STEAM理念在中職增材制造專業(yè)課堂教學(xué)中的實踐運用

陳偉

摘? ?要：在中職增材制造課堂教學(xué)中引入STEAM教育理念，以創(chuàng)造、設(shè)計、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作并解決問題為主線，利用UG三維建模軟件、切片軟件為檢驗工具，利用動畫、學(xué)習(xí)平臺等手段突破教學(xué)難點，設(shè)計促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的教學(xué)策略，通過實際教學(xué)實踐活動并結(jié)合結(jié)果與過程評價，解決了學(xué)生在增材制造課堂上存在的問題，有效提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：STEAM理念;增材制造;教學(xué)設(shè)計;課堂教學(xué)

1? ?增材制造與STEAM理念的融合

1.1? 增材制造專業(yè)

在傳統(tǒng)中職增材制造課堂教學(xué)中，存在著學(xué)生能繪制三維模型而缺乏創(chuàng)新設(shè)計思維、能操作增材制造機而無法判斷并解決打印過程中的突發(fā)事件、喜愛繪圖而缺少團(tuán)隊合作意識等問題。本文主要是在傳統(tǒng)教學(xué)模式無法有效提升教學(xué)質(zhì)量的背景下，考慮將STEAM理念融入增材制造課堂教學(xué)。由于在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，中職學(xué)生在藝術(shù)、創(chuàng)新設(shè)計基礎(chǔ)方面較薄弱，缺乏一定的設(shè)計思維和實踐經(jīng)驗，在運用三維設(shè)計軟件時，雖然基礎(chǔ)作圖指令可以通過大量的強化練習(xí)來解決，但面對美學(xué)和人體工程學(xué)要求時，由于缺乏人體工程美學(xué)方面的素養(yǎng)，往往把握不住重點。STEAM理念打破傳統(tǒng)的重實踐教育模式，對工程設(shè)計的產(chǎn)品不僅要有技術(shù)創(chuàng)新功能，還要有好看的外觀設(shè)計，也就是說運用者要有藝術(shù)方面的思維和素養(yǎng)。融入STEAM理念于增材制造技術(shù)，正是契合了增材制造在產(chǎn)品功能和設(shè)計的需求，將極大提升該專業(yè)的設(shè)計水平和實踐效果。

1.2? STEAM教育理念

STEAM是一種教育理念，有別于傳統(tǒng)的單學(xué)科、重書本知識的教育方式。STEAM是一種重實踐的超學(xué)科教育概念。任何事情的成功都不僅僅依靠某一種能力的實現(xiàn)，而是需要借于多種能力之間，比如高科技電子產(chǎn)品的建造過程中，不但需要科學(xué)技術(shù)，運用高科技手段創(chuàng)新產(chǎn)品功能，還需要好看的外觀，也就是藝術(shù)等方面的綜合才能，所以單一技能的運用已經(jīng)無法支撐未來人才的發(fā)展 ，未來，我們需要的是多方面的綜合型人才。STEAM是通過在動手實踐中培養(yǎng)創(chuàng)新意識，結(jié)合探索激發(fā)創(chuàng)造力潛能[ 1 ]。

1.3? 增材制造技術(shù)與STEAM理念

增材制造技術(shù)是通過疊加式制造工序，根據(jù)計算機數(shù)據(jù)，利用金屬、塑料或其他材料逐層自動打印物品。增材制造具有仿真性強、速度快、價格便宜、高易用性等優(yōu)點。近年來，作為一種新型制造技術(shù)，增材制造展現(xiàn)出了十分廣闊的應(yīng)用前景，并得到快速發(fā)展，不但在交通、醫(yī)療保健、軍事以及教育等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且在機械設(shè)計與制造、設(shè)備維修、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出了快速發(fā)展勢頭[ 2 ]。隨著打印技術(shù)的發(fā)展和打印設(shè)備的升級換代，打印出的產(chǎn)品不僅在工藝功能方面有巨大提升，而且在藝術(shù)設(shè)計層面也更加符合人們的審美和定制化需求，顯示了其強大蓬勃的生命力和更強的社會適應(yīng)性和發(fā)展性。但是在產(chǎn)品設(shè)計尤其是涉及功能和外觀設(shè)計時，中職學(xué)生由于基礎(chǔ)知識薄弱，普遍缺乏工程設(shè)計和美學(xué)鑒賞的基本素養(yǎng)和積累，人體工程學(xué)方面幾乎是零基礎(chǔ)，這些基本素養(yǎng)的缺乏制約了中職學(xué)生的成長空間，同時傳統(tǒng)課堂實踐效果往往達(dá)不到老師的期望。

