STEAM教育中的3D技术

【摘要】：本文介绍了3D技术在STEAM教育中的应用，强调了3D建模和3D打印作为一种创新方法在实现跨学科学习模型方面的作用。研究主要按照以下步骤进行：准备设计详细的3D蒸汽机车模型；分析流程困难；让学生和讲师使用来自实体几何的基本基元执行特定的建模任务，以及使用问卷来分析和评估3D建模领域参与者的技能和知识。目标是展示3D技术整合在教育环境中的作用，培养学习者的关键技能和知识。

【关键词】：3D建模；3D打印；STEAM 研究 ；创新

我们生活在一个技术持续快速发展的世界，生活方式每天都在改变。对服务的需求以及在质量和经济效益之间取得平衡的需求在3D打印技术中找到了解决方案。3D打印机的发展始于1980年代，随着技术不断发展，3D打印已经达到了可用于生产细节和高质量物体的阶段。3D打印是解决问题的宝贵工具，也是未来劳动力的关键能力之一。将这项技术集成到教育课程中，学习者能够使用必要的设备创建自己的3D模型，并对自己的打印对象进行研究，这是一个将教育与设计和制造公司的真实工作环境联系起来的学习机会。

近年来，随着技术发展迅速，教育开始重视学习过程中不同学科之间的联系和关系。从这个角度来看，3D技术正在成为学习者关键能力发展的重要因素。本文介绍了3D建模在STEAM（科学、技术、工程、艺术和数学）学习方法中的应用分析过程，并依次开展了下列三个阶段的研究：

（1）由老师准备设计3D模型并分析在工作场所使用对象时遇到的流程困难；

（2）为学生和讲师提供执行3D建模任务的机会；

（3）问卷分析和评估参与者在3D建模领域的技能和知识。

在进行3D技术在STEAM教育中融合的研究之前，研究者使用Autodesk 3ds Max设计了一个3D蒸汽机车模型并将FDM（熔融沉积建模）技术作为使用最频繁的3D打印技术之一。该研究旨在通过挑战3D建模领域的参与者在有限的时间内使用不熟悉的3D建模软件执行一项简单的任务来评估3D建模领域的参与者的技能和能力。参与者被分配了一项3D建模任务，即在建模软件Blender的帮助下使用来自实体几何的基本基元创建蒸汽机车。通过这种方式揭示3D技术在实际工作场所及各个领域的应用。在教育环境中，学习者可以熟悉3D建模和3D打印技术，并尝试通过STEAM方法打印更复杂的模型。

2.1 3D建模过程

在进行研究之前，使用Autodesk 3ds Max创建一个用于教育目的的蒸汽机车的3D模型。在开始对象构建之前，对不同机车资料以及模型的组件进行了研究，以实现对象在三维空间中的准确可视化。在蒸汽机车项目中，选择了Cylinder基元作为程序中与此组件最近的对象。然后将3D对象转换为可编辑多边形，并在建模过程中根据各个元素的操作使用各种修饰符、工具和功能。在设计3D蒸汽机车模型时，为了实现物体的正确可视化，在三维空间中从不同的视角对物体进行操作，如图1所示。

图1使用Autodesk 3dsMax制作的蒸汽机车3D建模项目

在数字环境中设计3D对象后，使用3D建模软件将蒸汽机车模型导出为.stl文件，以便在下一个3D打印阶段使用。在进入物体的切片阶段之前，3D打印机应用最广泛的3D打印技术之一FDM（熔融沉积建模），通过从底部向上逐层加热和挤出热塑性细丝来制造物体。切片软件将CAD模型分成几层，然后3D打印机将热塑性材料加热到熔点以上，并沿着计算的路径通过打印区域的喷嘴将其挤出，如图2所示。打印机将从计算机加载的给定对象的尺寸转换为X、Y和Z坐标，并沿计算路径打印它。当每一层完成后，底座降低开始构建下一层。于是进入将模型导入切片软件的阶段，3D对象的切片过程有效地将3D图像转换为打印机可以理解的代码。当模型的切片过程完成后，可以使用图层滑块和模拟视图查看打印件的预览，这些滑块和模拟视图用于检查3D打印碎片结构的重要元素。蒸汽机车打印对象的整体构建过程，包括在Autodesk 3ds Max软件中建模、导出为.stl文件、将文件导入Ultimaker Cura切片软件、形成层和生成支撑结构以及可视化打印的各个阶段，都在图3中逐步演示。切片软件生成G代码并将其发送到连接的3D打印机。因此，3D打印机读取软件提供的路径，以便正确执行打印过程。这些路径由几何指令以及打印速度和温度分析指令组成。

