摘? 要? 旨在探討研究基于STEAM教育理念的創(chuàng)客教育在農(nóng)村小學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用，以創(chuàng)客教育之3D打印為應(yīng)用實(shí)例，對其促進(jìn)新課程改革、培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)空間想象能力、為學(xué)生認(rèn)識幾何模型提供幫助等方面做簡單分析，通過3D打印、3D建模與數(shù)學(xué)相關(guān)課程的融合教學(xué)，使學(xué)生充分理解空間概念等數(shù)學(xué)知識，增強(qiáng)學(xué)生的空間想象能力。同時(shí)，3D打印也為教師設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)制作教具提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞? 3D打印技術(shù)；3D建模；創(chuàng)客教育；農(nóng)村小學(xué)；數(shù)學(xué)；素質(zhì)教育；數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)輪

中圖分類號：G623.56? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）17-0037-04

0? 引言

目前，國內(nèi)外對于創(chuàng)客教育的研究方興未艾，全球化加速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)逐漸規(guī)?；畔⒓夹g(shù)飛速發(fā)展，義務(wù)教育優(yōu)質(zhì)均衡發(fā)展等，在客觀上為創(chuàng)客教育的發(fā)展創(chuàng)造了條件[1]。但在推進(jìn)素質(zhì)教育過程中，發(fā)達(dá)地區(qū)和落后地區(qū)存在明顯差異，而農(nóng)村學(xué)校對于創(chuàng)客教育的研究更是基本處于空白階段[2]。針對農(nóng)村學(xué)校教育體制中缺少創(chuàng)客教育平臺，農(nóng)村學(xué)生缺乏實(shí)踐動(dòng)手能力的現(xiàn)狀，如何縮小城市與農(nóng)村小學(xué)素質(zhì)教育的差距，讓農(nóng)村學(xué)校的小學(xué)生特別是留守兒童同樣獲得優(yōu)質(zhì)教育資源，為他們打開創(chuàng)客教育的一扇窗，成為當(dāng)下亟待解決的問題。本文以創(chuàng)客教育中的3D打印技術(shù)為應(yīng)用實(shí)例，將3D建模與農(nóng)村小學(xué)數(shù)學(xué)課程有效融合，闡述3D打印在培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)空間概念、幫助教師設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)制作教具方面的作用。

在全面推進(jìn)義務(wù)教育均衡發(fā)展中，含山縣作為馬鞍山市首批試點(diǎn)義務(wù)教育均衡發(fā)展縣，使得偏遠(yuǎn)農(nóng)村學(xué)生可享受均衡教育資源。而創(chuàng)客教育之3D打印的學(xué)習(xí)，不僅有利于學(xué)生知識水平的提高，更可以激發(fā)他們對于未知科學(xué)知識的興趣，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索精神，促進(jìn)教育優(yōu)質(zhì)均衡發(fā)展[3]，使得提倡體驗(yàn)式教學(xué)的素質(zhì)教育在農(nóng)村學(xué)校也能落地生根、萌芽生長。

1? 3D打印、3D建模概念界定

1.1? 3D打印概述

3D打印技術(shù)是指由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型（CAD）直接驅(qū)動(dòng)的，運(yùn)用金屬、塑料等材料，在快速成型設(shè)備中分層制造任何復(fù)雜形狀的物理實(shí)體的技術(shù)[4]。

基本流程是先用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)三維模型，然后把三維數(shù)字模型離散為面、線和點(diǎn)，再通過3D打印設(shè)備分層堆積，最后變成一個(gè)三維的實(shí)物。

FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成型）設(shè)備采用成卷的塑料絲或金屬絲作為材料，工作時(shí)將材料供應(yīng)給擠壓噴嘴，噴嘴加熱融化材料，并在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的控制以及步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，沿著水平和垂直方向移動(dòng)打印，熱塑性材料擠出噴嘴形成層并迅速硬化。打印完成后，拿掉固定在零件或模型外部的支撐材料即可。

1.2? 3D建模概述

3D建模通俗來講就是應(yīng)用三維制作軟件，通過虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型，可分為軟件建模、掃描建模、圖像及視頻建模三種類型。本課題主要討論的建模方式是利用IME3D軟件、Meshmixer軟件、AutoCAD軟件、Cura后期處理軟件等進(jìn)行的建模。

