陳偉

摘? ?要：在中職增材制造課堂教學中引入STEAM教育理念，以創(chuàng)造、設計、建構、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、學習平臺等手段突破教學難點，設計促進學生發(fā)展的教學策略，通過實際教學實踐活動并結合結果與過程評價，解決了學生在增材制造課堂上存在的問題，有效提高了教學質量。

關鍵詞：STEAM理念;增材制造;教學設計;課堂教學

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中，存在著學生能繪制三維模型而缺乏創(chuàng)新設計思維、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、喜愛繪圖而缺少團隊合作意識等問題。本文主要是在傳統(tǒng)教學模式無法有效提升教學質量的背景下，考慮將STEAM理念融入增材制造課堂教學。由于在傳統(tǒng)課堂教學中，中職學生在藝術、創(chuàng)新設計基礎方面較薄弱，缺乏一定的設計思維和實踐經驗，在運用三維設計軟件時，雖然基礎作圖指令可以通過大量的強化練習來解決，但面對美學和人體工程學要求時，由于缺乏人體工程美學方面的素養(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，對工程設計的產品不僅要有技術創(chuàng)新功能，還要有好看的外觀設計，也就是說運用者要有藝術方面的思維和素養(yǎng)。融入STEAM理念于增材制造技術，正是契合了增材制造在產品功能和設計的需求，將極大提升該專業(yè)的設計水平和實踐效果。

1.2? STEAM教育理念

STEAM是一種教育理念，有別于傳統(tǒng)的單學科、重書本知識的教育方式。STEAM是一種重實踐的超學科教育概念。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，比如高科技電子產品的建造過程中，不但需要科學技術，運用高科技手段創(chuàng)新產品功能，還需要好看的外觀，也就是藝術等方面的綜合才能，所以單一技能的運用已經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，結合探索激發(fā)創(chuàng)造力潛能[ 1 ]。

1.3? 增材制造技術與STEAM理念

增材制造技術是通過疊加式制造工序，根據計算機數據，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，增材制造展現(xiàn)出了十分廣闊的應用前景，并得到快速發(fā)展，不但在交通、醫(yī)療保健、軍事以及教育等領域得到廣泛應用，而且在機械設計與制造、設備維修、航空航天等領域展現(xiàn)出了快速發(fā)展勢頭[ 2 ]。隨著打印技術的發(fā)展和打印設備的升級換代，打印出的產品不僅在工藝功能方面有巨大提升，而且在藝術設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性和發(fā)展性。但是在產品設計尤其是涉及功能和外觀設計時，中職學生由于基礎知識薄弱，普遍缺乏工程設計和美學鑒賞的基本素養(yǎng)和積累，人體工程學方面幾乎是零基礎，這些基本素養(yǎng)的缺乏制約了中職學生的成長空間，同時傳統(tǒng)課堂實踐效果往往達不到老師的期望。

1.4? ?將STEAM理念融入增材制造

當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教育教學中，增材制造技術可以給學生的“學習方式”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)學生對課程內容的興趣。增材制造技術讓學生的想象更容易變成現(xiàn)實，能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實踐能力，并通過運用建模軟件，發(fā)展學生的立體空間思維。隨著中職學校開設增材制造技術課堂教學，如何結合中職實踐教學規(guī)律和中職學生特點，開展好課堂教學，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設計案例，深入闡述STEAM教學理念在增材制造課堂上的應用。

2? 實踐應用探索

2.1? 教學分析

本課選自《3D設計與打印實訓教程（機械制造）》正向三維建模與打印任務中的“無支撐填充實體的設計與打印”。正向三維工程設計是增材制造課程的核心知識點，而無支撐填充實體的設計是培養(yǎng)學生的思維創(chuàng)造和設計能力的基礎，增材制造課程的終極目標就是培養(yǎng)學生將設想變?yōu)楫a品的能力。本次課完成耳朵減壓神器的創(chuàng)新設計與增材制造。教學對象為中職增材制造專業(yè)二年級學生，課前他們已經有UG建模基礎，并已掌握增材制造概論，學會打印機的基本操作和切片軟件的參數設置，學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? 目標分析

結合教學大綱和人才培養(yǎng)方案，本教學案例是由三個維度的教學目標展開的，分別是知識目標、能力目標和情感目標[ 2 ] 。知識目標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設置。能力目標方面，能夠根據任務要求設計出耳朵減壓神器造型，并能較熟練應用增材制造設備，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。此過程中需要學生有一定的藝術鑒賞能力，以及解決實際問題的能力。情感目標方面，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維及人文設計意識，團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? 重難點及教學策略設計

