STEAM理念在中職增材制造專業(yè)課堂教學(xué)中的實(shí)踐運(yùn)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(jì)、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(yàn)工具，利用動(dòng)畫、學(xué)習(xí)平臺(tái)等手段突破教學(xué)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的教學(xué)策略，通過實(shí)際教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)并結(jié)合結(jié)果與過程評(píng)價(jià)，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(jì);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(jì)思維、能操作增材制造機(jī)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(duì)合作意識(shí)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(jì)基礎(chǔ)方面較薄弱，缺乏一定的設(shè)計(jì)思維和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件時(shí)，雖然基礎(chǔ)作圖指令可以通過大量的強(qiáng)化練習(xí)來解決，但面對(duì)美學(xué)和人體工程學(xué)要求時(shí)，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(diǎn)。STEAM理念打破傳統(tǒng)的重實(shí)踐教育模式，對(duì)工程設(shè)計(jì)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(jì)，也就是說運(yùn)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(jì)的需求，將極大提升該專業(yè)的設(shè)計(jì)水平和實(shí)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(shí)的教育方式。STEAM是一種重實(shí)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(shí)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(yùn)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(yùn)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(dòng)手實(shí)踐中培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，利用金屬、塑料或其他材料逐層自動(dòng)打印物品。增材制造具有仿真性強(qiáng)、速度快、價(jià)格便宜、高易用性等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)械設(shè)計(jì)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(shì)頭[ 2 ]。隨著打印技術(shù)的發(fā)展和打印設(shè)備的升級(jí)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(jì)層面也更加符合人們的審美和定制化需求，顯示了其強(qiáng)大蓬勃的生命力和更強(qiáng)的社會(huì)適應(yīng)性和發(fā)展性。但是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)尤其是涉及功能和外觀設(shè)計(jì)時(shí)，中職學(xué)生由于基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，普遍缺乏工程設(shè)計(jì)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(zhǎng)空間，同時(shí)傳統(tǒng)課堂實(shí)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(huì)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(guó)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(duì)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(shí)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新實(shí)踐能力，并通過運(yùn)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(shí)踐教學(xué)規(guī)律和中職學(xué)生特點(diǎn)，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(gè)具體的教學(xué)設(shè)計(jì)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(shí)踐應(yīng)用探索

2.1? 教學(xué)分析

本課選自《3D設(shè)計(jì)與打印實(shí)訓(xùn)教程（機(jī)械制造）》正向三維建模與打印任務(wù)中的“無支撐填充實(shí)體的設(shè)計(jì)與打印”。正向三維工程設(shè)計(jì)是增材制造課程的核心知識(shí)點(diǎn)，而無支撐填充實(shí)體的設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生的思維創(chuàng)造和設(shè)計(jì)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(jì)與增材制造。教學(xué)對(duì)象為中職增材制造專業(yè)二年級(jí)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(huì)打印機(jī)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(tái)和仿真軟件，但創(chuàng)新思維能力有待加強(qiáng)。

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(gè)維度的教學(xué)目標(biāo)展開的，分別是知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和情感目標(biāo)[ 2 ] 。知識(shí)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(jì)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(shí)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(jì)意識(shí)，團(tuán)隊(duì)合作精神及精益求精的工匠精神;樹立安全意識(shí)及遵守操作規(guī)范。

2.3? 重難點(diǎn)及教學(xué)策略設(shè)計(jì)

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(diǎn)是耳朵減壓神器形狀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，教學(xué)難點(diǎn)是耳朵減壓神器參數(shù)設(shè)置。突破教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)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(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)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(duì)于教學(xué)重點(diǎn)——耳朵減壓神器形狀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用微課、視頻、UG軟件等信息化手段，檢驗(yàn)耳朵減壓神器形狀設(shè)計(jì)是否合理，從而突出重點(diǎn)。對(duì)于教學(xué)難點(diǎn)——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(dòng)畫引起學(xué)生思考，學(xué)生通過登陸學(xué)習(xí)平臺(tái)查找原因，完成梯度練習(xí)，輕松突破難點(diǎn)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力;利用結(jié)果評(píng)價(jià)與過程評(píng)價(jià)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(gè)小組，把社會(huì)主義核心價(jià)值觀融入課堂;老師發(fā)布兩項(xiàng)任務(wù)：第一項(xiàng)是學(xué)生觀看視頻及感受適合長(zhǎng)期佩戴時(shí)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(tái)。第二項(xiàng)是學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識(shí)測(cè)量口罩?jǐn)傞_總長(zhǎng)尺寸及成人頭圍尺寸并上傳數(shù)據(jù)。教師登錄平臺(tái)根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)批閱并統(tǒng)計(jì)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(diǎn)評(píng)部分學(xué)生課前作業(yè)中的測(cè)繪誤差，強(qiáng)調(diào)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹匾?，學(xué)生查看教師點(diǎn)評(píng)，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(jì)的重要性。接著引入校企合作的一家醫(yī)療器械公司，請(qǐng)學(xué)校機(jī)械專業(yè)學(xué)生參與耳朵減壓神器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，引出教學(xué)任務(wù)，并發(fā)放設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的設(shè)計(jì)來源于生活所需。目的是為學(xué)生的創(chuàng)造搭個(gè)框架。

