基于工程設(shè)計(jì)過程的3D打印教學(xué)活動(dòng)模式探索

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(南京曉莊學(xué)院附屬中學(xué))

在深化教育改革、提倡創(chuàng)新的大背景下，創(chuàng)新教育以及STEAM理念不斷被人們關(guān)注和接受。在這些理念的推動(dòng)下，隨著能夠促進(jìn)學(xué)生設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新能力發(fā)展的3D打印技術(shù)的推廣，使得3D打印很快成為創(chuàng)新教育的新資源、新工具。各種政策的確立更是加快了3D打印進(jìn)課堂的步伐。因此為全面貫徹黨的教育方針，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，我校開設(shè)了3D打印校本課程，旨在探索新時(shí)代、新課程背景下，科技創(chuàng)新教育的新方法，同時(shí)也希望引導(dǎo)學(xué)生在3D校本課程中開展積極有效地思考、探索，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)素養(yǎng)。

一、STEAM、3D打印、工程設(shè)計(jì)

1.STEAM是什么

STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)英語首字母的縮寫。長(zhǎng)久以來這四門知識(shí)都是單獨(dú)教學(xué)的，缺乏整合，而STEM則強(qiáng)調(diào)四門知識(shí)的融合，而不是簡(jiǎn)單的相加。隨著課程的改革以及STEM教育實(shí)踐研究的開展，藝術(shù)(Arts)類課程也添加到STEM，形成了STEAM教育。雖然STEAM是一個(gè)較新的名詞，但是我們?cè)趯?shí)際生活中遇到的大多數(shù)問題都需要這幾門知識(shí)共同解決。

2.Steam與3D打印

3D打印是以3D設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的一門交叉性很強(qiáng)的綜合設(shè)計(jì)課程。任何一個(gè)設(shè)計(jì)都不是一蹴而就的，也不是孤立的，它需要你去了解它所處的環(huán)境、功用及與之相關(guān)的背景知識(shí)，同時(shí)還要融合數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程等知識(shí)，以錘煉出它的精準(zhǔn)性，當(dāng)然，對(duì)一個(gè)作品來說藝術(shù)感也是不可或缺的。因此我們發(fā)現(xiàn)3D打印課程能夠很好地詮釋當(dāng)下比較流行的STEAM教學(xué)理念，因此在實(shí)際的課堂教學(xué)以及校本活動(dòng)中真正將STEAM理念融合到教學(xué)活動(dòng)中的呈現(xiàn)出立體的教學(xué)活動(dòng)就變得尤為重要。

3.工程設(shè)計(jì)

STAEM課程設(shè)計(jì)的六要素有：來自現(xiàn)實(shí)問題、以工程設(shè)計(jì)問題為引導(dǎo)、讓學(xué)生進(jìn)入開放式探索中、團(tuán)隊(duì)合作、嚴(yán)格的教學(xué)和學(xué)科知識(shí)、允許問題多個(gè)答案，從失敗中改進(jìn)。其中工程設(shè)計(jì)是核心，它要求與實(shí)際生活密切相關(guān)，其過程一般分為提問—想象—計(jì)劃—?jiǎng)?chuàng)造—完善這幾個(gè)環(huán)節(jié)。提問：主要是以學(xué)生提問為主，教師可以適當(dāng)給與引導(dǎo)，問題應(yīng)盡量指向解決問題所遇到的障礙及限制。想象：想象可能的解決方法，以及解決問題的思路。設(shè)計(jì)：將想象的方案通過文字、圖表等方式呈現(xiàn)出來。創(chuàng)造：按照你的計(jì)劃以及設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模，將其制造出來。完善：在以上幾個(gè)環(huán)節(jié)中，都可以不斷地對(duì)自己的想法、設(shè)計(jì)進(jìn)行改善，以達(dá)到解決問題的最優(yōu)化。

二、基于工程設(shè)計(jì)過程的3D打印教學(xué)活動(dòng)模式——以郵筒小夜燈為例

3D打印作為新技術(shù)，在教育行業(yè)的應(yīng)用還沒形成一定的規(guī)模，也沒有一個(gè)明確具體的模式可以借鑒和學(xué)習(xí)。因此3D技術(shù)如何進(jìn)課堂，怎么和教學(xué)相結(jié)合，以什么形式開展，都還處在探索階段。筆者以我校3D打印校本課程中的郵筒小夜燈為例嘗試以探索以工程設(shè)計(jì)過程為主線、設(shè)計(jì)一次活動(dòng)課。

活動(dòng)一般分為三個(gè)階段。第一階段是課堂時(shí)間80分鐘，作品設(shè)計(jì)。第二階段課后碎片化時(shí)間，3D打印成形。第三階段課堂時(shí)間10分鐘，成果展示交流。

1.立體的教學(xué)活動(dòng)目標(biāo)

