基于虚拟仪器和3D打印的STEAM教育体系设计

    高晗煜 张育谦 齐金灿 荆振国

    

    

    摘? 要 通过调查研究，分析steam教育现状，探究虚拟仪器、Arduino和3D打印在教育领域的优势，设计出基于虚拟仪器和3D打印的STEAM教育体系，并通过展示教育方案和资源包的样例，说明该体系在STEAM教育中的重要意义。

    关键词 虚拟仪器;3D打印;STEAM教育;机器人教育;Lab-VIEW;Arduino

    中图分类号：TP391.9? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）14-0036-04

    STEAM Education System Design based on Virtual Instrument and 3D Printing//GAO Hanyu， ZHANG Yuqian， QI Jincan， JING Zhenguo

    Abstract Through the research， this paper analyzed the current situ-

    ation of STEAM education， explored the advantages of virtual instru-

    ment， Arduino and 3D printing in the field of education， designed a

    STEAM education system based on virtual instrument and 3D prin-

    ting， and illustrated the significance of this system in STEAM educa-

    tion by showing a sample of educational programs and resource packs.

    Key words virtual instrument; 3D printing; STEAM education; ro-bot education; LabVIEW; Arduino

    1 STEAM教育现状

    为了更好地培养学生的创造性思维和创新力，近年来，很多新式教学课程模式在我国流行起来，如云课堂、慕课、翻转课堂等。STEAM教育也正在逐渐融入我国教育之中，为我国教育从应试培养向素质教育转变提供了有力的帮助。

    20世纪80年代，美国人提出STEM教育，包含Science、

    Technology、Engineering、Mathematics四个学科，即科学、技术、工程、数学，旨在使儿童从小就接触创造、创新、科学技术能力的培养。之后，STEM教育在原本四科上加入Art（艺术）学科。融合了新的学科，STEAM教育就诞生了。STEAM教育通过跨学科的方式，促进学生对不同领域的知识进行整合，解决综合问题，从而培养学生创造、创新性的解决问题的能力[1]。

    国内外STEAM教育现状? STEAM教育在国外主要集中于发达国家，比如美国和英国，美国甚至设立了专门的STEAM中学。在STEAM中学，学生可以自主申请项目经费来开展项目，同时可以受到相关专家的指导。并且学校还设立了大学先修课程，方便能力强、成绩优秀的学生进一步提升自我，从而极大提高学生的知识水平、创造力以及创新能力[2]。

    在国内，STEAM教育中的程序设计类、媒体类软件课程在中小学已经较为广泛，以信息技术和通用技术课程为主。例如：向东和毛爱萍依托儿童编程软件，创造了多媒体艺术创作课程;谢作如凭借Arduino平台开发了通用技术课

    程;吴俊杰也针对中小学生推出人工智能课程[3]。

    现在比较热门的是STEAM机器人。近年来，随着基础教育新课程改革的逐步推进，机器人教育在我国的一些中学中正在加速发展。但客观来说，我国的机器人教育仍然处于初级阶段，普及率不高，而且大部分都以功利性的竞赛为主，在实验中侧重机械的模仿，在教育目标上却重基础轻应用;在内容上侧重于学科，重技术轻综合;教育理念支持不足，一直没有提出教育理念和准则，机器人教育无法更加深入地开展;而且机器人教育分布与发展不平衡，西北地区相对于沿海发达地区起步较晚，相关的教学活动很少。

    随着我国新课程改革的实行，各学科教学中涌现了越来越多的新型教育技术，STEAM教育也逐渐进入正式教学视野。在实际应用中，STEAM教育除了可以依托Scratch等软件，还可以依托Arduino等电子平台、机器人技术、图形化编程软件、3D打印技術等硬件技术。假使STEAM教育能够被正式纳入学校教学中，学生的创新能力以及综合素质的提升都将极大获益。