1.4? ?將STEAM理念融入增材制造

當(dāng)今社會需要的是多方面發(fā)展的綜合型人才，在此背景下，近年來國內(nèi)外都十分重視STEAM教育的發(fā)展，從而引發(fā)大家都在探索STEAM教育的各種新模式。在STEAM教育教學(xué)中，增材制造技術(shù)可以給學(xué)生的“學(xué)習(xí)方式”帶來新的思想，讓原本比較抽象的概念變得更加容易理解，可以激發(fā)學(xué)生對課程內(nèi)容的興趣。增材制造技術(shù)讓學(xué)生的想象更容易變成現(xiàn)實，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實踐能力，并通過運用建模軟件，發(fā)展學(xué)生的立體空間思維。隨著中職學(xué)校開設(shè)增材制造技術(shù)課堂教學(xué)，如何結(jié)合中職實踐教學(xué)規(guī)律和中職學(xué)生特點，開展好課堂教學(xué)，成為增材制造課程亟需解決的問題。筆者通過一個具體的教學(xué)設(shè)計案例，深入闡述STEAM教學(xué)理念在增材制造課堂上的應(yīng)用。

2? 實踐應(yīng)用探索

2.1? 教學(xué)分析

本課選自《3D設(shè)計與打印實訓(xùn)教程（機械制造）》正向三維建模與打印任務(wù)中的“無支撐填充實體的設(shè)計與打印”。正向三維工程設(shè)計是增材制造課程的核心知識點，而無支撐填充實體的設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生的思維創(chuàng)造和設(shè)計能力的基礎(chǔ)，增材制造課程的終極目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生將設(shè)想變?yōu)楫a(chǎn)品的能力。本次課完成耳朵減壓神器的創(chuàng)新設(shè)計與增材制造。教學(xué)對象為中職增材制造專業(yè)二年級學(xué)生，課前他們已經(jīng)有UG建?；A(chǔ)，并已掌握增材制造概論，學(xué)會打印機的基本操作和切片軟件的參數(shù)設(shè)置，學(xué)生喜歡使用平臺和仿真軟件，但創(chuàng)新思維能力有待加強。

2.2? 目標(biāo)分析

結(jié)合教學(xué)大綱和人才培養(yǎng)方案，本教學(xué)案例是由三個維度的教學(xué)目標(biāo)展開的，分別是知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和情感目標(biāo)[ 2 ] 。知識目標(biāo)是掌握耳朵減壓神器三維建模的方法，熟悉UG中的拉伸命令及二維草圖的繪制，能初步掌握耳朵減壓神器的參數(shù)設(shè)置。能力目標(biāo)方面，能夠根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計出耳朵減壓神器造型，并能較熟練應(yīng)用增材制造設(shè)備，以及能初步發(fā)現(xiàn)并解決增材制造過程中出現(xiàn)的問題。此過程中需要學(xué)生有一定的藝術(shù)鑒賞能力，以及解決實際問題的能力。情感目標(biāo)方面，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維及人文設(shè)計意識，團(tuán)隊合作精神及精益求精的工匠精神;樹立安全意識及遵守操作規(guī)范。

2.3? 重難點及教學(xué)策略設(shè)計

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)及職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本文確定本節(jié)課的教學(xué)重點是耳朵減壓神器形狀的創(chuàng)新設(shè)計，教學(xué)難點是耳朵減壓神器參數(shù)設(shè)置。突破教學(xué)重點和難點采用以下教學(xué)策略：以STEAM教育理念為導(dǎo)向，通過“線上+線下”的混合式教法和學(xué)生基于項目學(xué)習(xí)實踐、互助合作、自主探究的學(xué)法相結(jié)合，使教師從如何教轉(zhuǎn)變?yōu)橐I(lǐng)學(xué)生如何去學(xué)。對于教學(xué)重點——耳朵減壓神器形狀的創(chuàng)新設(shè)計，采用微課、視頻、UG軟件等信息化手段，檢驗耳朵減壓神器形狀設(shè)計是否合理，從而突出重點。對于教學(xué)難點——耳朵減壓神器參數(shù)設(shè)置及成型，通過虛擬仿真切片軟件、耳朵減壓神器與口罩配合不上的動畫引起學(xué)生思考，學(xué)生通過登陸學(xué)習(xí)平臺查找原因，完成梯度練習(xí)，輕松突破難點，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力;利用結(jié)果評價與過程評價相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生職業(yè)發(fā)展。

