工程設計過程的3D打印教學活動模式

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【摘要】以STEAM理念為指導，以工程設計過程為主線，設計了一次3d打印的教學活動。嘗試打破課堂教學的時間限制，將活動延續(xù)到了課下的碎片化時間。同時在活動過程中通過不斷地發(fā)現(xiàn)問題，解決問題來完善作品。

【關鍵詞】3D打印STEAM工程設計過程創(chuàng)新教育

一、STEAM、3D打印、工程設計

1．STEAM是什么

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）英語首字母的縮寫。長久以來這四門知識都是單獨教學的，缺乏整合，而STEM則強調四門知識的融合，而不是簡單的相加。隨著課程的改革以及STEM教育實踐研究的開展，藝術（Arts）類課程也添加到STEM，形成了STEAM教育。雖然STEAM是一個較新的名詞，但是我們在實際生活中遇到的大多數(shù)問題都需要這幾門知識共同解決。

2．Steam與3D打印

3D打印是以3D設計為基礎的一門交叉性很強的綜合設計課程。任何一個設計都不是一蹴而就的，也不是孤立的，它需要你去了解它所處的環(huán)境、功用及與之相關的背景知識，同時還要融合數(shù)學、科學、工程等知識，以錘煉出它的精準性，當然，對一個作品來說藝術感也是不可或缺的。因此我們發(fā)現(xiàn)3D打印課程能夠很好地詮釋當下比較流行的STEAM教學理念，因此在實際的課堂教學以及校本活動中真正將STEAM理念融合到教學活動中的呈現(xiàn)出立體的教學活動就變得尤為重要。

3．工程設計

STAEM課程設計的六要素有：來自現(xiàn)實問題、以工程設計問題為引導、讓學生進入開放式探索中、團隊合作、嚴格的教學和學科知識、允許問題多個答案，從失敗中改進。其中工程設計是核心，它要求與實際生活密切相關，其過程一般分為提問—想象—計劃—創(chuàng)造—完善這幾個環(huán)節(jié)。提問：主要是以學生提問為主，教師可以適當給與引導，問題應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。設計：將想象的方案通過文字、圖表等方式呈現(xiàn)出來。創(chuàng)造：按照你的計劃以及設計圖紙進行建模，將其制造出來。完善：在以上幾個環(huán)節(jié)中，都可以不斷地對自己的想法、設計進行改善，以達到解決問題的最優(yōu)化。

二、基于工程設計過程的3D打印教學活動模式———以郵筒小夜燈為例

3D打印作為新技術，在教育行業(yè)的應用還沒形成一定的規(guī)模，也沒有一個明確具體的模式可以借鑒和學習。因此3D技術如何進課堂，怎么和教學相結合，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計過程為主線、設計一次活動課?；顒右话惴譃槿齻€階段。第一階段是課堂時間80分鐘，作品設計。第二階段課后碎片化時間，3D打印成形。第三階段課堂時間10分鐘，成果展示交流。

1．立體的教學活動目標

基于STEAM的3D打印教學，從教學目標的設計及確定不應僅僅局限于3D打印，更不應局限于3D打印的軟件教學。因此筆者對這節(jié)課的教學活動目標做了如下設定。S目標：知道傳統(tǒng)信件傳遞的過程，了解Email的傳遞原理。T目標：掌握旋轉成面的基本制作方法，會用投影以及沿著曲線流動等工具設計彎曲造型。E目標：掌握工程設計過程解決問題的一般方法，提問、想象、計劃、創(chuàng)造、完善，從功能角度考慮小夜燈燈座與燈罩的卡扣設計。A目標：在設計過程中要時刻考慮作品的藝術形態(tài)美、裝飾美、需要著色的作品還需考慮色彩搭配。M目標：設計和建模時要考慮作品的尺寸和比例，對應各個實例作品在設計和制作中還要利用計算準確地進行測量。

2．情境導入

以溫暖為主題請學生開啟頭腦風暴，說出你覺得溫暖的事物。老師總結，并拋出本次活動的主題郵筒小夜燈。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)在已經基本不用它了。今天我們把這兩者相結合，制作一個郵筒小夜燈，讓我們在充滿愛意的溫暖燈光中入眠。

3．搭建立體的教學活動支架

教師為學生搭建背景知識支架。教師通過提問的方式構建出信件傳遞的知識背景。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生的知識面，達到知識的融會貫通，同時也體現(xiàn)知識的整合。學生填寫活動記錄單中知識拓展模塊（具體見下文）。