    现阶段STEAM教育中存在的问题? 当前比较流行的STEAM教育和机器人结合的例子有乐高机器人和小米的米兔机器人，都是利用机器人教育与STEAM教育融合，使学生能够在中小学就得到综合素质的提升。而它们刚刚兴起，还不是一个完全成熟的体系，乐高机器人和小米的米兔机器人的主控模块ARM9和Cortex MX的性能比较基础，一些复杂的功能不能轻易地实现，无法让学生从STEAM教育中获得足够多的成就感。在编程模块上，如米兔机器人使用的语言虽然简单，但是由于结构过于单一，也无法很好地实现更为复杂的功能。

    同时，主流的创新积木，由于都是用的现成的积木，不能发挥自己的创造力自定义积木部件，做出来的作品较为重复单一，不能持续更新。并且由于品牌效应，主流的STEAM机器人价格高，动辄几千元，这为开展STEAM教育带来更多的经济成本，使普通家庭难以承担相关的费用。

    2 基于虚拟仪器和3D打印的STEAM教育

    虚拟仪器与Arduino在教育领域的优势? 虚拟仪器是基于计算机的仪器，主要是指将仪器装入计算机，以计算机硬件及操作系统为基础，实现现实世界中的仪器功能。

    LabVIEW（实验室虚拟仪器工程平台）是一种程序开发平台，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于Python开发环境。但是LabVIEW与其他程序语言有一个显著不同：一般的程序代码都是基于文本、文字，而LabVIEW是基于图形化编辑语言G语言，呈现出的外观是程序框图。因此，对学生来说，LabVIEW操作难度很小，易上手。

    Arduino作为一款便捷灵活、功能强大的开源电子原型平台，能通过各种各样的扩展元件与传感器来感知外界，通过控制LED、电机、发射管和其他的部件来反馈、作用于外界。

    而LabVIEW和Arduino能够通过串口通信、无线通信等多种方式进行通信，将程序烧录进微控制器，从而达到使用LabVIEW控制Arduino的目的。于是使用LabVIEW，通过图形化的编程对一些复杂过程的封装，对以往繁杂的编程过程进行简化，就可以使完全没有编程经验的中小学生通过简单的拖拽即完成原本很困难的编程任务，对自己拼接的以Arduino为控制器的积木结构装置进行复杂控制，大大打破原来STEAM教育在技术上的限制，让学生可以发挥天马行空的想象力，做出真正想做出的作品。

    同时，由于没有市面上一些商业品牌的利益限制，并且满足本项目需要的LabVIEW大众版目前针对k-12（即中小学）STEAM教育目的是可以免费下载使用的，因此，使用虚拟仪器与Arduino的教育成本很低，教师可以将更多的金钱和精力放在对课程的优化上。

    3D打印在教育领域中的优势

    1）定制成本低。3D打印的制造柔性高，各种形状材料的部件可以在一台打印机中完成制造。这种制造柔性既能满足教育中的大量定制需求，又只需要付出极地的成本。在课堂教学中，教师需要一些个性化的复杂教具，如心脏模型、小型机械结构、地形展示;在学生的自主实验与竞赛中，学生在作品开发过程中需要快速制造出实物用于实验验证或者作为作品的一部分。这些需求都是分散、单次、少量、个性化的，若是让传统制造工厂完成，其获得成本难以接受。因此，定制成本低是3D打印在教育领域的首要优势[4]。

    2）自由度高。很多原有的创新教育方式都是在条框和既定规则之下按照已有的模块进行组合，组合数量和自由度有限。而通过3D打印技术的设计，学生可以拥有极大的自由度，在符合物理定律的基础上，打印自己想要实现的所有模块。

    3）拓宽学生的空间设计与创造性思维。学生在进行3D打印课程入门时，首先需要学习的就是建模技术。在设计过程中，学生需要不断对设计好的模型进行修改并进行可行性评估，最终得到满意的文件。这整个过程就是一个对学生的设计思维和创新能力进行一次次更新的过程，3D打印技术有利于激发学生的创造激情。

    4）制造时间短。3D打印制造工艺链很短，一步到位，现代的桌面3D打印机制作一个复杂的部件只需数小时。

    3 基于虚拟仪器和3D打印的STEAM教育体系组成

    教育资源的组成? 教育资源是为教学的成功举行准备的一切可利用的材料，包含图片、电子文稿、课件、视频、程序源代码等虚拟材料，也包括纸质学案、单片机、积木、电路板等实体材料教材。

