Chủ đề: Áp dụng khái niệm diện tích bề mặt và khối lượng để thiết kế đồ chơi xếp hình in 3D cho trẻ em

Phiếu học tập

Mục tiêu

Trong bài học này, học sinh sẽ tiếp cận in 3D bằng cách thực hiện một bài thử thách về thiết kế. Học sinh sẽ sử dụng các chương trình phần mềm Tinkercad và Cura để thiết kế và in một món đồ chơi xếp hình cho trẻ em. Các mục tiêu về giải quyết vấn đề và toán học có liên quan bao gồm áp dụng kiến thức về diện tích bề mặt và khối lượng trong quá trình thiết kế. Bài học đáp ứng các tiêu chuẩn sau:

Tiêu chuẩn khoa học NGSS

NGSS là từ viết tắt của “Next Generation Science Standards” là tổ chức chuyên xây dựng các chuẩn về yêu cầu khoa học trong dậy học thế hệ mới https://www.nextgenscience.org/. Trong đó có yêu cầu về MS-ETS1-1: Xác định các tiêu chí và yêu cầu bắt buộc của bài toán thiết kế với độ chính xác nhất định để đảm bảo giải quyết thành công, có tính đến các nguyên lý khoa học liên quan và sự tác động tiềm tàng đối với con người và môi trường tự nhiên mà có thể hạn chế các giải pháp khả thi.

Tiêu chuẩn toán học phổ biến

CSSS là viết tắt của (Common Core State Standards / Mathematics Standards ). Một tổ chức quốc tế chuyên xây dựng các chuẩn cho dạy học môn toán trong trường học http://www.corestandards.org/Math/.

  • CCSS. Khái niệm Toán.6.GA2: Tìm thể tích của hình lăng trụ chữ nhật với độ dài cạnh bên được chia đoạn bằng cách chèn kín nó với các khối lập phương đơn vị tương ứng với độ dài cạnh bên đã được chia đoạn và đưa ra thể tích tìm được bằng cách nhân chiều dài cạnh của hình trụ.  Áp dụng các công thức V = l w h và V = b h để tìm các thể tích lăng trụ chữ nhật đúng với độ dài cạnh được chia đoạn trong việc giải quyết các vấn đề thực tế và toán học.
  • CCSS. Khái niệm Toán.6.G.A.4: Thể hiện các hình khối không gian dưới dạng các cụm hình được tạo thành từ các hình chữ nhật và hình tam giác, và sử dụng các cụm hình để tìm diện tích bề mặt của các hình này. Áp dụng kỹ thuật này trong việc giải quyết các vấn đề thực tế và toán học.

Dụng cụ / Vật liệu

  • Đủ máy tính (mỗi máy đều có chuột riêng) có thể truy cập internet để học sinh làm việc theo nhóm từ hai đến bốn người.
  • Có thể truy cập Tinkercad (dựa trên internet)
  • Phần mềm Cura được cài đặt trên máy tính của mỗi học sinh.
  • Thẻ SD
  • Máy in 3D và một cuộn nhựa in 3D (Lưu ý: Chúng tôi sử dụng máy in 3D Ultimaker 2 trong lớp học. Có thể cần phải thay đổi quy trình nếu bạn sử dụng một loại máy in 3D khác.)
  • Biện pháp an toàn: Học sinh cần được hướng dẫn về các mối nguy hiểm tiềm ẩn khi sử dụng máy in 3D. Vì vòi phun của máy in nóng lên tới hơn 200 độ C và bệ máy nóng lên tới hơn 100 độ C, học sinh nên đeo găng tay và tránh chạm vào các bộ phận của máy in trong quá trình in. Ngoài ra, nên đeo kính an toàn, đặc biệt khi tháo các bộ phận khỏi bệ máy in.

Quy trình

Khởi đầu:

Trước khi giới thiệu dự án này, học sinh cần có hiểu biết cơ bản về máy in 3D là gì và cách sử dụng chúng để giải quyết nhiều vấn đề khác nhau, chẳng hạn như thiết kế chân tay giả phù hợp tùy chỉnh cho người khuyết tật.