2.4? 教學(xué)過程

2.4.1? 課前部分

課前學(xué)生被分為七個小組，把社會主義核心價值觀融入課堂;老師發(fā)布兩項任務(wù)：第一項是學(xué)生觀看視頻及感受適合長期佩戴時不同風(fēng)格造型的耳朵減壓神器，初步繪制耳朵減壓神器草圖上傳至平臺。第二項是學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識測量口罩?jǐn)傞_總長尺寸及成人頭圍尺寸并上傳數(shù)據(jù)。教師登錄平臺根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)批閱并統(tǒng)計各組完成情況，輕松掌握學(xué)習(xí)情況和疑問，為課中學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

2.4.2? 課中部分

（1）搭建框架。教師首先點評部分學(xué)生課前作業(yè)中的測繪誤差，強調(diào)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹匾?，學(xué)生查看教師點評，訂正課前作業(yè)，培養(yǎng)增材制造專業(yè)學(xué)生認(rèn)真細(xì)致的工作態(tài)度。接著利用武漢最美逆行者的圖片，讓學(xué)生明白人文設(shè)計的重要性。接著引入校企合作的一家醫(yī)療器械公司，請學(xué)校機械專業(yè)學(xué)生參與耳朵減壓神器的創(chuàng)新設(shè)計，引出教學(xué)任務(wù)，并發(fā)放設(shè)計要求。然后教師從醫(yī)護(hù)人員拿牛奶箱的手提扣，去緩解耳朵壓力的物件，啟發(fā)學(xué)生最簡單的設(shè)計來源于生活所需。目的是為學(xué)生的創(chuàng)造搭個框架。

（2）設(shè)計。學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求，利用已具備的藝術(shù)知識，小組討論共同完成耳朵減壓神器的草圖設(shè)計，完成產(chǎn)品設(shè)計說明書。引導(dǎo)學(xué)生通過課前作業(yè)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來選擇材料，確保耳朵減壓神器能符合要求。然后派代表展示草圖作品，講解設(shè)計思路。然后師生提出建議共同優(yōu)化方案。

（3）建構(gòu)。各組成員根據(jù)草圖，利用技術(shù)和工程知識，在UG軟件中完成耳朵減壓神器的創(chuàng)新設(shè)計，作品完成后上傳。在建模過程中，老師對各組學(xué)生遇到的問題給予針對性指導(dǎo)。例如，在與耳掛的接觸上，要考慮耳掛的直徑，圖形中采用1：1的畫法，更能把握尺寸的控制。個別不會的小組成員可以觀看七巧板的繪制微課，掌握建模命令，從而實現(xiàn)分層教學(xué)，提高教學(xué)效率。然后師生按照評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行點評，生成評價體系。

（4）發(fā)現(xiàn)。學(xué)生把耳朵減壓神器的建模導(dǎo)入到切片軟件中仿真。利用已具備的科學(xué)知識，通過切片軟件檢測造型中的疏漏，繼續(xù)完善耳朵減壓神器的設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的工匠精神。

（5）合作。對于本節(jié)課的教學(xué)難點一一耳朵減壓神器參數(shù)設(shè)置及成型，設(shè)計牽一發(fā)而動全身，參數(shù)的設(shè)置是否合理相當(dāng)重要，在此通過動畫、學(xué)習(xí)平臺和教師示范、師生討論來突破。首先出示不合理尺寸的耳朵減壓神器與口罩配合不上的動畫引出難題，為何配合不上呢？讓學(xué)生思考原因，接著讓學(xué)生登陸學(xué)習(xí)平臺查找原因，完成梯度選擇題，如在課前測量時的數(shù)據(jù)把握是否合理，是否符合簡便適用的要求，在建模時是否考慮無支撐時如何從打印平臺剝離而不傷產(chǎn)品，討論出本組的產(chǎn)品合理參數(shù)。另外，工量具正確擺放，提升職業(yè)素養(yǎng)。在修改設(shè)計圖的過程中，教師巡視各組的情況，發(fā)現(xiàn)問題給予意見。

