STEM教育理念下的「三維創意設計」課程教學案例

【教師簡介】李雯,人民大學附屬中學朝陽學校科技中心副主任,中學一級教師。曾榮獲北京市基礎教育優秀課堂教學設計評選一等獎,北京市中國小第一屆「京教杯」青年教師教學基本功展示活動一等獎等榮譽。指導學生參加全國創新思維競賽和創意工程挑戰賽,多次獲得全國一等獎。

STEM教育是美國應對21世紀國際人才競爭的一項國家教育戰略,近年來已成為國際教育界的熱點研究問題。STEM教育並不是科學、技術、工程和數學教育的簡單疊加,而是強調多學科的交叉融合,以更好地培養學生的創新精神與實踐能力。本文基於「三維創意設計」校本課程中一個項目課例,總結將STEM教育理念融入課堂的教學實踐。

一、課例設計依據

在基礎教育領域,以培養創新人才為目標,採用多種手段、多種途徑、綜合多學科知識與技能的創新課程成為培養學生創新精神和實踐能力的主要手段。3D列印和三維創意設計的相關課程已成為此類創新課程的典型代表。基於STEM的教育理念,「三維創意設計」課程將多學科的基礎知識整合在若干教學項目中,在課堂中進行系統的情境教學。在對三維設計和3D列印等先進技術手段的應用過程中,有助於學生學會設計、學會思考,形成良好的思維習慣和行為習慣。

二、課例特色

課程中師生首先共同梳理一個充滿人文關懷的視頻案例,了解工程設計的主要環節。在此基礎上,教師創設問題情境,以「修復玩具蜘蛛」為任務進行分析討論,貼近生活實際,將數學、技術和工程有機的交叉融合,使學生在實踐體驗中學習應用多學科知識應對現實問題。充分利用三維設計軟體、3D列印技術,將設計構思轉化為模型,並進一步製作為實物,提升學生在圖樣表達和物化能力方面的技術核心素養。

三、課例內容呈現

1、教學目標

知識與技能:了解工程設計過程及其各個環節,知道設計是動態而有章可循的。理解設計過程需要不斷優化。

過程與方法:經歷設計的一般過程,初步學會有計劃、有步驟、科學地開展設計活動的方法。在思考、討論和合作實踐中,培養技術實踐、表達、交流、評價的能力和協作意識。

情感態度與價值觀:初步形成和保持對技術問題的敏感性和探究慾望,感受技術問題解決過程的艱辛與曲折。

2、教學過程

圖1教學流程示意

(一)引入環節

教師首先介紹3D列印的應用和研究前沿,並提出「也許你認為這些高大上的技術還只是科學家和工程師的事。3D列印技術給我們每個人的生活帶來了什麼呢?」提出問題,引發學生思考。

(二)創設情境環節

教師播放一段視頻「父親為先天殘疾的兒子製作3D列印的義肢」,引導學生進行案例分析,梳理這位父親設計製作的全過程,並將主要環節書寫在黑板上。

設計意圖:視頻中深厚的父愛能夠打動學生,激發學生興趣。在教學設計上擺脫了傳統的「教師講、學生聽」的模式,採用引導-分析-探究的形式,師生共同梳理視頻內容,自然得出工程設計過程的主要環節,易於學生接受和理解,符合STEM教育的情境性特徵。

(三)發現與明確問題環節

教師分享一次自己遵循工程設計過程修理玩具錶針的經歷,並提出「你是不是也想利用你的智慧和能力來幫助身邊有需要的人呢?」。教師引導學生觀察桌上玩具「蜘蛛」的爬行狀況,發現它也飽受身體殘缺的痛苦,從而引入本節課的任務內容——學習製作義肢的方法修理玩具爬蟲。

圖2發現與明確問題——修復「蜘蛛」

設計意圖:本課在創設情境時選擇了一個與生活息息相關的實際問題,在充分考慮知識點的同時,還力求體現跨學科知識的交叉融合,在解決問題的過程中引導學生綜合運用多學科的知識,與STEM教育的跨學科性相一致。

(四)方案的制定環節

在發現問題后,學生拆下其他完整的腿部零件,將片狀的零件輪廓描在紙上,再對輪廓進行分析。為了便於尺寸的測量計算,教師首先指導學生建立坐標系,共同測量一些簡單尺寸,並明確其中最難確定的是外輪廓圓弧半徑。經過小組討論,學生共得出了三種測量和計算半徑的方法。

