STEAM教育之3D打印 論文

STEAM教育之3D打印

【摘要】STEAM代表科學(xué)（Science）、技術(shù)(Technology）、工程（Engineering）、

藝術(shù)（Art）與數(shù)學(xué)（Mathematics）。STEAM教育就是科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)與數(shù)學(xué)的教育。在國家實力的比較中，獲得STEAM學(xué)位的人數(shù)已經(jīng)成為一個重要

的衡量指標(biāo)。STEAM教育鼓勵學(xué)生主修科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的計劃，并不斷加大科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)教育的投入，培養(yǎng)學(xué)生的科技理工素養(yǎng)。

3D打印（3DPrinting），即快速成型技術(shù)的一種，其實質(zhì)是增材制造技術(shù)，

被譽為是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一。近年來，國內(nèi)外3D打印技術(shù)蓬勃發(fā)展，在多個方面有著廣泛地應(yīng)用。本文通過介紹3D打印技術(shù)的概念及原理，回

顧了3D打印技術(shù)的發(fā)展歷史，闡述了國內(nèi)外3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，介紹了3D打印技術(shù)最新的技術(shù)，并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，對3D打印的發(fā)展趨勢有一定預(yù)見性的

分析?！娟P(guān)鍵詞】3D打印；ABC3D模型；快速成型；3D打印學(xué)校課程實施；日常

維護(hù)、安全制度；發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景；一、引言

2017年，我校在各級領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下,申報了STEAM實驗校。作為引領(lǐng)教

育前沿科技教育,我校的STEAM教育已成為學(xué)校課程新的亮點。通過三年來的探索，學(xué)?？萍及l(fā)明教育構(gòu)建了了一套獨具特色的教學(xué)體系，填補了我校科技教育

沒有完整教學(xué)體系的空白，即依托一種理念“創(chuàng)新是人才培養(yǎng)之靈魂”，構(gòu)建了三級目標(biāo)設(shè)置。“三級目標(biāo)設(shè)置”，就是根據(jù)低、中、高年級學(xué)生特點，設(shè)定不同

的教育目標(biāo)，選擇符合各段學(xué)生年齡特點、知識結(jié)構(gòu)、生活體驗儲備的教學(xué)內(nèi)容，分段施教，由易到難，由低到高，螺旋上升。由“思維轉(zhuǎn)變”到“學(xué)習(xí)創(chuàng)新方法”，

再到“使用創(chuàng)新方法”，最后形成“創(chuàng)意和創(chuàng)新成果”。作為STEAM實驗校，我們率先成立了STEAM社團(tuán)。并以此為軸心，開設(shè)了多

個信息技術(shù)興趣小組活動，以發(fā)展學(xué)生的個性特長。我們社團(tuán)的核心目標(biāo)是體驗、創(chuàng)新與創(chuàng)造，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力，正好和流行的“STEAM”

理念不謀而合，于是我們想到了“STEAM教育”。我們齊心協(xié)力開始了STEAM教育之夢，希望學(xué)生都能成為會創(chuàng)造的小能手。

二、3D打印技術(shù)簡介3D打印技術(shù)是增材制造技術(shù)的一種，近幾年該技術(shù)發(fā)展迅猛，潛力巨大，

是當(dāng)前最熱門的新興技術(shù)之一。3D打印機(jī)根據(jù)三維CAD模型將塑料、金屬粉末或固體無機(jī)物粉末等可黏合材料通過不同類型的噴頭，逐層堆積在工作臺上并最

終形成目標(biāo)零件。簡單的講，3D打印制造技術(shù)就是快速制造新產(chǎn)品首版樣件的技術(shù)，它可以在沒有任何刀具、模具及工裝夾具的情況下，快速直接的實現(xiàn)零件

的單件生產(chǎn)。該技術(shù)突破了制造業(yè)的傳統(tǒng)模式，特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)、單件或少批量產(chǎn)品試制等。它是機(jī)械工程、計算機(jī)CAD、電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光

技術(shù)、材料科學(xué)等多學(xué)科相互滲透與交叉的產(chǎn)物。它可快速，準(zhǔn)確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛄慵?，以便進(jìn)行快速評估，修改及功能測試，從而

大大縮短產(chǎn)品的研制周期，減少開發(fā)費用，加快新產(chǎn)品推向市場的進(jìn)程。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。在生物工程與醫(yī)學(xué)、建筑、服

裝等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的引入也為創(chuàng)新開拓了廣闊的空間。三、3D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)是一種逐層制造技術(shù)，它采用離散/堆積成型原理，其過程是：

先得到所需零件的計算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型；然后根據(jù)工藝要求，將其按一定厚度進(jìn)行分層，將原來的三維模型變成二維平面信息，即離散過程；再將分層后

的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼；在微機(jī)控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式，有序地連續(xù)加工出每個薄層，并使它們自動粘接而成型，從

而制造出所需產(chǎn)品的實物樣件或成品，這就是材料的堆積過程。各種3D打印技術(shù)的過程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、3D打印制作、模型分層切

片和后置處理五個步驟。3D打印技術(shù)需要依托多個學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，主要包括以下方面：信息技術(shù)，即要有先進(jìn)的設(shè)計軟件及數(shù)字化工具，輔助設(shè)計人員