基于STEAM的3D打印教學(xué)，從教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計(jì)及確定不應(yīng)僅僅局限于3D打印，更不應(yīng)局限于3D打印的軟件教學(xué)。因此筆者對(duì)這節(jié)課的教學(xué)活動(dòng)目標(biāo)做了如下設(shè)定。S目標(biāo)：知道傳統(tǒng)信件傳遞的過程，了解Email的傳遞原理。T目標(biāo)：掌握旋轉(zhuǎn)成面的基本制作方法，會(huì)用投影以及沿著曲線流動(dòng)等工具設(shè)計(jì)彎曲造型。E目標(biāo)：掌握工程設(shè)計(jì)過程解決問題的一般方法，提問、想象、計(jì)劃、創(chuàng)造、完善，從功能角度考慮小夜燈燈座與燈罩的卡扣設(shè)計(jì)。A目標(biāo)：在設(shè)計(jì)過程中要時(shí)刻考慮作品的藝術(shù)形態(tài)美、裝飾美、需要著色的作品還需考慮色彩搭配。M目標(biāo)：設(shè)計(jì)和建模時(shí)要考慮作品的尺寸和比例，對(duì)應(yīng)各個(gè)實(shí)例作品在設(shè)計(jì)和制作中還要利用計(jì)算準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量。

2.情境導(dǎo)入

以溫暖為主題請(qǐng)學(xué)生開啟頭腦風(fēng)暴，說出你覺得溫暖的事物。老師總結(jié)，并拋出本次活動(dòng)的主題郵筒小夜燈。小夜燈燈光柔和，在黑暗中，起到指引照明的作用，讓你夜晚起床時(shí)感覺到一絲溫暖，而郵筒是大家都熟悉卻有陌生的存在，熟悉的是它所傳遞出的各種溫暖的情感，有親情的、友情的，也有愛情的，陌生的是我們現(xiàn)在已經(jīng)基本不用它了。今天我們把這兩者相結(jié)合，制作一個(gè)郵筒小夜燈，讓我們?cè)诔錆M愛意的溫暖燈光中入眠。

3.搭建立體的教學(xué)活動(dòng)支架

教師為學(xué)生搭建背景知識(shí)支架。教師通過提問的方式構(gòu)建出信件傳遞的知識(shí)背景。郵筒是干什么的？它的作用是什么？傳統(tǒng)的信件是如何傳輸?shù)?，現(xiàn)代E-mail又是如何傳遞信件的等一系列問題拓寬學(xué)生的知識(shí)面，達(dá)到知識(shí)的融會(huì)貫通，同時(shí)也體現(xiàn)知識(shí)的整合。學(xué)生填寫活動(dòng)記錄單中知識(shí)拓展模塊(具體見下文)。

4.教師列出本次活動(dòng)所提供的材料。

本次活動(dòng)提供材料：

5.活動(dòng)過程設(shè)計(jì)

活動(dòng)過程大致可分為五個(gè)環(huán)節(jié)，分別是問題、設(shè)計(jì)、建模、切片打印、以及展示。整體呈順時(shí)針的方向逐漸向下深入，同時(shí)隨著思考的深入和建模的逐漸完善，以及切片和打印中出現(xiàn)的新問題，新處理又可以反過來對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。過程中這五個(gè)環(huán)節(jié)都由活動(dòng)記錄表緊密相連?；顒?dòng)記錄表貫穿于整個(gè)活動(dòng)中，它就像一根無形的指揮棒，引領(lǐng)學(xué)生的整個(gè)活動(dòng)。

提問：學(xué)生在了解本次活動(dòng)的內(nèi)容以及學(xué)習(xí)目標(biāo)后，對(duì)照自己的想法，對(duì)可能會(huì)遇到的問題進(jìn)行一個(gè)預(yù)設(shè)，大家一起討論，也可以將自己的初步設(shè)計(jì)思路拿出來探討，對(duì)本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)以及新知識(shí)點(diǎn)都可以在這里進(jìn)行梳理和講解。

以下是學(xué)生在活動(dòng)中經(jīng)常提出的問題列舉：

問題1：小夜燈如何供電？

引導(dǎo)學(xué)生分析所提供的材料。根據(jù)我們所提供的材料來看，本次活動(dòng)我們選擇了最簡(jiǎn)單的供電形式，帶LED燈珠的插頭，插到插座上即可發(fā)光。

問題2：郵筒燈罩的設(shè)計(jì)，除使用前面學(xué)習(xí)的放樣技術(shù)，還可以使用其它技術(shù)來實(shí)現(xiàn)嗎？這類建模技術(shù)點(diǎn)求新的問題，筆者一般直接給出方法，滿足他們的好奇心和求知欲。如對(duì)于本問題的回答：可以，我們可以使用一種新的曲面建模技巧——旋轉(zhuǎn)成形，并對(duì)旋轉(zhuǎn)成形的要點(diǎn)進(jìn)行講解。

問題3：燈罩和插座的接口怎么銜接呢？

這是我們這節(jié)課要解決的一個(gè)設(shè)計(jì)類小問題。老師給與你們的建議是先仔細(xì)觀察插座銜接口的形狀，使用測(cè)量工具做好測(cè)量和記錄工作，在設(shè)計(jì)燈罩時(shí)考慮到底部和插座形狀的銜接，并且還要注意方便拆卸。

