科普贴 | 3D打印技术在孩子学习STEAM教育中有哪些帮助?

看点 在STEAM教育中,经常会碰到“3D打印”这个词。它们常常紧密的联系在一起,它们之间有怎样的关系呢?为什么很多人会选择3D打印来进行STEAM教育?这是我们今天探讨的话题。

3D打印对很多人来说,陌生又熟悉。为什么这么说呢?很多人都听说过,但未必了解。其实,3D打印对我们的影响已日益深广,很多科技、设计公司、工厂等等都在使用3D打印技术,这也是未来发展的一个必然趋势。

3D打印与STEAM教育的关系

在教育领域,教育者也常常使用3D打印的工具来开展STEAM教育,科学技术的教育要从娃娃抓起。STEAM代表科学(Science)技术(Technology)工程(Engineering)艺术(Art)数学(Mathematics)。STEAM教育就是集科学、技术、工程、艺术、数学多学科融合的综合教育。

目前很多学校、机构开设的3D创意课是让学生通过数字化工具3D建模加3D打印机来培养孩子动手实践的能力,让学生在发现问题,探索问题解决问题中,将自己的创意变成实物来验证。

3D创意课是鼓励学生通过3D设计软件,结合物理、化学、数学等知识将创意实现成3D数字模型,并进行3D打印,最终实现想法。3D打印在实践中体现了跨学科的综合能力,所以,会成为STEAM教育的重要工具。

3D创意课引入了3D设计及3D打印技术,拓宽了学校普及STEAM教育的方法。在STEAM教育中,机器人教育也是非常重要的部分,3D打印技术与机器人教育相比,优势也是显而易见的。

首先,学生在设计机器人的时候,过去只能买标准的零件,现在可以通过3D创意设计软件,定制更加个性化的硬件。在3D设计过程中,也需要充分运用科学技术、数学等知识才能精确打印。其次,某些3D设计软件,即使是中小学生也可以轻松掌握,可以极大降低学生的掌握难度,也降低了对学校开课的硬件软件要求。

3D打印具体是如何实现STEAM教育的呢?我们先来普及一下3D打印的相关知识。

3D打印是什么?

3D打印学名叫快速成型,原理类似于喷墨打印,只不过材料不是墨水,而是液体,或粉末状的金属、塑料、陶瓷等原材料。

首先,3D打印的软件,会在电脑上将物体三维模型分解成无数细小的薄片,这样以来,3D打印机可以逐层打印,并且进行粘合,这样就生成了立体的实物。

3D打印示例

3D打印机采用了一些物理和化学的技术原理,最终实现3D打印的立体效果,根据技术原理的不同,大致分为以下三类:

熔融沉积成型——FDM,通俗来讲,就是利用高温将材料熔化成液态,计算机控制打印头前后左右移动,挤出熔化材料,一层一层沉积形成立体实物。

数字化光处理——DLP,以光敏树脂为原料,通过计算机控制数字光处理器,来固化液态光聚合物,形成零件的一个薄层,逐层进行光固化,直至得到三维实体模型。

激光选区烧结——SLS,以烧结和融化为基本原理,激光束在计算机控制下,有选择的烧结粉末,一层完成后再进行下一层的烧结,粉末材料被融化成型。

3D打印机都能打印些什么东西?

3D打印在医疗、航空、汽车、机械、建筑等领域应用已经非常广泛,人们用它来服装,建筑模型,汽车,巧克力,甜品等。

工程塑料、树脂材料、金属粉末、陶瓷、石膏、复合材料等材料是3D打印的主流材料,由这些材料构成的小物体或者零部件,基本上都可以用3D打印机去打印。当然,比较大的物体可能需要大体积的3D打印机才能打印。比较常见的打印的物品包括:动漫人物,动画片人物,文件,家用装饰品,艺术品,科教,创客教育物品等等。

英国工程师“打印”出无人飞机

全国首架3D打印无人飞机在南极帮破冰船

3D打印的设计过程

我们先看3D打印的设计过程是:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。

建模本身就是科技知识,就在STEAM教育的范畴之内。孩子要建模,需要学习一定的科技知识和操作步骤才能做到,可以在操作实践中,培养孩子对科学的兴趣,亲手做出来一个自己喜欢的形象,也会很有成就感,增加孩子的自信心。

3D打印可以培养孩子的哪些能力?

