工程設(shè)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(shè)計過程為主線，設(shè)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(guān)鍵詞】3D打印STEAM工程設(shè)計過程創(chuàng)新教育

一、STEAM、3D打印、工程設(shè)計

1．STEAM是什么

STEM是科學（Science）、技術(shù)（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(diào)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(shù)（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(shè)計為基礎(chǔ)的一門交叉性很強的綜合設(shè)計課程。任何一個設(shè)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(guān)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(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(shè)計

STAEM課程設(shè)計的六要素有：來自現(xiàn)實問題、以工程設(shè)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(shè)計是核心，它要求與實際生活密切相關(guān)，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(shè)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(shè)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(shè)計進行改善，以達到解決問題的最優(yōu)化。

二、基于工程設(shè)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(shù)，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(shù)如何進課堂，怎么和教學相結(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)計過程為主線、設(shè)計一次活動課。活動一般分為三個階段。第一階段是課堂時間80分鐘，作品設(shè)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)計彎曲造型。E目標：掌握工程設(shè)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(shè)計。A目標：在設(shè)計過程中要時刻考慮作品的藝術(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：設(shè)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(shè)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(jié)，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(jīng)基本不用它了。今天我們把這兩者相結(jié)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(gòu)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)模F(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(shè)計

活動過程大致可分為五個環(huán)節(jié)，分別是問題、設(shè)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(shè)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。活動記錄表貫穿于整個活動中，它就像一根無形的指揮棒，引領(lǐng)學生的整個活動。提問：學生在了解本次活動的內(nèi)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(shè)，大家一起討論，也可以將自己的初步設(shè)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(jīng)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(jù)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(shè)計，除使用前面學習的放樣技術(shù)，還可以使用其它技術(shù)來實現(xiàn)嗎？這類建模技術(shù)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(zhuǎn)成形，并對旋轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié)合自己在實際生活中的經(jīng)驗去解決問題，以期能達到有創(chuàng)造地做中學。設(shè)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(shè)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(shè)計環(huán)節(jié)有個很重要的步驟就是繪制草圖。經(jīng)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(shè)計素養(yǎng)。新問題的提出：在這一環(huán)節(jié)筆者經(jīng)常發(fā)現(xiàn)隨著學生的思路逐漸清晰、設(shè)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(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(nèi)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(shè)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(shè)計環(huán)節(jié)，給予學生的時間也是很充足的。評價、切片及打印：這一環(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(shè)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(shè)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(jīng)過前期認真的思考、設(shè)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(jīng)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(jīng)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(jīng)驗分享會。

三、結(jié)束語

3D打印是一門實踐性、綜合性很強的學科，作為新技術(shù)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