圖3分析零件輪廓尺寸

設計意圖:求解圓弧半徑的過程是應用數學知識解決實際問題的過程,是多學科知識融合的交叉點與整合點,是觸發學生學習與探究的觸發器。三種確定圓弧半徑的方法從理論上都是正確的,但測量精度卻不盡相同。學生能夠根據自身的實踐感受找出誤差更小的測量計算方法,對所學數學知識也有了更為深刻的理解,從掌握單純的知識點轉變為掌握解決問題的方法。

在測量的基礎上教師提出關於孔軸尺寸配合、加工精度、結構強度的問題。

設計意圖:這是解決工程設計方面的問題。教師預判了學生在實踐過程中可能出現的情況,讓學生帶著問題去實踐。學生在動手實踐中自主探究得出的結論會比教師直接給出的更令學生印象深刻。

(五)設計圖樣的繪製環節

學生使用三維設計軟體繪製零件模型,熟悉用計算機輔助製圖表達設計構思的方法。教師巡視指導,幫助學生分析遇到的問題,通過正確的方法、嚴謹的過程和合理的引導幫助學生建立實現技術、解決問題的信心。

(六)模型的製作環節

教師指導學生將繪製完成的造型導入3D印表機的切片軟體中,設置列印參數,製作零件實物。學生學習3D印表機的使用,了解3D列印加工工藝。

學生首次列印出的零件並不成功,教師引導學生分析原因,師生共同處理了兩個生成性問題:

第一,零件變形問題。教師引導學生觀察印表機的工作過程,逐步分析得出由於列印零件的橫截面過小,下一層列印材料還沒有充分冷卻,新一層材料就堆積上去而造成變形。由此學生認識到自動列印布局是不可行的,並提出將兩個零件置於列印平台兩端,儘可能增加零件間距離以延長堆積兩層材料間的時間間隔,有效改善了這一問題。

圖4列印零件變形問題及解決方案

第二,列印零件強度較差。學生提出了增大零件間的孔軸尺寸以增強零件強度的方法。通過對零件尺寸進行重新設計,列印出的零件強度明顯增加,且可以實現良好的尺寸配合,使爬蟲恢復正常行走。

圖5增強零件強度的學生設計作品

設計意圖:在三維建模並列印成型的過程中,教師對生成的問題及時進行指導,和學生共同優化設計方案,完善設計作品。學生經歷親身實踐,會對教師在方案制定階段提出關於3D列印加工精度和零件配合的問題有更加深入的理解。這樣經歷觀察、探索、實踐得到的經驗會給學生留下更為深刻的印象,符合STEM教育的體驗性特徵。

(七)作品測試環節

零件列印完成後,學生組裝並測試爬行情況,對有問題的零件進行修理調整,體會設計過程是需要不斷優化的。

(八)展示交流與評價環節

本課的評價方式是學生自評、互評與教師評價相結合。為了更好地達到教學目標,教師製作了自評和互評量表。評價過程強調多元評價主體、面向學習過程的評價。

(九)歸納總結環節

項目結束后,通過總結深化工程設計過程對解決實際問題的指導作用,也梳理多學科知識在解決實際問題過程中發揮的作用,促進學習者將零散的知識系統化。

在此基礎上,如果我們對蜘蛛爬行運動的生物學知識有更加深入的研究,並將智能控制技術加入其中,這隻蜘蛛將完成超乎想象的任務。教師播放一段智能蜘蛛隨音樂跳舞的視頻,拓展學生視野,進一步激發學生探索創新的願望。

四、實踐反思

本課立足於通過項目實踐培養學生在圖樣表達和物化能力方面的技術核心素養,體現了STEM教育的跨學科性、體驗性和情境性的核心特徵。在STEM教育理念的指引下,教師合理選擇教學內容,恰當梳理與其他學科的交叉融合。項目的問題一方面基於真實的生活情景,另一方面又蘊含著要教授的結構性知識。通過工程實踐實現情境性問題的解決,讓學生體驗真實的生活,獲得社會性成長。

五、教學點評

本課中,學生髮現問題,提出方案,利用數學知識進行測量,運用三維設計軟體實現設計圖的表達,使用3D列印技術完成製作,通過解決列印中的問題,分析部件損壞原因並加強易損部件,進一步優化結構,體現對學生創新精神的培養,也體現了對學科核心素養的培養,充分踐行了STEM的教育理念。

本課用短片引入新課,既體現了技術滿足人類需求的人文關懷,也把發現問題、解決問題的過程展示給學生,引導學生進入主題,也樹立了應用技術解決問題的技術意識。

生成性問題的解決是本課的又一亮點,體現著老師的教學智慧。在傳授學生技術、體驗操作實踐的過程中還承載著思想方法的傳承與潤物無聲的影響。生成性問題的的解決也給學生以榜樣示範,激勵學生進一步探索技術世界。