普高3D打印校本教材设计与实践探究*

龚富国

(涡阳县第二中学 安徽亳州 236000)

一、相关专业概念内涵与主要研究内容背景

(一)创客教育及其发展

“创客”一词是由英文单词“maker”转变而来,其本身含义是指可以将自己的兴趣爱好通过各种创意手段变为现实的人。创客教育是把创客的理念融入传统教育中,让学生根据自己的兴趣进行学习,并且最终得到某种模型,从而实现某种目标。这就要求学生要有创新意识,要立志将自己的兴趣爱好转化为现实。

我国创客运动与创客教育相较于国外虽起步较晚,但发展势头强劲且呈井喷状态。中小学创客教育其实就是对中小学生创造力的提升和发展,培养学生自主发现、自主探索、自主学习的能力,进而激发其创造的潜能。

(二)3D打印技术与3D打印教学开展现状与意义

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础,运用塑料(PLA、ABS)、树脂、粉末状金属、陶瓷等材料,以逐层堆积的方式进行打印,从而构造出三维模型的一种快速成型技术。

目前一些已经引入3D打印项目的学校,多数选择以学生课外兴趣小组、社团活动等各种方式去开展,辅导教师通常多由本校信息技术、通用技术或有电子物理专业背景的教师去兼任,从总体情况来讲,教学投入和社会实践准备时间不足,师资力量培训和实验室硬件设施水平参差不齐,还没有达到完全发挥3D打印系统的主要功能意义与教学价值,尤其是那些设计较成熟合理并特别适合我国高中学生需要的培训教材与指导教材还极度匮乏。基于此背景,笔者参与组织并开发实施了一本3D打印校本教材,以期从理论和实践中培养中学生掌握创客课程知识、创客能力与思维,为学生以后的学习和成长打下良好、坚实的基础,为今后有关该方面的研究提供现实、可靠的理论及实践指导基础。

二、3D打印校本教材的设计原则和教学设计流程

(一)设计原则

开发高中3D打印校本教材,使用3D One教育版和Cura切片两个软件,要求以基础理论知识为引导,围绕技术原理与所学相关知识的有机融合进行教学重构,并具体地将该教材的技能目标细分成建模基础篇和提高篇。其初级能力目标主要是通过训练提升学习者对于3D打印有关技术知识的基础水平,使其了解并掌握3D打印机的原理、概念与基本结构,能据此开展基本的自主建模和稍复杂的模型设计制作。更高层次的教育目标,应是着眼于提高学习者的高级空间实践能力。如逐步形成空间创客思想,加入智能硬件和程序设计的思维模式,以及处理复杂设计与构造问题的技巧等。

(二)教学设计模块化流程

中学3D打印的相关校本教材,应以着重培养学生思维的开放性、创新学习意识和掌握应用科学技术知识创新及动手能力作为育人目标,根据不同层级类型的教学要求和教学内容,选择出模块化的教学设计。

三、3D打印校本教材设计内容配置与实践

(一)3D打印校本教材内容配置

基于以上设计原则和教学设计模块化流程,3D打印校本教材三维建模的教学内容分为四个层级:入门、基础、设计和综合。既要横向展示课程的性质、层级、内容和建模技术要点,又要纵向实现课程难度的逐级加深,同时对发散思维和创新思维的要求要随之递增。教学内容设计见表1。

表1 3D打印校本教材教学内容设置

(二)3D打印实践探究专题报告

本文以综合实践制作2为例,完整展示3D打印实践探究方式、方法、流程和步骤,包含研究背景、研究目的、资料收集、工作计划、具体实施计划及结论。

1.研究背景

养花种草是现代人的一大爱好,因为养花种草不仅能提高现代人的审美情趣也能使空气质量得以提升,但是养花却不是一件容易的事情,需要花费大量的时间和精力去呵护它,比如要经常给它浇水、修整等。尤其是浇水这项看似简单的操作其实“不简单”。首先,水源要干净,如果水源不洁,花朵的正常生长就会受到影响;其次,水量要适当,如果水量过大,花朵根系就会被破坏,反之水量过少又会使花朵枯萎;最后,也是最重要的,如果工作、生活忙碌导致无暇给花浇水的话,那花朵就会“自生自灭”。

2.研究目的

该花盆采用空气集水、太阳能供能的运行系统,空气中的水蒸气通过冷凝片来收集,集水后储存在花盆上方的水箱里缓慢滴下滋养花朵,花盆里的土壤湿度传感器感应花盆水分含量。一旦含水量过大,便自动调节水箱开关,关闭水源积累水量以便后续使用。这样就可以实现全自动供给养花,做到了花朵“自立”,也节省了不少人力。

3.资料收集

(1)调查访问

目的是想了解在实际生活中对于绿植的养护,是否需要一种太阳能自动浇水的装置。调查对象有:①学校的老师和同学10人;②家庭成员20人。

通过调查访问和分析调查结果发现,由于学校老师和同学教育教学及学习压力大,会经常出现绿植长期无人养护导致枯萎的现象,所以老师和同学一致认为需要这样一种太阳能自动浇水的装置;而调查对象20位家庭成员中有4人认为不需要,原因是这4人都是家庭主妇和年长者,不需要长时间离家出差。

(2)实际调查统计

巡查几个班级后,统计绿植枯萎情况。统计结果如下:绿植总数20盆,其中没枯萎的绿植6盆,枯萎的绿植12盆。

(3)上网查找感应装置的原理与产品资料

在网上找到以下资料:

①基于机智云物联网平台的智能花盆

②一种可精准浇水和补光的智能花盆及其应用技术

4.工作原理与准备材料

花盆的顶部是一个冷凝片,附带有太阳能电池板块,当空气中的气流流经冷凝片时,就会液化成水珠附在冷凝片上,此时用一个尖嘴漏斗来收集这些水分,这些水分通过塑料管滴入花盆,这样植物就可以存活了。为了控制装置水滴入花盆中的量,我们在花盆中安装了一个土地湿度传感器,将土壤中的湿度通过显示屏呈现,当土壤过湿的时候这个数据就会被Arduino UNO电路板接收,然后电路板控制舵机、控制挡板的转动进而来控制水的流动方向;当土地中的湿度达到干旱的程度时,Arduino UNO电路板就会控制电路闭合,让冷凝片继续正常工作产生水滴,保持土壤中湿度的相对稳定,从而让植物更好地生长。

准备材料:冷凝片,土地湿度传感器,漏斗,舵机,挡板,太阳能电池板,Arduino UNO电路板,植物,电池。

5.具体实施计划

(1)收集资料,2020年9—11月。

(2)研究方案设计,2020年11—12月。

(3)材料准备,2021年1月。

(4)具体制作,2021年2—5月。

(5)分析测试、修改及完成,2021年6—7月。

6.结论

利用太阳能或电池作为动力来源,加入智能硬件,从空气中获得淡水资源,这样就可以解决绿植因无人照料、长久干旱而死亡的问题。

综上所述,高中阶段3D打印校本开发设计和实践活动还尚处于一个初级阶段,需要各级政府管理部门和各级各类学校的决策者在师资素质培养与教材平台建设机制等多个方面予以关注、支持。笔者在3D打印校本教材具体实施活动中,重点关注学生创客思维模式的持续培养,帮助引导学生将3D打印技术和Arduino智能硬件相互融合,通过自主构思、设计、反复制作改进设计并完成打印构建出作品的整个过程,培养学生作品设计、科学理论探究及现代技术整合运用等实践能力。