4．教師列出本次活動所提供的材料

5．活動過程設計

活動過程大致可分為五個環(huán)節(jié)，分別是問題、設計、建模、切片打印、以及展示。整體呈順時針的方向逐漸向下深入，同時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設計進行修改。過程中這五個環(huán)節(jié)都由活動記錄表緊密相連?；顒佑涗洷碡灤┯谡麄€活動中，它就像一根無形的指揮棒，引領學生的整個活動。提問：學生在了解本次活動的內容以及學習目標后，對照自己的想法，對可能會遇到的問題進行一個預設，大家一起討論，也可以將自己的初步設計思路拿出來探討，對本節(jié)課的重點和難點以及新知識點都可以在這里進行梳理和講解。以下是學生在活動中經常提出的問題列舉：問題1：小夜燈如何供電？引導學生分析所提供的材料。根據我們所提供的材料來看，本次活動我們選擇了最簡單的供電形式，帶LED燈珠的插頭，插到插座上即可發(fā)光。問題2：郵筒燈罩的設計，除使用前面學習的放樣技術，還可以使用其它技術來實現(xiàn)嗎？這類建模技術點求新的問題，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———旋轉成形，并對旋轉成形的要點進行講解。問題3：燈罩和插座的接口怎么銜接呢？這是我們這節(jié)課要解決的一個設計類小問題。老師給與你們的建議是先仔細觀察插座銜接口的形狀，使用測量工具做好測量和記錄工作，在設計燈罩時考慮到底部和插座形狀的銜接，并且還要注意方便拆卸。對于這樣的設計類問題，筆者不會直接給出答案，而是引導學生仔細觀察，發(fā)揮自己的想象力，結合自己在實際生活中的經驗去解決問題，以期能達到有創(chuàng)造地做中學。設計：通過上一個環(huán)節(jié)的提問和探討，同學們對于郵筒小夜燈的制作展開了想象，設計的重點和突破點也有了明確的認知，但是這個認知還只是停留在腦海中，屬于意識層面，因此在設計環(huán)節(jié)有個很重要的步驟就是繪制草圖。經過草圖繪制這個步驟可以使他們將腦海中的想象逐漸清晰，同時在繪制的環(huán)節(jié)，他們還有更多的細節(jié)可以發(fā)現(xiàn)和探索。提醒學生繪圖有標注，有比例，逐步提高自己的設計素養(yǎng)。新問題的提出：在這一環(huán)節(jié)筆者經常發(fā)現(xiàn)隨著學生的思路逐漸清晰、設計逐漸細化，他們對細節(jié)的要求會更高，對新效果的實現(xiàn)更加期待。因此在這里通常還會涉及新的建模知識點的學習和探討。如在郵筒小夜燈制作中，到了這一步學生比較關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節(jié)問題。有新的問題提出，當然也會有回答。很多問題在同伴的幫助下可以內部解決，當然也可以尋求老師的指導。建模：這一環(huán)節(jié)給學生足夠的時間，在電腦上建模，建模是將創(chuàng)意想法變成現(xiàn)實的過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)。很多學校的老師在教學中都會將這一塊進行強化，放大，甚至作為整節(jié)課的重中之重。筆者認為，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生將想法和創(chuàng)意落實，想法和創(chuàng)意、以及在設計制作過程中遇到問題解決問題的能力才是我們活動課的重點。因此筆者在實際的教學活動中，在前期提問和設計環(huán)節(jié)，給予學生的時間也是很充足的。評價、切片及打?。哼@一環(huán)節(jié)，在很多學校的教學活動中都是由老師代勞的。一方面是由于設備有限，沒有那么多臺3D打印機，另一方面由于打印時間較長，學生不可能全程跟蹤。我們學校也面臨同樣的情況，因此評價就變得尤為重要，評選出幾件比較好的作品，讓他們自己利用空余時間來3D打印室打印、觀察，填寫活動記錄單，將出現(xiàn)的問題以及如何改進，對最初的設計做了哪些修改等填寫清楚，從而形成一個不斷改進和完善的良性的教學活動循環(huán)。展示：筆者認為展示是我們活動教學中不可缺少的一部分。學生經過前期認真的思考、設計、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，此時他們的心情是自豪的、激動的，他們需要將他們成功經驗與大家來分享已獲得肯定。同樣，我們失敗的同學更需要別人成功的經驗來幫助自己分析錯誤的原因。因此每次活動的最后，我們都會有一個小型的經驗分享會。

三、結束語

3D打印是一門實踐性、綜合性很強的學科，作為新技術在教育中的應用，3D打印在校園課堂中正掀起一股熱潮，對學生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)具有舉足輕重作用。3D打印在探索深化STEAM理論、體驗學習和做中學等理論的實踐過程中，提供了大量的學習資源，也支持創(chuàng)新教育模式的有益嘗試。

作者：侯娟 單位：南京曉莊學院附屬中學