图2 熔融沉积建模（FDM）

图3 蒸汽机车3D打印项目流程

该项目在STEAM教育中具有广泛的发展领域，其理念是以跨学科和应用方法跨科学、技术、工程、艺术和数学五个学科进行集中学习。项目和程序的创建理念是整合数学、计算机图形学和物理学等学术科目。在这种情况下，跨学科整合水平的目标是通过与固体几何领域的数学模型研究及其在3D计算机图形学中的广泛应用相关的主题向学生展示这三个学科之间的相互作用，并执行创建蒸汽机车3D模型的实际任务，以及研究其各个组件的功能。通过将STEAM活动整合到学术领域，学生有机会发展适应动态发展的技术环境所需的技能，例如创造性思维、批判性分析、团队合作和主动性，这为他们在学校和现实生活中的成功奠定了坚实的基础。

3D打印不仅可以以最低的成本和高质量实现更快的生产，还可以解决问题和培养未来劳动力的关键能力。从这个角度来看，将技术整合到培训课程中，学习者可以使用必要的设备创建3D模型，并对自己的打印对象进行研究。图4显示了蒸汽机车的3D打印对象。该模型与其他如招标、货车、火车站、轨道、山地景观等组件可以应用于创建全面的铁路建模项目。因此，该项目适合儿童使用3D打印技术以经济和创新的方式创建模型。在STEAM教育的背景下，儿童可以对蒸汽机车打印、3D建模和切片的过程进行深入研究，对技术的优缺点进行比较分析，尝试打印更复杂和详细的模型。

图4 采用ABS材料的蒸汽机车3D打印项目

2.2 研究“3D技术在STEAM教育中的应用”

2023年2月，开展了“STEAM教育中的3D技术”科学研究，参与者将执行3D建模任务并完成问卷调查。该研究的目标受众包括某大学数学与信息科学学院的学生和讲师，以及某数学高中的学生和教师。该研究旨在强调将3D技术整合到STEAM教育中的重要性。该研究基于跨学科（科学、技术、工程、艺术和数学）聚焦学习的理念，其目标可概括如下：

（1）让参与者执行一项任务，设计蒸汽机车的3D模型，使用Blender作为不熟悉的3D建模软件，使用来自实体几何的基本基元;

（2）通过问卷调查评估参与者在3D建模领域的技能和能力，以分析他们的知识和对分配任务的自我评估。

参与者面临的挑战是完成“使用Blender创建3D蒸汽机车模型”任务，即在有限的时间内使用以前不熟悉的计算机图形软件创建一个3D模型。他们获得了对象的引用和有关程序的信息，以及设计模型的指南。将3D技术，特别是3D建模和3D打印融入STEAM教育，与TPACK（技术-教学法-内容知识）框架高度契合，该框架强调了技术知识（TK）、教学法知识（PK）和内容知识（CK）之间的内在联系。因此，我们采用TPACK理论框架构建了本研究的调查问卷，该问卷包含23道封闭式问题，分为七个部分。问卷涉及教育、科学、艺术、STEAM和3D建模等多个主题，旨在评估受访者在研究方面的知识和自我评价。TPACK在构建针对参与者的问卷问题中发挥了关键作用，因为它揭示了技术、教学法和内容知识之间的互联性，并聚焦于硬件和软件、数字素养、教学策略、评估技术、学科整合、课程一致性、有效整合、适应性、数字内容创建、内容增强、内容传递和问题解决方法等关键特征。

本研究中成功完成任务的总人数为10人，填写问卷的参与人数为115人。其中，男性受访者31人，女性受访者84人，参与者的性别数量存在显著差异。然而使用统计软件SPSS以性别作为二分类分组变量，对独立样本进行了独立样本T检验之后得出的结论是：就单个问题而言，两组的意见在统计学上不存在显著差异。

3.1相关分析

研究者借助相关分析研究变量之间的相关性，通过比较一对或多对变量之间的相关系数建立它们之间的统计依赖关系。研究者选择调查问卷中的7个问题，并使用SPSS对样本数据进行了相关性分析，以探究这些问题之间是否存在关系。表1所示的相关矩阵显示了所有探究关系的指标之间的皮尔逊相关系数（Pearson Correlation）和双尾显著性水平（Sig. (2-tailed)）的值。结果表明X1与X6、X3与X5、以及X4与X5这三对变量之间呈现负相关。

在其余变量对中，一个变量的增加与另一个变量的增加相关联，这是基于系数为正号所得出的结论。同时，也考虑了系数的绝对值。绝对值越大，两个变量之间的相关关系就越强。在X3和X4这对变量的关系中，观察到了基于绝对值计算出的最高程度的相关性，其相关系数|R|为0.645。对于其余变量对，研究者根据一定标准得出了弱相关或不相关的结论。

通过检验关于总体系数值的原假设和备择假设，以及关于变量之间相关关系的假设对系数进行显著性检验。

首先，在按照相关程度降序排列得出具有统计显著性的结果后，结果显示变量X3和X4之间的相关程度最高，其相关系数|R|为0.645，且它们之间的关系具有统计显著性。因此，调查参与者在回答以下问题时强烈认同所述观点：“在3D建模中，我发现数学模型（如基本体、曲线、对称性等）在3D艺术中的应用”和“我认为3D建模可以应用于数学课，以可视化简单和复杂的立体几何对象”。受访者认识到数学模型与3D建模过程之间的依存关系，并将3D建模真正融入数学课视为解释立体几何对象的关键方法。

