STEAM理念在中职增材制造专业课堂教学中的实践运用

陈伟

摘   要：在中职增材制造课堂教学中引入STEAM教育理念，以创造、设计、建构、发现、合作并解决问题为主线，利用UG三维建模软件、切片软件为检验工具，利用动画、学习平台等手段突破教学难点，设计促进学生发展的教学策略，通过实际教学实践活动并结合结果与过程评价，解决了学生在增材制造课堂上存在的问题，有效提高了教学质量。

关键词：STEAM理念;增材制造;教学设计;课堂教学

1   增材制造与STEAM理念的融合

1.1  增材制造专业

在传统中职增材制造课堂教学中，存在着学生能绘制三维模型而缺乏创新设计思维、能操作增材制造机而无法判断并解决打印过程中的突发事件、喜爱绘图而缺少团队合作意识等问题。本文主要是在传统教学模式无法有效提升教学质量的背景下，考虑将STEAM理念融入增材制造课堂教学。由于在传统课堂教学中，中职学生在艺术、创新设计基础方面较薄弱，缺乏一定的设计思维和实践经验，在运用三维设计软件时，虽然基础作图指令可以通过大量的强化练习来解决，但面对美学和人体工程学要求时，由于缺乏人体工程美学方面的素养，往往把握不住重点。STEAM理念打破传统的重实践教育模式，对工程设计的产品不仅要有技术创新功能，还要有好看的外观设计，也就是说运用者要有艺术方面的思维和素养。融入STEAM理念于增材制造技术，正是契合了增材制造在产品功能和设计的需求，将极大提升该专业的设计水平和实践效果。

1.2  STEAM教育理念

STEAM是一种教育理念，有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式。STEAM是一种重实践的超学科教育概念。任何事情的成功都不仅仅依靠某一种能力的实现，而是需要借于多种能力之间，比如高科技电子产品的建造过程中，不但需要科学技术，运用高科技手段创新产品功能，还需要好看的外观，也就是艺术等方面的综合才能，所以单一技能的运用已经无法支撑未来人才的发展 ，未来，我们需要的是多方面的综合型人才。STEAM是通过在动手实践中培养创新意识，结合探索激发创造力潜能[ 1 ]。

1.3  增材制造技术与STEAM理念

增材制造技术是通过叠加式制造工序，根据计算机数据，利用金属、塑料或其他材料逐层自动打印物品。增材制造具有仿真性強、速度快、价格便宜、高易用性等优点。近年来，作为一种新型制造技术，增材制造展现出了十分广阔的应用前景，并得到快速发展，不但在交通、医疗保健、军事以及教育等领域得到广泛应用，而且在机械设计与制造、设备维修、航空航天等领域展现出了快速发展势头[ 2 ]。随着打印技术的发展和打印设备的升级换代，打印出的产品不仅在工艺功能方面有巨大提升，而且在艺术设计层面也更加符合人们的审美和定制化需求，显示了其强大蓬勃的生命力和更强的社会适应性和发展性。但是在产品设计尤其是涉及功能和外观设计时，中职学生由于基础知识薄弱，普遍缺乏工程设计和美学鉴赏的基本素养和积累，人体工程学方面几乎是零基础，这些基本素养的缺乏制约了中职学生的成长空间，同时传统课堂实践效果往往达不到老师的期望。

1.4   将STEAM理念融入增材制造

当今社会需要的是多方面发展的综合型人才，在此背景下，近年来国内外都十分重视STEAM教育的发展，从而引发大家都在探索STEAM教育的各种新模式。在STEAM教育教学中，增材制造技术可以给学生的“学习方式”带来新的思想，让原本比较抽象的概念变得更加容易理解，可以激发学生对课程内容的兴趣。增材制造技术让学生的想象更容易变成现实，能够培养学生的创新意识和创新实践能力，并通过运用建模软件，发展学生的立体空间思维。随着中职学校开设增材制造技术课堂教学，如何结合中职实践教学规律和中职学生特点，开展好课堂教学，成为增材制造课程亟需解决的问题。笔者通过一个具体的教学设计案例，深入阐述STEAM教学理念在增材制造课堂上的应用。

2  实践应用探索

2.1  教学分析

本课选自《3D设计与打印实训教程（机械制造）》正向三维建模与打印任务中的“无支撑填充实体的设计与打印”。正向三维工程设计是增材制造课程的核心知识点，而无支撑填充实体的设计是培养学生的思维创造和设计能力的基础，增材制造课程的终极目标就是培养学生将设想变为产品的能力。本次课完成耳朵减压神器的创新设计与增材制造。教学对象为中职增材制造专业二年级学生，课前他们已经有UG建模基础，并已掌握增材制造概论，学会打印机的基本操作和切片软件的参数设置，学生喜欢使用平台和仿真软件，但创新思维能力有待加强。