制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并根據(jù)模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向；精密機(jī)械，即3D打印技術(shù)以“每層的疊加”為加工方式，產(chǎn)品的

生產(chǎn)要求高精度，必須對打印設(shè)備的精準(zhǔn)程度、穩(wěn)定性有較高的要求；材料科學(xué)，即用于3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成

后又能重新結(jié)合起來，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。四、學(xué)校3D打印技術(shù)課程實施

STEAM教育于我們的教師和學(xué)生是一個新的高度，新的挑戰(zhàn)。然而，我們本著“做中學(xué)，學(xué)中做”的精神，在實踐中解決問題，在實踐中探索路徑。

1.3D打印教室軟硬件配備

電腦安裝ABC3D建模軟件；通過開放靈活的空間設(shè)計，桌椅的擺放，墻面的布置與各類創(chuàng)新實驗室軟硬件設(shè)備小搭配結(jié)合，讓學(xué)習(xí)空間更具可調(diào)試性，為學(xué)

生提供培養(yǎng)技術(shù)能力，創(chuàng)新能力和創(chuàng)新實踐的物質(zhì)空間。圖

1

3D

打印機(jī)（比賽專用）

圖

2

3D

打印機(jī)（教學(xué)）圖

3

紅綠燈、光控小屋套件

圖

4

配套設(shè)施圖

5

3D

打印機(jī)耗材

圖

6

作品展示架

2.人員配置

（1）3D打印授課教師能夠使用3D建模軟件進(jìn)行3D建模，熟悉主流3D打

印成型工藝原理，具備3D打印機(jī)的日常使用和維護(hù)技能；熟悉3D掃描技術(shù)，能夠使用3D掃描儀。

（（2）教學(xué)對象小學(xué)學(xué)生三年級以上。

3）授課老師課前準(zhǔn)備。五、3D打印教室管理

.負(fù)責(zé)STEAM教室內(nèi)軟硬件設(shè)備的管理維護(hù)和應(yīng)急處理,保障課堂教學(xué)正常進(jìn)行和教室設(shè)備的正常工作。

.每天放學(xué)前對STEAM教室例行檢查保證所有設(shè)備斷電，拉上窗簾，關(guān)閉門窗，保證避免見光材料的使用壽命。

.管理員須愛護(hù)室內(nèi)的計算機(jī)及其他設(shè)備，為保證系統(tǒng)正常運作，應(yīng)每天查123看使用記錄，發(fā)現(xiàn)故障及時維修。提醒上課教師做好課前、課后對計算機(jī)及其他

設(shè)備的檢查，并做好使用登記，提高設(shè)備的完好率。六、3D打印機(jī)日常維護(hù)

1.對創(chuàng)客實驗室的打印機(jī)進(jìn)行編號統(tǒng)一管理，建立管理制度；23.3D打印機(jī)設(shè)備需放置在平穩(wěn)處，切勿摔碰以免影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

.設(shè)備的上蓋與前蓋容易劃傷，使用時請小心，注意輕拿輕放，不要有劃痕，影響美觀；

45678.該設(shè)備內(nèi)部裝置精密，在非專業(yè)人員指導(dǎo)下，請勿拆卸；

.設(shè)備后面電源插孔和串口插孔，注意防水；.平時使用顯示屏?xí)r，請不要大力擠壓，否則易使得顯示屏下陷；

.在經(jīng)常插拔SD卡時，請注意方式以免損壞設(shè)備；.打印機(jī)使用一段時間或長時間不使用之后，請在導(dǎo)軌上涂抹潤滑油，使設(shè)

備保持良好的工作狀態(tài)；91.在打印的過程中及加熱中請不要觸碰加熱平臺與噴頭，以免燙傷；

0.在取打印后的模型時，請小心輕拿，以免造成平臺不穩(wěn)。七、3D打印教室安全制度

123.按照誰使用誰負(fù)責(zé)的原則,實行防火安全責(zé)任制；

.STEAM教室禁止吸煙、使用明火和違規(guī)用電、保存易燃、易爆物品；.要經(jīng)常檢查防火和用電安全情況,發(fā)現(xiàn)不安全隱患及時采取措施予以消

除；4.遇有雷雨天氣,管理人員務(wù)必要關(guān)閉一切設(shè)備的電源,拔掉電源插座,以確

保人員及設(shè)備的安全；5.管理員每天下班前，最后離開STEAM教室時一定要關(guān)燈、關(guān)電、拉上窗簾、

最后關(guān)好門窗，切實做好防火、防盜工作；6.凡持有STEAM教室鑰匙者,必須鑰匙切實保管好,不得隨意亂放或借給無

關(guān)人員。如發(fā)現(xiàn)丟失,應(yīng)立即報告,并采取防范措施。八、總結(jié)

從長遠(yuǎn)點的角度來看，3D打印技術(shù)極有可能成為未來制造業(yè)的發(fā)展方向，并且促進(jìn)了傳統(tǒng)工業(yè)的變革，發(fā)展?jié)摿薮?。未來?D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)

出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。隨著3D打印技術(shù)的日趨成熟和