對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)類問題，筆者不會(huì)直接給出答案，而是引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察，發(fā)揮自己的想象力，結(jié)合自己在實(shí)際生活中的經(jīng)驗(yàn)去解決問題，以期能達(dá)到有創(chuàng)造地做中學(xué)。

設(shè)計(jì)：通過上一個(gè)環(huán)節(jié)的提問和探討，同學(xué)們對(duì)于郵筒小夜燈的制作展開了想象，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和突破點(diǎn)也有了明確的認(rèn)知，但是這個(gè)認(rèn)知還只是停留在腦海中，屬于意識(shí)層面，因此在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)有個(gè)很重要的步驟就是繪制草圖。經(jīng)過草圖繪制這個(gè)步驟可以使他們將腦海中的想象逐漸清晰，同時(shí)在繪制的環(huán)節(jié)，他們還有更多的細(xì)節(jié)可以發(fā)現(xiàn)和探索。提醒學(xué)生繪圖有標(biāo)注，有比例，逐步提高自己的設(shè)計(jì)素養(yǎng)。

新問題的提出：在這一環(huán)節(jié)筆者經(jīng)常發(fā)現(xiàn)隨著學(xué)生的思路逐漸清晰、設(shè)計(jì)逐漸細(xì)化，他們對(duì)細(xì)節(jié)的要求會(huì)更高，對(duì)新效果的實(shí)現(xiàn)更加期待。因此在這里通常還會(huì)涉及新的建模知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和探討。如在郵筒小夜燈制作中，到了這一步學(xué)生比較關(guān)心得是文字如何彎曲成形緊貼著筒壁？圖形如何緊貼筒壁等細(xì)節(jié)問題。

有新的問題提出，當(dāng)然也會(huì)有回答。很多問題在同伴的幫助下可以內(nèi)部解決，當(dāng)然也可以尋求老師的指導(dǎo)。

建模：這一環(huán)節(jié)給學(xué)生足夠的時(shí)間，在電腦上建模，建模是將創(chuàng)意想法變成現(xiàn)實(shí)的過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。很多學(xué)校的老師在教學(xué)中都會(huì)將這一塊進(jìn)行強(qiáng)化，放大，甚至作為整節(jié)課的重中之重。筆者認(rèn)為，建模的過程固然重要，但是作為工具和方法而言，它的主要作用是幫助學(xué)生將想法和創(chuàng)意落實(shí)，想法和創(chuàng)意、以及在設(shè)計(jì)制作過程中遇到問題解決問題的能力才是我們活動(dòng)課的重點(diǎn)。因此筆者在實(shí)際的教學(xué)活動(dòng)中，在前期提問和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，給予學(xué)生的時(shí)間也是很充足的。

評(píng)價(jià)、切片及打印：這一環(huán)節(jié)，在很多學(xué)校的教學(xué)活動(dòng)中都是由老師代勞的。一方面是由于設(shè)備有限，沒有那么多臺(tái)3D打印機(jī)，另一方面由于打印時(shí)間較長(zhǎng)，學(xué)生不可能全程跟蹤。我們學(xué)校也面臨同樣的情況，因此評(píng)價(jià)就變得尤為重要，評(píng)選出幾件比較好的作品，讓他們自己利用空余時(shí)間來3D打印室打印、觀察，填寫活動(dòng)記錄單，將出現(xiàn)的問題以及如何改進(jìn)，對(duì)最初的設(shè)計(jì)做了哪些修改等填寫清楚，從而形成一個(gè)不斷改進(jìn)和完善的良性的教學(xué)活動(dòng)循環(huán)。

展示：筆者認(rèn)為展示是我們活動(dòng)教學(xué)中不可缺少的一部分。學(xué)生經(jīng)過前期認(rèn)真的思考、設(shè)計(jì)、建模、打印、完善，終于一件飽含自己心血的作品成功制作完成，此時(shí)他們的心情是自豪的、激動(dòng)的，他們需要將他們成功經(jīng)驗(yàn)與大家來分享已獲得肯定。同樣，我們失敗的同學(xué)更需要?jiǎng)e人成功的經(jīng)驗(yàn)來幫助自己分析錯(cuò)誤的原因。因此每次活動(dòng)的最后，我們都會(huì)有一個(gè)小型的經(jīng)驗(yàn)分享會(huì)。

三、結(jié)束語

3D打印是一門實(shí)踐性、綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，作為新技術(shù)在教育中的應(yīng)用，3D打印在校園課堂中正掀起一股熱潮，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有舉足輕重作用。3D打印在探索深化STEAM理論、體驗(yàn)學(xué)習(xí)和做中學(xué)等理論的實(shí)踐過程中，提供了大量的學(xué)習(xí)資源，也支持創(chuàng)新教育模式的有益嘗試。