武汉外国语学校(430056) 黄 果
在新时代创新浪潮的冲击下,如何开展创新教育,培养创新人才成了学校教育新的命题。在教育部颁布的《教育信息化“十三五”规划》中,明确提出“要积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习(STEAM教育)、创客教育等新的教育模式中的应用,着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力”。STEAM教育作为一种培养未来综合性人才新的教育模式,能够增强学生的创新意识和创新能力。近几年来,STEAM教育的新模式已经逐步进入学校,但如何有效开展还是值得积极研究和探讨的新领域。
武汉外国语学校初中部为了顺应时代的发展,积极探索STEAM教育理念在社团活动中的应用。本文将具体讲解基于STEAM教育理念的3D打印笔绘图设计晴川桥模型的教学设计。
STEAM代表科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Arts)、数学(Mathematics)。STEAM教育就是科学、技术、工程、艺术、数学多领域融合的综合教育。有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式,STEAM是一种重实践的超学科教育概念。STEAM教育理念认为任何事情的成功都不仅仅依靠某一种能力的实现,单一技能的运用已经无法支撑未来人才的发展,而是需要多种能力的综合。STEAM的初衷即为了培养学生的学习能力,让学生从小具备科学思维,学会观察,学会提问,学会整理信息,提出假设,学会验证等,这些都是特别重要的学习能力。STEAM教育中五门学科的教学必须紧密相连,以整合的教学方式使学生掌握知识和技能,并能进行灵活迁移应用解决真实世界的问题。
根据以上的分析,为了提升学生对武汉这座城市的热爱,结合社团活动的开展实际,选择晴川桥模型为主题,具体阐述基于STEAM教育理念的3D打印笔绘图教学设计。
2.1.1 知识与技能目标
(1)熟练运用搜索引擎了解晴川桥,并用PPT呈现出晴川桥不同方位的图片和有关数据。
(2)学会参照晴川桥不同方位的图片,对晴川桥模型进行结构化拆分,细化成桥拱、拱间连接、钢索、桥面、桥墩,设计制作方案、应用抛物线方程设计桥拱和拱间连接纸膜。
(3)灵活使用3D打印笔照着纸膜绘制晴川桥模型的结构部件并进行粘合。
(4)使用斜口钳进行晴川桥模型的修模处理。
2.1.2 过程与方法目标
(1)通过搜索引擎的使用,提升学生信息意识及信息检索、获取、处理的能力。
(2)通过设计晴川桥模型的桥拱、拱间连接、钢索、桥面、桥墩的结构化拆分方案,应用抛物线方程设计桥拱、拱顶、拱底和拱间连接纸膜,提升学生问题解决的能力。
(3)通过用3D打印笔绘制晴川桥模型,培养学生创新精神及创新思维。
2.1.3 情感价值目标
在用3D打印笔绘图设计制作过程中,通过学生自主设计晴川桥模型结构化拆分方案,丰富设计体验,感受晴川桥的立体之美,提升对武汉这座城市的热爱之情。
3D打印笔通常以PLA、PCL塑料或光敏树脂为原材,挤出热熔塑料或光敏树脂,然后在空气中迅速冷却,最后固化成型。它可以在任何表面“书写”,甚至直接在空气中作画。3D打印笔不仅易于学生使用,又能寓教于乐,让学生获得创作的乐趣。学生可以利用3D打印笔设计、创造和表达他们自己。
本节课基于STEAM教育理念来进行跨学科整合的尝试,将数学知识与3D打印笔绘图设计进行整合,实现晴川桥的物化效果,在锻炼学生小组合作能力、创新精神、问题解决能力的同时,也培养学生热爱武汉这座城市、热爱生活的情趣。
我校3D打印社团成员都是对3D打印有着浓厚兴趣的七年级和八年级学生,他们还没有学习抛物线方程的知识,其中,七年级学生还没有学习坐标的概念。因为疫情的原因,社团活动2021年10月份才开始开展,七年级学生才开始接触3D打印笔。