其次，研究者发现尽管变量X6和X7之间的相关系数|R|为0.436，表明它们之间的相关程度较弱，但这两个变量在统计上仍具有显著性。对于问题“在未来的工作中，我很高兴能将3D建模任务融入教育过程。”和“我认为教育现在应该和未来一样，侧重于STEAM方法。”的回答表明，这两种观点是相互关联的。可以理解为，未来的教育不仅应侧重于STEAM方法，还应包括在教育过程中实施3D建模。关于问题“我认为3D建模可以应用于数学课，以可视化简单和复杂的立体几何对象。”和“我认为教育现在应该和未来一样，侧重于STEAM方法。”的回答，变量X4和X7之间的关系也得出了相同的结论。

研究的另一个有趣方面是基于年龄段考虑参与者的意见。在图5中，展示了一个簇状条形图，其中选择了一个问题：“在3D建模中，我发现数学模型在3D艺术中的应用：基本体、曲线、对称性等”。各年龄段的调查参与者人数如下：97人（16-21岁）、6人（22-27岁）和12人（28岁及以上）。结果显示，就这一问题而言，受访者普遍持积极态度。所有年龄段的回答都是“非常同意”和“同意”，这表明参与者认可数学模型在3D艺术中的应用。

图5 簇状条形图

通过查看表1中变量X1和X3之间的相关性，进一步证实了这一结果。研究者观察到年龄与特定问题之间存在关系，尽管相关系数值为|R|=0.245，但基于Sig.=0.008的值，该相关性具有统计显著性，满足Sig.<α的条件。

表1 相关分析

3.2聚类分析

聚类分析是计算机科学和数学建模中的一个概念，它指的是对一组不同的对象进行分组，使得与其他聚类中的对象相比，同一组中的对象彼此更相似。根据研究目的，研究者使用SPSS对样本中的数据进行了层次聚类分析，K-means聚类分析以及两步聚类分析。

通过解读层次聚类分析得到的树状图结果发现簇的数量为三，这是由确定样本数据中聚类分布的红色垂直线的位置所指示的。通过K-means聚类分析研究者得出结论：所有变量在统计上都是显著的，因为满足条件Sig.<α。因此，对于所选问题，各个聚类之间存在差异，并且所有变量在数据区分中都发挥着关键作用，从而使得每个聚类包含相似的元素，但聚类组本身在一定程度上存在差异。形成了三个聚类，元素分布如下：39、61和15。这三个聚类的平均值也存在差异，并且所有变量都对聚类的形成有影响。根据两步聚类分析生成的聚类大小分别为：每个特定聚类有36、58和21个对象，这些数值在某种程度上与K均值聚类分析生成的数值相似。考虑到两步聚类分析中关于各个问题重要性的信息，我们可以得出结论，如表2所示，年龄对聚类形成的影响最大，其次是其他问题。

表2 预测变量重要性（Pr. Imp.）

本文的重要性在于它关注整合3D技术在STEAM教育中的作用。通过进行科学研究，提出了3D建模和3D打印作为实现跨学科学习模型的创新方法。该研究包括以下阶段：准备设计详细的3D蒸汽机车模型；分析流程困难；让学生和讲师使用实体几何的基本基元执行特定的建模任务，并制作一份问卷来分析和评估3D建模领域参与者的技能和知识。

本文逐步讨论了使用Autodesk 3ds Max作为专业计算机图形软件创建用于教育目的的3D蒸汽机车模型的整个过程，并介绍了当今使用最广泛的3D打印技术之一FDM技术。该研究的目的是让参与者在有限的时间内使用不熟悉的3D建模Blender软件完成一项非复杂的对象建模设计任务。问卷内容与TPACK的概念相关，涵盖教育、科学、艺术、STEAM和3D建模等领域的主题，并侧重于参与者的自我评估。借助统计软件SPSS分析研究数据，结果表明，参与者发现数学模型与3D建模过程之间存在密切联系，数学课程中的3D建模的真正集成是解释实体几何中对象的关键方法。此外，教育不仅应关注STEAM方法，还应该3D建模整合到学习过程中。

通过这种方式，在教育环境中，学习者将熟悉3D建模和3D打印技术，并尝试通过STEAM方法打印更复杂和详细的模型，旨在通过跨学科学习模型发展关键知识和技能。建模和打印作为3D技术为它们集成到实际工作环境中提供了可能性，并有望在模型开发过程中将创建的对象原型应用于各个领域。特定的技术有助于在生产过程中实施新方法。所介绍的项目未来发展前景包括使用不同的3D打印技术和材料进行模型打印实验，以及对获得的结果进行比较分析。

查阅原文：本文是Ivaylo Staribratov 和 Nikol Manolova学者于2024年发表于Discover Education的论文。

DOI：https://doi.org/10.1007/s44217-024-00181-z