3D打印课程《搬运机器人策略物的设计与制作》教学实践与反思

夏小刚

【摘 要】2014年12月，我校引进第一批3D打印机，开始3D打印教学实践探索。在近一年的实践探索中，通过查阅相关文献、参加相关3D打印公开课活动，我们认为中小学3D打印教学还存在重设计轻结构、重软件设计轻实践应用、任务选择脱离学生生活等问题。在STEAM教育理念的指导下，我们以学生遇到的真实问题引入、采用项目式学习、借助3D打印物化创意、产品测试改进的方法开展3D打印教学，取得了良好的效果。本文是其中一个项目“搬运机器人策略物的设计与制作”的教学实践。

【关键词】]3D打印；STEAM；项目式学习；教学实践

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2017）09-0064-04

2014年9月，我校开始建设创客空间，12月，第一台3D打印机正式走进了我们学校。怀着对3D打印技术浓厚的兴趣，在并未交货的情况下，笔者向学校领导请示、向公司技术人员求教，由此开始了3D打印之旅。在将近一个月的时间里，笔者借助网络资料和说明书、请教技术人员，努力钻研，功夫不负有心人，终于成功打印了一个模型，并且顺利解决了调平、不出料等技术问题，总结出了初步的模型设计和打印经验。

2015年伊始，创客空间的精工实验室正式交付使用，笔者就将3D打印正式引入了学校的 “七初DIY” 社团。该社团由笔者和一名物理老师共同负责，社团由25名对科技特别感兴趣的学生组成，以学生科技活动、科技制作为主。第一次课上，笔者给学生们讲解了3D打印原理，展示了3D打印的基本流程，同学们都异常兴奋。课后他们告诉老师：“多么神奇啊！打印机立马可以打印出立体的东西。真的是‘立等可取哟。以后我们想要玩具，可以直接DIY打印一个，我们想要杯子，DIY打印一个……哇，这就是科技发展给我们带来的新奇之处。”一段话足见同学们对3D打印技术的欣喜。在接下来的课程里，学生们依次学习了123D Design、3Done两种3D模型设计软件，用来制作水杯，制作3D校园模型以及3D打印挂件制作。

3D打印教学目前存在的问题

刘金鹏曾阐述过目前大部分3D打印课堂存在的问题：

现象1：为了“造物”而“造物”。从网上下载3D模型文件，打印出来供学习者远观或把玩；

现象2：把3D打印教学变成建模软件的教学，目的似乎是为了学会软件的使用，而不是设计和造物本身；

现象3：学生依葫芦画瓢，按照教师的制作步骤或范例提示一步步操作完成作品建模，并最终把实物打印出来。

通过调查和访谈，我们了解到成都高新区目前75%的学校都配备了3D打印机，但是只有40%的学校开设了3D打印相关课程。教师们反馈开设课程最大的阻碍是没有相关的课程支持，其次是没有相关教师。而开设了相关课程的教师最需要的是STEM教育理念、课程开发能力和3D打印机使用和维护的相关能力的提升。

在近一年多的实践探索中，通过查阅相关文献、参加相关3D打印公开课活动，笔者认为目前中小学3D打印教学还存在以下问题：重设计轻结构；重软件设计轻实践应用；任务选择脱离学生生活。

基于这些问题，笔者在课程设计中做了相应优化。接下来就以3D打印课程《搬运机器人策略物设计与制作》作为案例来阐述笔者的设计理念。

选题背景

2016年11月，我校部分学生正在参加第十四届四川省青少年机器人创新实践活动（普及组）的六足搬运机器人比赛。学生们通过自己的努力，搭建好了自己的抬升式、夹取式机器人。但是发现机器人在执行搬运乒乓球任务的时候，夹到球或者铲到球的几率非常小。我们仔细阅读比赛规则，发现可以自行设计策略物。于是，结合到本学期学习的3D打印技术，我们计划利用3D打印来制作机器人夹取和抬升乒乓球的策略物。

教学设计

本课时为工程应用阶段的第3课，学生通过桥的例子，已经初步掌握了工程设计的基本流程和熟练操作3D打印机的方法。

学习模块：3D打印模块

教学对象：DIY社团学生（七八年级）

1. 课程设计理念

STEAM 是科学、技术、工程、艺术和数学五门学科的简称，强调多学科的交叉融合。STEAM 教育强调将五门学科内容组合形成一个有机整体，从而更好地培养学生的创新精神与实践能力。“3D打印创意制作”为我校STEAM系列课程中的一门核心课程。课程以培养学生创新思维和实践能力等核心素养为目标，采用项目式学习方式实施教学。

基于创造的学习过程包括实证调查要解决的问题，建构解决方案，以及科学和工程研究必需的分析与评价，这些活动形成的是一个循环迭代过程。

2. 学情分析

“七初DIY” 社团有4名学生参与了比赛，但是成绩并不理想，于是我们计划在社团课上开展搬运机器人策略物设计教学，引导学生用3D打印技术解决遇到的问题。学生们通过前面课程的学习，初步掌握了3Done软件的基本操作、如何设计基本的3D模型、3D打印的基本流程等知识。同时，学生对3D打印实践有浓厚的兴趣。

3. 学习目标

科学：了解并掌握科学探究的基本方法和步骤；技术：熟练掌握“减去”命令，更加熟练应用3Done软件和切片软件，培养发现和解决问题的能力；工程：知道如何设计结构稳定的策略物、装载机器人策略物、正确使用螺丝刀，培养合作能力；艺术：设计具有一定美感的策略物；数学：能有效测量3D模型和机器人零部件的尺寸，掌握应用数学知识解决实际问题的方法，培养思维的逻辑性和缜密性。