(1)教学重点:应用抛物线方程设计桥拱、拱顶、拱底和拱间连接纸膜。
(2)教学难点:抛物线方程的应用。
2.5.1 引入——情境设置
课程导入:武汉有着三镇隔江鼎立的格局,有着“百湖之城”的美誉,桥成为了武汉人赖以生存、交流、沟通的必需。一桥飞架南北,天堑变通途。古人有云:“两水夹明镜,双桥落彩虹。”在武汉市,就有着这么一座“彩虹桥”。大家可能都想到了,此桥名为晴川桥,位于汉江与长江的交汇处,名字取自唐朝诗人崔颢的“晴川历历汉阳树”。今天,我们将用3D打印笔制作晴川桥模型。
2.5.2 探究——小组探究确定方案
学习任务单(一):使用搜索引擎了解晴川桥
(1)学生根据学习任务单(一),使用搜索引擎查找有关晴川桥的图片资料和数据资料,完成晴川桥长度、拱肋跨度、拱高的数据填写,制作呈现晴川桥不同方位图片的PPT;
(2)课前学生自由分组,组员为4名学生,教师引导学生利用网络查找的相关资料绘制晴川桥模型的结构图,并进行模块化分解,小组探究3D打印笔制作晴川桥方案;
(3)不同小组交流方案设计,师生共同讨论制定3D打印笔制作晴川桥模型的方案,学生提出桥拱的设计需用到抛物线知识。
2.5.3 解释——抛物线方程应用
(1)组织学生观看微课“坐标的概念”“二次函数基础知识”,教师巡查,对学生进行有针对性地讲解;
(2)要求学生完成学习任务单(二):晴川桥函数题,教师指导帮助学生。
学习任务单(二):晴川桥函数题
晴川桥是一座下承式钢管混凝土系杆拱桥。它犹如一道美丽的彩虹跨越汉江,是江城武汉的一道靓丽景观。桥的拱肋ACB视为抛物线的一部分,桥面(视为水平的)与拱肋用垂直于桥面的系杆连接,拱肋的跨度AB为280 m。以AB所在直线为x轴,抛物线的对称轴为y轴建立如图1所示的平面直角坐标系。
图1 晴川桥函数题模型
已知抛物线的解析式为y=ax2+c,A点坐标为(-140,0),B点坐标为(140,0),C点坐标为(0,56),求a,c的值。
2.5.4 迁移——3D打印笔制作晴川桥
(1)学生根据学习任务单(二)求解的抛物线方程解析式,完成学习任务单(三):x,y数值的计算(见表1),教师指导帮助学生。
表1 x,y数值表
(2)教师发放x,y值数值表(见表2),学生对照此表检查自己计算出来的数值是否正确,学生根据x,y值数值表在坐标纸上等比缩小1 000倍画出桥拱的纸膜图(见图2)。
图2 晴川桥的纸膜图
表2 x,y值数值表
(3)小组成员根据自身风格研讨分工:桥拱制作、拱顶制作、拱底制作、拱间连接制作、桥面设计描点、模块部件粘合、桥墩粘合,拍照、交流成果PPT制作。
各小组学生利用自己设计的纸膜,用3D打印笔绘制桥拱部件,小组分工完成晴川桥的各个模块并进行粘合成立体物件(见图3)。小组之间分享绘制桥的部件、粘合的方法,听取同伴及教师的建议,修改作品。
图3 作品实拍
2.5.5 评价——交流分享评价
各个小组用PPT展示3D打印笔制作晴川桥模型的心得体会,师生评选出最佳制作奖、最佳设计奖、最佳建议奖、最佳团队奖、最佳参与奖,让每个小组都得到肯定和鼓励。
教师可通过观察、参与小组合作等方式了解学生完成作品过程中的表现,提供评价量表,进行自我评价和小组互评。自评表主要体现过程性评价,互评表偏重结果性评价。晴川桥模型制作过程评价表、晴川桥模型评价表分别见表3和表4。
表3 晴川桥模型制作过程评价表
表4 晴川桥模型评价表
用3D打印笔绘制桥拱的过程中,因桥拱跨度达到28 cm,需要学生对3D打印笔的使用有较强的掌控能力,对线条的连贯性、均匀度、填充完整和平滑度要求较高。我校3D打印社团活动是七八年级学生一起进行,在活动开展的过程中,因疫情原因,七年级学生仅仅会用3D打印笔,八年级学生因使用3D打印笔做过一些作品,较为熟练,因此整体比七年级学生绘制效果要好。今后,可以将七年级学生先培训几次3D打印笔绘图设计,让他们掌握3D打印笔的使用后再开展此类活动。
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