根據課程標準及職業(yè)標準，本文確定本節(jié)課的教學重點是耳朵減壓神器形狀的創(chuàng)新設計，教學難點是耳朵減壓神器參數設置。突破教學重點和難點采用以下教學策略：以STEAM教育理念為導向，通過“線上+線下”的混合式教法和學生基于項目學習實踐、互助合作、自主探究的學法相結合，使教師從如何教轉變?yōu)橐I學生如何去學。對于教學重點——耳朵減壓神器形狀的創(chuàng)新設計，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計是否合理，從而突出重點。對于教學難點——耳朵減壓神器參數設置及成型，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生思考，學生通過登陸學習平臺查找原因，完成梯度練習，輕松突破難點，提高學生自主學習能力;利用結果評價與過程評價相結合，促進學生職業(yè)發(fā)展。

2.4? 教學過程

2.4.1? 課前部分

課前學生被分為七個小組，把社會主義核心價值觀融入課堂;老師發(fā)布兩項任務：第一項是學生觀看視頻及感受適合長期佩戴時不同風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。第二項是學生利用數學知識測量口罩攤開總長尺寸及成人頭圍尺寸并上傳數據。教師登錄平臺根據企業(yè)標準批閱并統(tǒng)計各組完成情況，輕松掌握學習情況和疑問，為課中學習奠定基礎。

2.4.2? 課中部分

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

（2）設計。學生根據任務要求，利用已具備的藝術知識，小組討論共同完成耳朵減壓神器的草圖設計，完成產品設計說明書。引導學生通過課前作業(yè)和企業(yè)標準來選擇材料，確保耳朵減壓神器能符合要求。然后派代表展示草圖作品，講解設計思路。然后師生提出建議共同優(yōu)化方案。

（3）建構。各組成員根據草圖，利用技術和工程知識，在UG軟件中完成耳朵減壓神器的創(chuàng)新設計，作品完成后上傳。在建模過程中，老師對各組學生遇到的問題給予針對性指導。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，提高教學效率。然后師生按照評分標準進行點評，生成評價體系。

（4）發(fā)現(xiàn)。學生把耳朵減壓神器的建模導入到切片軟件中仿真。利用已具備的科學知識，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計，培養(yǎng)學生精益求精的工匠精神。

（5）合作。對于本節(jié)課的教學難點一一耳朵減壓神器參數設置及成型，設計牽一發(fā)而動全身，參數的設置是否合理相當重要，在此通過動畫、學習平臺和教師示范、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？讓學生思考原因，接著讓學生登陸學習平臺查找原因，完成梯度選擇題，如在課前測量時的數據把握是否合理，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品，討論出本組的產品合理參數。另外，工量具正確擺放，提升職業(yè)素養(yǎng)。在修改設計圖的過程中，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。學生作業(yè)完成后，拍照上傳到網絡平臺，然后進行展示及交流匯報，分享設計初心及收獲。師生通過登錄平臺進行自評及評價。經歷這樣一個線上+線下的教學過程，完整實現(xiàn)了3D“造物”過程，同學們表示收獲滿滿。同時，他們也明白了設計思維要有同理心，即站在用戶的角度換位思考，而理解他人的需要和觀點的“設計思維”則是學校教育著力培養(yǎng)學生創(chuàng)造力最為關鍵的要素。

（7）總結。教師應用信息技術采集，結果評價與過程性評價相結合，對學生進行多維、智能評價[ 3 ]，并展示學生中評價最好的作品，把他們的設計傳遞給企業(yè)，讓學生有機會與企業(yè)進行更好地探討與交流，進而提升自身的實踐經驗。

2.4.3? 課后部分

課后教師根據人才培養(yǎng)方案提出任務;課下咨詢校企合作的企業(yè)工程師，對產品進行優(yōu)化后進行產品打印，將產品及相關數據上傳至學習平臺。老師通過登陸平臺了解任務完成情況，要求得分少的同學觀看微課，鞏固所學知識，突破教學時空局限。

3? 實踐效果

從教學設計和課堂實踐效果來看，將STEAM教育理念融入課堂教學實踐，通過以項目教學的形式，推動以實踐為中心，體現(xiàn)STEAM教育理念，使學生意識到增材制造技術應用于工程設計時，不僅要掌握三維軟件和打印技術滿足生產需要，同時也要結合生活實踐和生產實際，進行藝術和美學方面的優(yōu)化處理;另外，更重要的是同過團隊合作，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應用還有許多理解不到位的情況。尤其是學生在藝術審美方面無法快速提升，需要一定的時間和過程。在工程設計方面，學生更多的是從功能出發(fā)，人體工程學方面無法理解太多，接下來應著重提升學生美學，工程設計和人體工程方面的素養(yǎng)，多進行實踐，不斷提升STEAM融入增材制造技術課堂教學實踐教學質量。

4? 結束語

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

參考文獻：

[1]龐廣鈺.淺談中學生創(chuàng)新精神和綜合能力培養(yǎng)的研究[J].中國校外教育，2019（30）.

[2]陸萍.淺析增材制造課程滲透學生的核心素養(yǎng)[J].新課程導學，2018（17）.

[3]陳壽花，柳曉霞.中職教師會計技能和說課競賽備賽策略[J].求知導刊，2017（36）.