4. 学习资源准备

五台3D打印机、PLA打印材料、3D模型设计相关教程、比赛规则（简化版）、学习卡、相关操作工具。学生准备尺子、笔、纸张、iPad等學习工具。

5. 学习流程（如下表）

6. 学习评价

小组合作评价（教师评价+小组自评）；解决方案评价（小组互评）；搬运比赛评价（以实际得分为准）。

教学实践

前两节课总听到有同学抱怨：学了几次3D打印，为什么不让我们打印呢？那么今天我们就一起进入3D打印实战。

1. 解决技术问题

在进入实战之前，我们请同学先来解决上节课设计和作业中存在的几个问题：（1）减去（外方内圆的水杯）；（2）草图绘制与拉升；（3）扫掠；（4）移动与旋转。

学生上台讲解、演示，教师适当补充。

2. 情境引入

解决完了这些问题，肯定有同学要问了：老师，我们今天究竟要打印什么模型？

我们今天要打印一个和我手中的机器人相关的模型，（生：自己设计一个机器人吗？）但不是这样一个机器人，是我们完成机器人比赛的策略物（也就是辅助机构）。我知道咱们社团有4名同学参加了本次搬运机器人比赛。我想问问你们，在机器人设计中你们遇到了哪些问题？（生：夹不起球、纸壳容易卡住等）。那么今天我们就来设计这样一个夹取或铲起乒乓球的策略物。

在设计解决方案之前，我想请各小组再次仔细阅读比赛规则，特别是老师标注颜色的内容。看完比赛规则，小组简单讨论一下解决方案。

3. 设计解决方案

在大家正式进入方案设计环节之前，我想先提醒几点，（展示PPT）机器人的大小不能超过25cm*15cm、策略物如何固定、考虑乒乓球的大小、考虑球框的高度、最大抬升高度和夹取宽度。

同时，我们可以看看实际生活中是如何夹取和抬升物品的。这三张图分别是夹取机器人、叉车和推土机，咱们在设计过程中可以参考这些结构。

下面我们分小组开始设计方案，要求如下：

（1）时间：10分鐘；（2）小组分工；测量（2人）；设计草图（1人）；3D建模（2人）；数据记录（1人）；（3）提交3D模型至Moodle平台

巡视指导各小组分工合作，各小组开始分工设计方案、测量机器人尺寸、计算策略物的尺寸，各小组设计的策略物五花八门：有方框、铲子、夹子等。

4. 展示3D模型

时间到了，我们请各个小组来展示解决方案。展示的时候小组成员都要上台，先展示设计方案，阐述理由，然后展示3D模型，陈述安装方法。

王皓民小组展示了本小组的类似方框的3D模型，他们充分考虑了球框的大小和0.5cm的高度，设计大小可以容纳4个乒乓球；易周阳小组展示了夹取策略物，综合考虑了机器人长度，并用热熔胶实现了增加轮子的摩擦力；卿正宇小组展示了类似铲子的模型，他们给铲子做了倒角处理，加高了护边，并且考虑了策略物如何安装，给铲子的四个顶点打了孔；闻峻毅小组设计了一个类似王皓民小组的方框，但他们的方框只有三面，并且内部设计成空心，减轻重量。

5. 打印策略物

接下来，按照老师和同学们的意见做一下修正，然后上传至Moodle平台，各小组依次切片、打印。

因为时间的关系，我们一节课没法打印完作品，请同学们课下再来测试打印好的策略物。实践是检验真理的唯一标准。3D打印是一个很好的个性化定制工具，用以解决我们生活中遇到的问题。在今后的生活和学习中，我们要善于发现问题，同时应用所学的知识去解决这些问题，让我们的生活更加美好。

教学反思

1. 教学设计亮点

学习问题来源于生活，学生有浓厚的学习兴趣；激发了学生综合应用数学、物理知识解决问题的意识，如测量机器人的大小、三角形知识、密度、摩擦力等；教学目标达成度高，学生的作品比赛效果很好；探究式的学习方式提高了学生的问题意识。

2. 教学设计不足之处

设计之初，没有留足够的时间来修改3D模型和打印，只能通过课后时间来弥补；学生关于3D打印机操作方面的知识准备欠缺，学生3D打印、切片操作不太熟练；没有充分考虑打印材料的因素，部分小组打印过程中，ABS材料容易变形，影响了学习进度；小组人数规模稍大，每个小组6人，个别学生参与度较低。

结 语

“创客教育是创客文化与教育的结合，基于学生兴趣，以项目学习的方式，使用数字化工具，倡导造物，鼓励分享，培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育。”而3D打印机则是创客教育造物环节不可或缺的工具，在课程设计中我们应避免单纯教技术，而应该着重培养学生利用3D打印解决实际工程问题的能力。

本堂课的设计始于学生生活中的问题，在解决问题的过程中综合应用各学科知识，锻炼学生动手能力，不失为3D打印教学的一个发展方向。

参考文献

刘金鹏. 3D打印课程，你关注学生核心素养了吗[J]. 中小学信息技术教育，2017（3）.

余胜泉，胡翔. STEM教育理念与跨学科整合模式[J]. 开放教育研究，2015（4）： 13～22.

孙江山，吴永和，任友群. 3D打印教育创新： 创客空间、创新实验室和STEAM[J]. 现代远程教育研究，2015（4）： 96～103.

王同聚. 3D打印技术在创客教育中的应用与实践——以中小学创客教育为例[J]. 教育信息技术，2016（6）： 11～14.