（2）設(shè)計(jì)。學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求，利用已具備的藝術(shù)知識(shí)，小組討論共同完成耳朵減壓神器的草圖設(shè)計(jì)，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，在UG軟件中完成耳朵減壓神器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，作品完成后上傳。在建模過程中，老師對(duì)各組學(xué)生遇到的問題給予針對(duì)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(gè)別不會(huì)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(shí)現(xiàn)分層教學(xué)，提高教學(xué)效率。然后師生按照評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，生成評(píng)價(jià)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(shí)，通過切片軟件檢測(cè)造型中的疏漏，繼續(xù)完善耳朵減壓神器的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的工匠精神。

（5）合作。對(duì)于本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)一一耳朵減壓神器參數(shù)設(shè)置及成型，設(shè)計(jì)牽一發(fā)而動(dòng)全身，參數(shù)的設(shè)置是否合理相當(dāng)重要，在此通過動(dòng)畫、學(xué)習(xí)平臺(tái)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(dòng)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(tái)查找原因，完成梯度選擇題，如在課前測(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)把握是否合理，是否符合簡(jiǎn)便適用的要求，在建模時(shí)是否考慮無支撐時(shí)如何從打印平臺(tái)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(jì)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(píng)價(jià)與交流。學(xué)生作業(yè)完成后，拍照上傳到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，然后進(jìn)行展示及交流匯報(bào)，分享設(shè)計(jì)初心及收獲。師生通過登錄平臺(tái)進(jìn)行自評(píng)及評(píng)價(jià)。經(jīng)歷這樣一個(gè)線上+線下的教學(xué)過程，完整實(shí)現(xiàn)了3D“造物”過程，同學(xué)們表示收獲滿滿。同時(shí)，他們也明白了設(shè)計(jì)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(diǎn)的“設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)與過程性評(píng)價(jià)相結(jié)合，對(duì)學(xué)生進(jìn)行多維、智能評(píng)價(jià)[ 3 ]，并展示學(xué)生中評(píng)價(jià)最好的作品，把他們的設(shè)計(jì)傳遞給企業(yè)，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)與企業(yè)進(jìn)行更好地探討與交流，進(jìn)而提升自身的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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(duì)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(tái)。老師通過登陸平臺(tái)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(shí)，突破教學(xué)時(shí)空局限。

3? 實(shí)踐效果

從教學(xué)設(shè)計(jì)和課堂實(shí)踐效果來看，將STEAM教育理念融入課堂教學(xué)實(shí)踐，通過以項(xiàng)目教學(xué)的形式，推動(dòng)以實(shí)踐為中心，體現(xiàn)STEAM教育理念，使學(xué)生意識(shí)到增材制造技術(shù)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要掌握三維軟件和打印技術(shù)滿足生產(chǎn)需要，同時(shí)也要結(jié)合生活實(shí)踐和生產(chǎn)實(shí)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(duì)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(duì)于STEAM的教育理念理解不深，對(duì)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(shí)間和過程。在工程設(shè)計(jì)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(jì)和人體工程方面的素養(yǎng)，多進(jìn)行實(shí)踐，不斷提升STEAM融入增材制造技術(shù)課堂教學(xué)實(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)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(xiàng)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(dòng)所需的實(shí)驗(yàn)器材。STEAM教育為實(shí)現(xiàn)多元化學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)提供了契機(jī)，學(xué)科知識(shí)通過融入實(shí)踐活動(dòng)與學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果相聯(lián)系，因此評(píng)價(jià)維度包括了學(xué)生的知識(shí)理解、技能展示、價(jià)值觀等，同時(shí)關(guān)注認(rèn)知性評(píng)價(jià)、基于證據(jù)的評(píng)價(jià)和表現(xiàn)性評(píng)價(jià)[ 3 ]。STEAM教育使教師角色發(fā)生了轉(zhuǎn)變，即從知識(shí)的給予者變?yōu)閷W(xué)生獲取知識(shí)的協(xié)助者。

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