2? 3D打印彌補(bǔ)學(xué)生空間概念理解、抽象思維能力的不足，實(shí)現(xiàn)空間想象直觀實(shí)物化

中低年級學(xué)生普遍難以理解空間概念，抽象思維能力不足。新課程標(biāo)準(zhǔn)提出：“要加強(qiáng)幾何建模及探究過程，注重引導(dǎo)學(xué)生通過觀察、操作，有條理的思考和推理、交流等活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生的幾何直覺和空間觀念?！?D打印教學(xué)將幾何建模與數(shù)學(xué)課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合，彌補(bǔ)學(xué)生空間概念理解、抽象思維能力的不足，讓學(xué)生在自主操作過程中，通過觀察、操作、交流等活動(dòng)，完成相關(guān)新知識體系的自主構(gòu)建，在促進(jìn)新課程改革的同時(shí)，提高學(xué)生分析問題、理解問題、解決問題的能力。

例如，筆者在“圓柱體的表面積公式”推導(dǎo)教學(xué)中，就利用3D積木模塊教學(xué)的形式，模擬出一個(gè)或幾個(gè)圓柱體模型，讓學(xué)生通過簡單的軟件學(xué)習(xí)，可以隨意旋轉(zhuǎn)圓柱體模型的各個(gè)面，通過動(dòng)手操作，體驗(yàn)三維實(shí)體和二維平面之間的轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

對比以往的教師利用課件模擬教學(xué)，3D打印IME3D軟件融合數(shù)學(xué)課堂教學(xué)更注重學(xué)生的自主操作，學(xué)生由原來的觀察課件的被動(dòng)觀察者，轉(zhuǎn)向每個(gè)人都可以自主動(dòng)手，選擇自己喜愛的觀察角度、觀察順序進(jìn)行自主操作學(xué)習(xí)，甚至同學(xué)之間可以交流討論旋轉(zhuǎn)操作中的體會心得，大大增強(qiáng)了學(xué)習(xí)新知的興趣，彌補(bǔ)了空間概念理解、抽象思維能力的不足。

整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程可以全方位、較清晰、具體地呈現(xiàn)出圓柱體各個(gè)面的三維模型圖，使得學(xué)生，尤其是空間理解和空間思維能力不足的學(xué)生，直觀形象地感知圓柱體三維模型圖，實(shí)現(xiàn)空間想象直觀實(shí)物化。對于圓柱體表面積公式的推導(dǎo)，學(xué)生有條理地思考和推理、交流和討論：將空間想象三維立體空間在電腦中轉(zhuǎn)化為二維平面，難題就迎刃而解。當(dāng)難題解決，學(xué)生的自信心得到極大提高，對于后期集體學(xué)習(xí)相關(guān)的補(bǔ)充練習(xí)教學(xué)，將會呈現(xiàn)出更大的興趣，并能積極主動(dòng)地與其他學(xué)生交流討論，進(jìn)而提高理解問題、解決問題的能力。

3? 3D建模提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)生數(shù)學(xué)空間意識

學(xué)生之間由于個(gè)體的差異，往往會出現(xiàn)知識理解和接受程度的差異。教師可以針對不同學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)行有針對性的教學(xué)優(yōu)化。例如，筆者在“認(rèn)識長方體和正方體”的教學(xué)中加入3D建模，由于3D建模在學(xué)習(xí)上強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，知識的獲取是在自主的環(huán)境下的自主建構(gòu)，因此，學(xué)生可以按照自己的設(shè)想，調(diào)整3D建模參數(shù)，感受不同參數(shù)變化隨之產(chǎn)生的幾何圖形變化，從而獲得對新知的感性認(rèn)識。這里的建模參數(shù)可以是模塊數(shù)量的不同，可以是顏色選擇的差異，還可以是模塊長寬高、模塊中心坐標(biāo)設(shè)置的區(qū)別等。學(xué)生在3D建模中大膽嘗試，調(diào)整這些可變化參數(shù)，建立的3D模型真實(shí)地在電腦中再現(xiàn)，數(shù)學(xué)空間意識逐步增強(qiáng)，如圖2所示。

這樣的3D建模教學(xué)結(jié)合數(shù)學(xué)課程“認(rèn)識長方體和正方體”，是一種創(chuàng)客教育與傳統(tǒng)學(xué)科的融合教學(xué)嘗試。由于3D建模的操作過程是學(xué)生自己設(shè)想、自主設(shè)計(jì)調(diào)整可變化參數(shù)的教學(xué)模式，相較于被動(dòng)觀察教師已經(jīng)做好的課件教學(xué)，3D建模融合教學(xué)更注重學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，這種全新動(dòng)態(tài)立體的操作，不僅可以激發(fā)學(xué)生構(gòu)建新知識體系的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，而且更容易增強(qiáng)學(xué)生的數(shù)學(xué)空間意識，使得提倡體驗(yàn)式教學(xué)的素質(zhì)教育在農(nóng)村小學(xué)的數(shù)學(xué)課堂中得到落實(shí)。