Bạn nên phối hợp với giáo viên toán của mình để dạy học sinh các khái niệm hình học về diện tích bề mặt và thể tích. Tại trường của chúng tôi, hai giáo viên khoa học lớp sáu và hai giáo viên toán lớp sáu đã làm việc cùng nhau để thực hiện dự án với toàn bộ khối lớp sáu. Các giáo viên toán đã dạy học sinh các khái niệm hình học có liên quan và các giáo viên khoa học đã hướng dẫn học sinh về quy trình in 3D và công dụng của Tinkercad và Cura.

Phần chính:

1. Giới thiệu cho học sinh phần mềm thiết kế được sự hỗ trợ của máy tính (CAD). Giải thích cho học sinh rằng đối với dự án này, họ sẽ sử dụng Tinkercad, một chương trình phần mềm CAD dựa trên internet, để thiết kế mô hình 3D của đồ chơi xếp hình dành cho trẻ em. Lưu ý, có thể sử dụng các chương trình phần mềm CAD khác. Chúng tôi lựa chọn Tinkercad vì nó có thể thực hiện trên internet (do đó, học sinh có thể làm việc với dự án của họ ngay khi ở nhà) và miễn phí. Ngoài ra, Tinkercad còn đưa ra những bài hướng dẫn phù hợp cho học sinh trung học cơ sở để học những kiến thức cơ bản về thiết kế sự hỗ trợ của máy tính.

2. Chỉ định các nhóm gồm hai đến bốn học sinh (chúng tôi đã chỉ định các nhóm gồm ba học sinh). Yêu cầu mỗi học sinh tạo một tài khoản trên Tinkercad, và sau đó dành ra một đến hai tiết học để học sinh thực hành với các bài hướng dẫn của Tinkercad. Bạn có thể chọn chỉ định các bài hướng dẫn cụ thể (“Die from Scratch” là một lựa chọn tuyệt vời) hoặc cho phép học sinh chọn bài hướng dẫn mà họ cảm thấy phù hợp nhất đối với dự án thiết kế mà họ được giao. Một số học sinh sẽ nhanh chóng tiếp thu các kỹ năng cần thiết để thực hiện thành công, trong khi những học sinh khác sẽ cần sự giúp đỡ từ giáo viên hoặc các học sinh khác. Khuyến khích học sinh thực hành tại nhà với các bài hướng dẫn nếu họ cần luyện tập thêm.

3. Khi học sinh cảm thấy tự tin với khả năng sử dụng chương trình Tinkercad, hãy cho phép họ bắt đầu thiết kế đồ chơi xếp hình của mình. Chúng tôi đã yêu cầu mỗi nhóm nộp “Bản thiết kế dự án” của họ và Giấy xin phép thực hành trên các phiếu học tập (xem phiếu học tập đính kèm) để thể hiện kế hoạch cho đồ chơi xếp hình của họ, sau đó chúng tôi phê duyệt trước khi cho phép các nhóm bắt đầu tạo phiên bản kỹ thuật số trên Tinkercad. Tùy thuộc vào mức độ kỹ năng của học sinh và kinh nghiệm của họ với phần mềm CAD, bạn có thể đưa ra các mức độ đối với yêu cầu của thiết kế. Ví dụ, đối với những học sinh ít kinh nghiệm hơn, bạn có thể hướng dẫn họ chỉ tạo các hình dạng đồ chơi xếp hình và sau đó họ có thể trang trí chúng bằng tay với các loại bút không xóa được. Đối với những học sinh có nhiều kinh nghiệm hơn, bạn có thể yêu cầu họ tăng kích thước của các bộ phận theo tỷ lệ nhất định (ví dụ: 1: 2: 3 và sau đó tính toán xem việc này sẽ ảnh hưởng đến khối lượng của các bộ phận xếp hình như thế nào). Đối với các học sinh của chúng tôi, chúng tôi cho phép họ chọn lựa giữa trang trí các bộ phận bằng tay và thiết kế chúng trên Tinkercad, nhưng tất cả các đội đều chọn tùy chọn Tinkercad và đã thành công khi thực hiện. Mặc dù cả ba phần xếp hinh có thể được tạo trên một tệp Tinkercad, chúng tôi khuyên bạn nên tạo ba tệp riêng biệt để mỗi thành viên trong nhóm có thể làm việc đồng thời trên một bộ phận để các bộ phận có thể được in bằng các màu khác nhau, nếu muốn. Xem hướng dẫn chấm điểm bao gồm các tiêu chí chấm điểm cụ thể mà chúng tôi đã áp dụng.