（6）評價與交流。學(xué)生作業(yè)完成后，拍照上傳到網(wǎng)絡(luò)平臺，然后進(jìn)行展示及交流匯報，分享設(shè)計初心及收獲。師生通過登錄平臺進(jìn)行自評及評價。經(jīng)歷這樣一個線上+線下的教學(xué)過程，完整實現(xiàn)了3D“造物”過程，同學(xué)們表示收獲滿滿。同時，他們也明白了設(shè)計思維要有同理心，即站在用戶的角度換位思考，而理解他人的需要和觀點的“設(shè)計思維”則是學(xué)校教育著力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力最為關(guān)鍵的要素。

（7）總結(jié)。教師應(yīng)用信息技術(shù)采集，結(jié)果評價與過程性評價相結(jié)合，對學(xué)生進(jìn)行多維、智能評價[ 3 ]，并展示學(xué)生中評價最好的作品，把他們的設(shè)計傳遞給企業(yè)，讓學(xué)生有機會與企業(yè)進(jìn)行更好地探討與交流，進(jìn)而提升自身的實踐經(jīng)驗。

2.4.3? 課后部分

課后教師根據(jù)人才培養(yǎng)方案提出任務(wù);課下咨詢校企合作的企業(yè)工程師，對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化后進(jìn)行產(chǎn)品打印，將產(chǎn)品及相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至學(xué)習(xí)平臺。老師通過登陸平臺了解任務(wù)完成情況，要求得分少的同學(xué)觀看微課，鞏固所學(xué)知識，突破教學(xué)時空局限。

3? 實踐效果

從教學(xué)設(shè)計和課堂實踐效果來看，將STEAM教育理念融入課堂教學(xué)實踐，通過以項目教學(xué)的形式，推動以實踐為中心，體現(xiàn)STEAM教育理念，使學(xué)生意識到增材制造技術(shù)應(yīng)用于工程設(shè)計時，不僅要掌握三維軟件和打印技術(shù)滿足生產(chǎn)需要，同時也要結(jié)合生活實踐和生產(chǎn)實際，進(jìn)行藝術(shù)和美學(xué)方面的優(yōu)化處理;另外，更重要的是同過團(tuán)隊合作，相互發(fā)現(xiàn)不足并解決問題。

存在的問題和不足：學(xué)生對于STEAM的教育理念理解不深，對STEAM如何更好融入增材制造技術(shù)應(yīng)用還有許多理解不到位的情況。尤其是學(xué)生在藝術(shù)審美方面無法快速提升，需要一定的時間和過程。在工程設(shè)計方面，學(xué)生更多的是從功能出發(fā)，人體工程學(xué)方面無法理解太多，接下來應(yīng)著重提升學(xué)生美學(xué)，工程設(shè)計和人體工程方面的素養(yǎng)，多進(jìn)行實踐，不斷提升STEAM融入增材制造技術(shù)課堂教學(xué)實踐教學(xué)質(zhì)量。

4? 結(jié)束語

STEAM教育理念適應(yīng)增材制造技術(shù)的教育創(chuàng)新要求。STEAM教育的真實情境是課程的核心概念，也是跨學(xué)科課程能夠引發(fā)學(xué)生參與動機的關(guān)鍵，增材制造技術(shù)課程內(nèi)容變得越來越綜合性、生活化;學(xué)生學(xué)習(xí)方式以協(xié)作學(xué)習(xí)項目化學(xué)習(xí)為主;教學(xué)資源越來越豐富，數(shù)字化教學(xué)資源還給學(xué)生提供探究活動所需的實驗器材。STEAM教育為實現(xiàn)多元化學(xué)習(xí)評價提供了契機，學(xué)科知識通過融入實踐活動與學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果相聯(lián)系，因此評價維度包括了學(xué)生的知識理解、技能展示、價值觀等，同時關(guān)注認(rèn)知性評價、基于證據(jù)的評價和表現(xiàn)性評價[ 3 ]。STEAM教育使教師角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變，即從知識的給予者變?yōu)閷W(xué)生獲取知識的協(xié)助者。

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