4? 3D建模、3D打印幫助教師學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與制作數(shù)學(xué)教具

3D建模（Meshmixer軟件）、3D打印為教師設(shè)計(jì)與制作教具提供技術(shù)支持。合理使用教具可以增強(qiáng)課堂活力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)印象，取得更好的教學(xué)效果。這里以一套可以實(shí)現(xiàn)個(gè)位數(shù)與個(gè)位數(shù)加減乘除的數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)輪教具為例，如圖3所示，這套轉(zhuǎn)輪基本構(gòu)成包括轉(zhuǎn)軸一個(gè)、數(shù)字輪四個(gè)、數(shù)學(xué)符號輪兩個(gè)、端蓋兩個(gè)，采用十邊形外輪廓，每間隔一個(gè)面布置一個(gè)計(jì)算符號，中空圓柱孔?；境叽纾和鈴?0 mm，內(nèi)徑30 mm，寬20 mm。

使用Cura軟件導(dǎo)入模型文件，對零件的總數(shù)和零件品種進(jìn)行確認(rèn)，如圖4所示。

開啟打印機(jī)，保證數(shù)據(jù)線與電腦連接正常，完成打印，如圖5所示。打印完成后，待溫度下降至室溫，對各個(gè)零件做去毛刺處理，然后用顏料筆上色，數(shù)字涂上黑色，符號涂上紅色。將數(shù)字輪和符號輪按照順序依次穿到轉(zhuǎn)軸上，兩端蓋上端蓋，即完成數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)輪的裝配。

數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)輪的使用方法比較簡單，任意組合數(shù)字和符號，可以實(shí)現(xiàn)個(gè)位數(shù)與個(gè)位數(shù)的加減乘除，如圖6所示。

5? 3D建模、3D打印幫助學(xué)生建立既能合作交流又能獨(dú)立探索的學(xué)習(xí)氛圍

3D打印、3D建模與數(shù)學(xué)相關(guān)課程的融合教學(xué)還處于初期探索階段，筆者發(fā)現(xiàn)這樣的融合教學(xué)能夠幫助學(xué)生建立自信、友善的合作交流空間。3D打印、3D建?？梢约ぐl(fā)學(xué)生個(gè)體對未知領(lǐng)域的探索興趣，幫助學(xué)生感知數(shù)學(xué)空間和理解幾何知識，使學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力得到提高，數(shù)學(xué)空間意識在合作交流中逐步增強(qiáng)。對于學(xué)生而言，這樣的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)課堂，學(xué)習(xí)無處不在而充滿樂趣，既能合作交流又能獨(dú)立探索，真正實(shí)現(xiàn)既快樂有趣又張揚(yáng)個(gè)性的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)，讓學(xué)生真正獲得學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)成功的情感價(jià)值體驗(yàn)。

6? 結(jié)束語

3D打印、3D建模在農(nóng)村小學(xué)創(chuàng)客教育中的應(yīng)用尚處于初期探索階段，隨著3D打印、3D建模技術(shù)的成熟，未來越來越多的教育學(xué)科領(lǐng)域?qū)婕?D打印技術(shù)的交叉與融合，而將3D打印技術(shù)與融合信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、綜合實(shí)踐、科學(xué)等多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)的Arduino（一款開源電子原型平臺）教程相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)，將是本課題的后續(xù)實(shí)踐方向。執(zhí)教于一線的鄉(xiāng)村教師如何使其更好地與其他學(xué)科有機(jī)融合，值得在教學(xué)中繼續(xù)研究、探索。

參考文獻(xiàn)

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*項(xiàng)目來源：2018年安徽省信息技術(shù)課題“基于STEAM的農(nóng)村小學(xué)創(chuàng)客教育的實(shí)踐創(chuàng)新研究”（課題編號：AH2018233）。

作者：付黎明，馬鞍山市含山縣陶廠中心學(xué)校，中一，研究方向?yàn)檗r(nóng)村小學(xué)數(shù)學(xué)創(chuàng)新教育（238100）。