    在基于虚拟仪器和3D打印的STEAM教育资源的组成中，笔者以能够在教学活动中被有效利用为条件，将资源分为学生使用的学生方资料（包括套件清单、组装样例、导学案、课中小题等）、教师使用的教师方材料（包括教学流程参考、量化调查表、套件教程等）以及创作资源（包括3D打印机，PLA、ABS等耗材，基础套件，Arduino开发板，计算机，导线等），如图1所示。

    并且，由于不同年龄段学生的接受能力和操作能力不同，笔者将教育体系分成6～10、10～14、14+三个年龄段的不同方案，设定每个方案的教学目标。

    6～10版本：使用Tinkercad和简单的打印元件让学生初步形成3D设计与组装的理念和编程的思想，在趣味中成长。

    10～14版本：使用Tinkercad、LabVIEW、Arduino让学生从图形化编程入手，学习设计的理念，在趣味中学习。

    14+版本：使用Fusion 360建模，使用Arduino IDE编程，让学生在较为复杂的建模、打印、动手和编程中锻炼逻辑思维，学习十分有用的单片机技术，在十足的挑战性与成就感中获得全方面提升。

    6～10岁的教学方案

    1）学生方资料：对应资源模块的基本组装指南、实验报告、导学案、Tinkercad使用教程、Tinkercad样例。

    2）教师方资料：创作资源清单、教学流程参考、6～10岁教案、匿名量化调查表、多媒体课件、机械装置组装教程（视频+PDF）、Tinkercad使用教程（视频+PDF）。

    3）创作资源：3D建模网站Tinkercad，3D打印机，PLA、ABS等打印耗材，提前打印好和购置好的基本部件，计算机。

    4）教学方式：教师教授学生如何组装基本的原件及其组装原理，带领学生使用Tinkercad设计简单的3D模型并引导学生将其打印出来，从而改进已有的模型或者创造新的模型。

    10～14岁的教学方案

    1）学生方资料：机械模块的基本组装指南、Arduino入门卡片、LabVIEW入门卡片、实验报告、导学案、Tinker-

    cad使用教程、Tinkercad样例。

    2）教师方资料：创作资源清单、教学流程参考、10～

    14岁教案、匿名量化调查表、多媒体课件、机械装置组装教程（视频+PDF）、Tinkercad使用教程（视频+PDF）、Arduino基础知识文件（PDF）、LabVIEW详细教程（書本）、已设计好的模块化LabVIEW子VI说明（PDF）。

    3）创作资源：3D建模网站Tinkercad，LabVIEW虚拟仪器软件，已设计好的LabVIEW子VI文件，Arduino开发板及其相关电子元件，3D打印机，PLA、ABS等打印耗材，提前打印好和购置好的基本部件，计算机。

    4）教学方式：教师教授学生使用Tinkercad设计简单的3D模型并引导学生将其打印出来，从而改进已有的机械模型或者创造新的模型;教授学生Arduino的基础知识与LabVIEW的部分操作，使学生可以通过对已设计好的子VI进行拖拽，控制由Arduino控制的自己设计组装的模型。

    14+岁以上的教学方案

    1）学生方资料：Fusion 360知识卡片、Arduino知识卡片、LabVIEW入门卡片、实验报告、导学案。

    2）教师方资料：创作资源清单、教学流程参考、14+岁教案、匿名量化调查表、多媒体课件、机械装置组装教程（视频+PDF）、Fusion 360使用教程（视频+PDF）、Ar-

    duino完整知识文件（PDF）、LabVIEW详细教程（书本）、已设计好的模块化LabVIEW子VI说明（PDF）。

    3）创作资源：Fusion 360建模软件，Arduino IDE编程软件，Arduino开发板及其相关电子元件，3D打印机，PLA、ABS等打印耗材，提前打印好和购置好的基本部件，计算机。

    4）教学方式：教师教授学生使用Fusion 360设计3D模型并引导学生将其打印出来，从而改进已有的机械模型或者创造新的模型;边教授学生LabVIEW子VI的使用边教授Arduino的用法，使学生最终可以通过对Arduino进行编程来控制自己设计的模型。