第一步需要确定打印的形象。孩子想打印一个什么模型?这就需要充分调动孩子的感官去思考,自己想要什么?这有助于培养孩子的想象力和创造力。在设计课程时,首先要避免把课程设计成计算机的实操课,重点要放在学生的创意构思和设计技巧上。

让孩子充分发挥自己的想象力,大胆设计自己想设计的形象,并且进行操作,孩子也会受到很大的鼓舞,从而提高自信心,提高对科学、数学、物理、化学等学科的兴趣。教育者也可以充分与孩子进行沟通,了解孩子的需求,对孩子进行积极的引导。

比如,孩子想要一个魔丸版本的哪吒,可以问孩子,为什么喜欢哪吒呢?孩子可能会分享,喜欢哪吒的“我命由我不由天”的风格,还有他唱的歌也很有意思。这时候,教育者可以对孩子进行价值观的教育以及抗挫折能力的教育,培养孩子坚强的性格。比如,不要去在乎别人的看法,即使受到了不公平的对待,也要相信自己,坚持做自己。要相信爸爸妈妈永远爱你等等,进一步建立亲情关系,加固孩子对父母的信赖感。

3D打印之魔童降世模型

另外导演饺子在中国传统的哪吒的形象上进行了很大的创新,这也可以进行创新思维教育,这也是STEAM教育的重要内容。如何进行创新思维呢?可以对一些经典的形象进行改造,设置不同的场景进行演绎,可以锻炼孩子丰富的想象力,培养孩子多思考的习惯。

设定自己想要的形象,下一步就是建模。建模会用到绘画技术,还有数学知识,数据尺寸之间的比例等等。这些对培养孩子的逻辑思维、空间想象力、计算思维都是很有帮助的。建模部分体现了学科间的相互联系和融合。

另外这个建模的过程,也是把想象的一个形象绘制成3D立体图形的一个过程。想想可以把自己喜欢的一个形象,通过自己的双手,把它给做出实体来,这个过程本身就是一个追求梦想,实现梦想的过程,也锻炼了孩子的动手能力、实践能力和行动力。

这个过程本身也充满了挑战。有些图形并不是一下子就能绘成的。需要复杂的步骤,这就考验了孩子的学习能力、耐性和承受挫折的能力,因为也有可能会画错,需要耐心的修改,甚至可能会重头再来。

遇到自己不会的地方,也要积极的向老师和同学们求助,这也培养了孩子的交际、语言沟通能力。

如果是在课堂上很多孩子一起做这个3D模型的话,老师会限制时间,这也考验了孩子的专注力和时间管理能力。如果孩子没有按时完成的话,也要听取孩子的意见,加以引导和改善。

爱因斯坦小时候做事情总是慢半拍,他的手工作业总是最后一个交,而且做出来的还是班里最难看的小板凳。老师忍不住嘲讽,天底下没有比这更难看的小板凳了。爱因斯坦立刻回答,有的!从包里又拿出来另外两个更丑的,这是他之前做的,上交的第三只,已经比这两个好多了。

这个故事说明什么呢?说明不要只看表象,要透过表现去发现孩子的品性、性格等因素,加以因材施教。就像这个故事说明了爱因斯坦精益求精的精神,而且他也没有因为老师的批评而自卑或者自我否定,而是长期坚持以这种精益求精的精神去做事,并且投入到科学研究中,最终获得了非凡的成就。

小米的创办人雷军在自己的母校演讲时也说过,一个人重要的不是学习考了多少分数,考60多分和考90多分,他真的看不出来有什么差别。但是通过学习,掌握了重要的学习的能力,这个才是最重要的事情。学习力,也是伴随一个人一生的事情。将来在这个日新月异的社会环境下,才能不断进步,真正立于不败之地。

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同样,做3D打印,3D建模这个过程,本身做出来的效果好不好看,不是最重要的,不要去评论,谁做的好看,谁做的不好看,重要的是,让所有参加的孩子都学会这些技术和方法,以及在这个过程中去培养和锻炼孩子的各种各样的能力。

每个孩子心中都有自己最爱的那个形象,谁都希望自己喜欢的东西被好好对待,所以,不要对孩子做出来的东西进行评论。因为相信每个孩子都尽了自己最大的努力去做了,这就够了。

另外,没有比较,就没有伤害。很多人之所以有妒忌心,甚至发生伤害的事件,就是因为自己不如别人才心生嫉恨。这就是比较得出来的结果。这些伤害事件,无论是对于妒忌别人的人,还是被妒忌的人,都是一种伤害。

所以,不要进行比较,每个孩子都需要被肯定和支持,每颗幼小的心灵都需要精心的呵护和浇灌,才能茁壮的成长,让孩子学习这一套方法和掌握这些能力,才是更加重要的事情。

建模建好后,通过3D打印机打印出来,就会出来一个立体的实物。孩子拿到这个东西都会开心的欢呼雀跃。毕竟这是自己的劳动成果啊。在这个过程中,教会学生像科学家一样思考,像工程师一样设计和实践,锻炼了创新能力,计算思维能力、动手实践能力和协作能力等,全面提升了学生的科学素养和知识的融合应用能力。

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