是承载量大;同时兼顾船的双向行驶,设计了桥面绿化带。B小组采用了“桁架桥+拱桥”的设计,理由是承重力分布均匀,桥梁形式更加美观;同时,B小组在设计机动车道时多加了1 m,让道路更加宽阔。

教师肯定了A小组的环保意识,也表扬了B小组结合两种以上桥梁的优点来设计的做法,提醒学生在实际设计桥梁的过程中,不仅要考虑项目给出的条件,还要考虑桥梁材料以及自然环境等因素。

2.阐述本节课任务。本节课的教学任务是,通过引导学生将实际问题抽象成数学或工程模型,让学生明确阶段性任务,促进项目的延续性实施。教师提出疑问:项目任务是设计一个1∶100的桥梁模型,模型的大概尺寸是多少?学生应用数学中关于比例的知识很快计算出桥梁模型长度为50 cm。但是,接下来有学生提出学校现有桌面3D打印机不能打印这样大的模型。发现问题之后,很多学生想到了拼接法。笔者肯定了他们的想法,提示可以应用其他材料来共同构建,并展示了用“吸管+结构件”搭建的立方体,启发学生思考。教师顺势提问:立方体应用了多少根吸管,应用了多少个结构件?学生讨论后给出正确答案:8根吸管、8个结构件。

至此,教师提出任务:为了节约打印材料,提高效率,请各小组将桥梁模型抽象成为“吸管+结构件”的形式,并绘制相应的结构分解图,计算所需结构件和吸管数量。

3.绘制桥梁结构分解图。绘制桥梁结构分解图,化整为零可简化项目任务,同时这样的训练也能促进学生抽象思维能力的发展和数学知识的实际应用。在学生根据学习卡绘制分解图的过程中,教师给予指导,比如提示学生暂时不用考虑桥面。

B小组遇到了问题:拱桥如何抽象?教师建议可以抽象成多个倾斜的四孔结构件。教师发现绝大多数学生只考虑了从主视图去抽象,并未考虑俯视图,于是提示他们:结构件的设计很复杂,要充分考虑每一个连接点,对于任何一种形状、任何一种角度的结构件都不能疏漏。笔者建议学生先绘制分解图,考虑每一种结构件的形状并计算数量,同时算好每一种吸管(长22 cm,可任意剪切)的长度和数量。学生用直尺来测量相应部位吸管长度,用量角器测量角度(有些结构的角度则需要计算)。经过不断地修改,部分小组顺利完成了本阶段任务,并绘制出了结构件的草图。

4.3D设计与打印结构件。3D设计与打印结构件是本节课的关键阶段,学生在任务驱动下,通过学习并应用技术完成制作相应结构的作业,这样能更好地促进学生学习并掌握3D设计与打印技术。各小组根据设计好的“吸管+结构件”桥梁模型,选取一个结构件进行3D建模。由于各小组的工作进度不一致,教师依托Moodle互动学习平台制作了“设计三孔结构件”微视频。学生能够准确的通过教师的讲解去设计符合本组要求的各种结构件。各小组完成设计后开始打印。

5.测试并修改。测试并修改是工程实践中的重要环节。学生逐一测试本小组打印好的结构件,验证是否满足需求,并做相应调整。在这样的一个过程中,教师针对出现的问题不断追问,这样能很好地促进学生思维的发展。A小组进度比较快,在上节课的基础上完成了四孔结构件的设计,并且设计了圆形的接口,很快打印了出来,但是在测试中出现了吸管无法插入的问题。教师抓住这个课堂上生成的问题,引导该小组思考为什么吸管不能插入,并让他们观察教师设计的接口形状。学生发现教师设计的接口是正方形,很困惑。教师追问:“你们设计结构件时圆形的接口外径是多少?”学生自信地回答:“我们用直尺测量了吸管的直径。”教师:“非常好,我设计的正方形接口边长正好也是吸管直径,怎么就可以插进去呢?”另一个小组的某学生回答:“因为吸管可以变形!”教师:“非常好,因为我们选用圆形接口忽略了结构件本身的厚度。在实际设计中,我们不仅要考虑项目限制条件,还要考虑现实条件,及时发现并处理问题。请各个小组针对测试中出现的问题认真改进,下节课,我们继续设计和打印,然后组装我们设计好的桥梁。”

三、反思与总结

我们起初预设的任务是要求学生利用3D打印的方式来建造整座桥梁模型,但在操作中发现花费的时间太长,并且会耗费很多材料。因此,我们将桥梁模型抽象成“吸管+结构件”的形式,既节省了打印材料,又缩短了打印时间,还实现了结构件和吸管的重复使用。通过基于工程实践的STEAM项目实施与经验总结,笔者认为,依托3D打印开展工程实践需要注意以下七点。

1.强调问题源于生活。自开展3D打印教学以来,笔者开发了“苹果数据线保护套”“搬运机器人策略物”“汽车尾气净化装置”“桥”等贴近学生生活的实践项目。如“桥”这个项目,建造桥梁的任务就来源于生活,这样,非常容易激发学生学习兴趣。

2.强调项目任务的分解。我们可将综合项目分解成多个具体可操作的任务。对于初中学段,只有课目标明确,教师把控项目进度才非常容易。

3.强调工程实践。工程实践过程中教师要引导学生像工程师一样参考资料、查阅数据,还要指导学生按照“工程设计流程”付诸实施。在实施过程中,要求学生深入思考并科学建模,这有利于增加设计复杂度,降低打印难度。

4.强调3D打印的工具性。3D打印具有物化学生创意设计的功能,但在STEAM项目中,物化本身并不是核心。我们应该突出3D打印的工具性,以解决项目实施中的关键问题。本项目中,3D打印主要用来物化结构件。教学重点在于教会学生应用技术来解决实际问题。

5.强调材料、结构件的可重复使用。3D打印材料为不可回收材料,桥梁模型被抽象为“吸管+结构件”之后,结构件和吸管都可以重复使用,降低了项目成本,为课程的可持续发展提供了保障。

6.强调多学科知识的应用。通过实践,学生能综合应用各学科知识解决问题,这样的项目才能算得上是一个好的STEAM项目。教师在设计之初就应重视培养学生应用数学、物理知识及信息技术解决问题的能力,从而使学生对学科知识有更深层次的认识。

7.强调信息技术的应用。教师可提前制作涵盖相关知识点的微视频并通过学校Moodle平台发布。学生也可利用Pad查阅相关资料,了解桥梁设计相关知识。在教学实践环节,我们通过小组协作完成草图设计,让各组用Pad展示设计的具体方案,记录项目研究过程,这样大幅度的提升了效率。

本项目的设计得到了教师的认可:在学生了解了桥的定义、桥的类型和功能特点之后,教师指导学生利用3D打印和吸管等材料进行桥梁设计,极大地激发了学生学习热情。课堂上,学生综合应用数学、物理、工程等知识设计桥梁模型、分解桥梁结构、计算构件数量,设计多孔结构件,最后用3D技术打印结构件,应用结构件和吸管组装桥梁模型完成本节课的学习。本项目的教学很好地践行了STEAM教育理念。

注:本文系全国教育科学“十二五”教育部规划课题“基于核心素养的学生学习能力培养研究”(课题批准号:FHB150537)的阶段性研究成果。

(作者系四川省成都市第七中学初中学校教师)

责任编辑:祝元志

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