    整体的教育体系如图2所示。

    4 基于虚拟仪器和3D打印的STEAM教育方案和资源包案例

    在基于虚拟仪器和3D打印的STEAM教育体系中，笔者设计了对应14+岁学生的一套自由度很高的“智能矿山车”主题的12学时STEAM课程和资源包，具体内容如下。

    资源内容

    1）学生方资料：Fusion 360知识卡片、Arduino知识卡片、LabVIEW入门卡片、实验报告、12学时逐课导学案。

    2）教师方资料：创作资源清单，教学流程参考，12学时逐课教案，匿名量化调查表，多媒体课件，矿山车组装教程（视频+PDF），Fusion 360使用教程（视频+PDF），Arduino完整知识文件（PDF），LabVIEW详细教程（书本），蓝牙遥控、超声波避障、循迹等LabVIEW子VI说明（PDF）。

    3）创作资源：Fusion 360建模软件，Arduino IDE编程软件，Arduino开发板*1，电机*2，电池盒*1，扩展板*1，超声波云台，LED、红外接收、蓝牙通信等功能模块，3D打印机，ABS、PLA等打印耗材，提前打印好和购置好的矿山车外形积木部件一套，计算机。

    4）其他工具：多功能螺丝刀套装*1、5号电池*10、螺丝若干、电线若干、红外遥控器*1。

    教案大纲? 了解我们的智能小车→LabVIEW与Arduino初学和智能小车前后左右综合实验→智能小车指定花式动作→安卓手机蓝牙遥控、重力感应→超声波避障→红外遥控→循迹和3D打印初识→矿山车3D打印部件组装→自主编程改变运动方案→自主建模改进矿山车。

    方案在STEAM教育中的意义

    1）教师方意义。教师方材料中提供了对每一课时的全流程、与学生互动的时机和方式、教学速度都有详细介绍的教案，还包含教学中每一模块的详细教程，即使教师的教学经验比较缺乏、知识有缺陷，也可以根据教师方材料的指导，迅速、合理地开展教育。

    2）学生方意义。学生方资料中提供了简明的指南，有助于学生迅速了解整个课程的教学思路。而12学时逐课导学案使学生每堂课都可以在引导下进行自主思考。14岁以上的学生已经拥有不俗的学习能力，从图形化编程出发，初步过渡到代码编程、仪器组装、3D模型设计与打印，是一个由简到难、循序渐进的过程。在整个学习过程中，学生可以越学越轻松，越学越感兴趣，在完成整套课程后，即可在动手能力、空间想象能力、程序逻辑思维、创造力上全面大幅度提升。

    5 结语

    如果说计算机是人认识世界的工具，那么虚拟仪器和3D打印机则可以作为人改造世界的工具。在STEAM教育体系中，学生认识这个世界的途径不再是被动填鸭地从书本中吸纳知识，而是通过使用虚拟仪器、3D打印这样的技术，主动、积极地去认识、探究甚至创造实物、改造世界[5]。学生在平台中基于项目学习，通过硬件与软件技术解决实际问题，在团队协作中综合运用知识，提升科学、技术、工程、艺术、数学的素质，真正体现创新素质教育重视的能力提升，这无疑是学生创新素养培育和发展的保障，也是STEAM教育和创新型人才培养所要实现的目标[6]。■

    参考文献

    [1]李俊佐，黄远春.浅析STEAM教育现状与发展[J].新教育时代电子杂志（学生版），2017（1）：9-10.

    [2]正非.STEM中学：孕育美国“科学、技术、工程和数学”创新人才的摇篮[J].中国民族教育，2013（3）：43-45.

    [3]傅骞，王辞晓.当创客遇上STEAM教育[J].现代教育技术，2014，24（10）：37-42.

    [4]柏兴旺，杨林，潘风清.3D打印在高等教育中的应用优势分析[J].求知导刊，2016（26）：32-33.

    [5]高佳平，宋婷裊.3D打印的STEAM教育应用构建与透视[J].软件导刊：教育技术，2017（9）：82-84.

    [6]师保国，高云峰，马玉赫.STEAM教育对学生创新素养的影响及其实施策略[J].中国电化教育，2017（4）：75-79.