4. Khi các nhóm đã thiết kế thành công các bộ phận xếp hình của mình, họ sẽ cần xuất các sản phẩm của họ từ Tinkercad sang file in 3D *.stl. Phần mềm Cura sẽ dùng các file này để in ra sản phẩm 3D. Hướng dẫn các đội về cách thực hiện bước này. Xem phần “Những việc cần làm khi bạn đã tạo thành công đồ chơi xếp hình của mình trên Tinkercad” kèm theo, để được hướng dẫn cụ thể và cung cấp cho mỗi đội một bản sao của tài liệu này. Ngoài ra, cung cấp đủ thẻ SD cho lớp để các nhóm lưu file *.stl của họ để in 3D. Chúng tôi đề xuất tối thiểu một thẻ SD cho mỗi đội để tạo điều kiện thuận lợi cho bước này.

5. Ngoài việc tạo các mô hình đồ chơi xếp hình trên Tinkercad và hoàn thành các bài tập cá nhân và bài tập nhóm trong thư mục nhóm của họ, hãy yêu cầu mỗi đội tạo một áp phích bao gồm lý do về việc lựa chọn chủ đề và đồ chơi, một bản vẽ mô phỏng đồ chơi của họ và cụm hình (có đánh dấu kích thước, diện tích bề mặt và thể tích đã được tính cho từng bộ phận) của đồ chơi của chúng.

Stacking Toy

6. Sau khi tất cả các mô hình kỹ thuật số, áp phích và tài liệu được phân công đã hoàn thành, hãy dành thời gian cho cả lớp tiến hành tham quan phòng trưng bày và tạo cơ hội cho các học sinh phản hồi về thiết kế và cách tính của các nhóm khác. Chúng tôi cũng yêu cầu mỗi học sinh nộp một “Phiếu tính toán” cá nhân (xem đính kèm) để đánh giá kiến thức của họ về các khái niệm toán học có liên quan và hoàn thành nhật ký phản hồi hàng ngày về tiến trình của họ đối với từng cá nhân của lớp.

7. Sau đó, bạn có thể chọn in mọi thiết kế của nhóm, hoặc yêu cầu lớp bỏ phiếu cho các thiết kế yêu thích của họ. Chúng tôi khuyên bạn nên lựa chọn phương án thứ hai vì thời gian và nguyên vật liệu đầu tư vào việc in ấn mỗi dự án là rất đáng kể. Chúng tôi đã cho mỗi học sinh một lá phiếu và yêu cầu họ bỏ phiếu cho các dự án yêu thích của họ. Vì chúng tôi có hai lớp học, mỗi học sinh đã bỏ phiếu cho các dự án của lớp khác để tránh bỏ phiếu cho các dự án của riêng họ. Sau đó, chúng tôi đã in các thiết kế được bầu chọn (mỗi lớp hai thiết kế) và tổ chức một buổi lễ “khánh thành” ngắn với sự kết hợp cả hai lớp, nêu tên những người chiến thắng và tặng đồ chơi xếp hình đã được in cho con của một giáo viên trong số chúng tôi mà tham dự buổi lễ. Những đứa trẻ rất thích phần này vì chúng được nhìn thấy sự thích thú của người được tặng đối với món đồ chơi mà chúng nhọc công thiết kế.

Kết thúc: Thảo luận kết thúc:

1. Trong cuộc thảo luận kết thúc này, hãy hỏi các câu hỏi của học sinh như:

  • Những khía cạnh nào của bài tập thiết kế này là dễ nhất, và khía cạnh nào là khó khăn nhất?
  • Những kỹ năng cụ thể nào bạn đã đạt được trong quá trình thực hiện thiết kế này và bạn có thể sử dụng những kỹ năng này ở đâu nữa?
  • Bài tập này giống và khác gì so với những thách thức về thiết kế mà các nhà khoa học có thể gặp phải trong đời sống?
  • Bạn có thể đưa ra ví dụ cụ thể về các vấn đề có thể được giải quyết bằng máy in 3D mà bạn nghĩ đến trong quá trình hoàn thành thử thách thiết kế này không?

2. Các hoạt động toán học mở rộng có thể bao gồm việc yêu cầu học sinh tính xem có bao nhiêu đồ chơi của nhóm họ phù hợp với một hộp có kích thước cụ thể hoặc yêu cầu học sinh tính thể tích của hộp nhỏ nhất có thể phù hợp với tất cả các bộ phận đồ chơi của họ.