2.2  目標分析

结合教学大纲和人才培养方案，本教学案例是由三个维度的教学目标展开的，分别是知识目标、能力目标和情感目标[ 2 ] 。知识目标是掌握耳朵减压神器三维建模的方法，熟悉UG中的拉伸命令及二维草图的绘制，能初步掌握耳朵减压神器的参数设置。能力目标方面，能够根据任务要求设计出耳朵减压神器造型，并能较熟练应用增材制造设备，以及能初步发现并解决增材制造过程中出现的问题。此过程中需要学生有一定的艺术鉴赏能力，以及解决实际问题的能力。情感目标方面，培养学生创新思维及人文设计意识，团队合作精神及精益求精的工匠精神;树立安全意识及遵守操作规范。

2.3  重难点及教学策略设计

根据课程标准及职业标准，本文确定本节课的教学重点是耳朵减压神器形状的创新设计，教学难点是耳朵减压神器参数设置。突破教学重点和难点采用以下教学策略：以STEAM教育理念为导向，通过“线上+线下”的混合式教法和学生基于项目学习实践、互助合作、自主探究的学法相结合，使教师从如何教转变为引领学生如何去学。对于教学重点——耳朵减压神器形状的创新设计，采用微课、视频、UG软件等信息化手段，检验耳朵减压神器形状设计是否合理，从而突出重点。对于教学难点——耳朵减压神器参数设置及成型，通过虚拟仿真切片软件、耳朵减压神器与口罩配合不上的动画引起学生思考，学生通过登陆学习平台查找原因，完成梯度练习，轻松突破难点，提高学生自主学习能力;利用结果评价与过程评价相结合，促进学生职业发展。

2.4  教学过程

2.4.1  课前部分

课前学生被分为七个小组，把社会主义核心价值观融入课堂;老师发布两项任务：第一项是学生观看视频及感受适合长期佩戴时不同风格造型的耳朵减压神器，初步绘制耳朵减压神器草图上传至平台。第二项是学生利用数学知识测量口罩摊开总长尺寸及成人头围尺寸并上传数据。教师登录平台根据企业标准批阅并统计各组完成情况，轻松掌握学习情况和疑问，为课中学习奠定基础。

2.4.2  课中部分

（1）搭建框架。教师首先点评部分学生课前作业中的测绘误差，强调严谨的重要性，学生查看教师点评，订正课前作业，培养增材制造专业学生认真细致的工作态度。接着利用武汉最美逆行者的图片，让学生明白人文设计的重要性。接着引入校企合作的一家医疗器械公司，请学校机械专业学生参与耳朵减压神器的创新设计，引出教学任务，并发放设计要求。然后教师从医护人员拿牛奶箱的手提扣，去缓解耳朵压力的物件，启发学生最简单的设计来源于生活所需。目的是为学生的创造搭个框架。

（2）设计。学生根据任务要求，利用已具备的艺术知识，小组讨论共同完成耳朵减压神器的草图设计，完成产品设计说明书。引导学生通过课前作业和企业标准来选择材料，确保耳朵减压神器能符合要求。然后派代表展示草图作品，讲解设计思路。然后师生提出建议共同优化方案。

（3）建构。各组成员根据草图，利用技术和工程知识，在UG软件中完成耳朵减压神器的创新设计，作品完成后上传。在建模过程中，老师对各组学生遇到的问题给予针对性指导。例如，在与耳挂的接触上，要考虑耳挂的直径，图形中采用1：1的画法，更能把握尺寸的控制。个别不会的小组成员可以观看七巧板的绘制微课，掌握建模命令，从而实现分层教学，提高教学效率。然后师生按照评分标准进行点评，生成评价体系。

（4）发现。学生把耳朵减压神器的建模导入到切片软件中仿真。利用已具备的科学知识，通过切片软件检测造型中的疏漏，继续完善耳朵减压神器的设计，培养学生精益求精的工匠精神。

（5）合作。对于本节课的教学难点一一耳朵减压神器参数设置及成型，设计牵一发而动全身，参数的设置是否合理相当重要，在此通过动画、学习平台和教师示范、师生讨论来突破。首先出示不合理尺寸的耳朵减压神器与口罩配合不上的动画引出难题，为何配合不上呢？让学生思考原因，接着让学生登陆学习平台查找原因，完成梯度选择题，如在课前测量时的数据把握是否合理，是否符合简便适用的要求，在建模时是否考虑无支撑时如何从打印平台剥离而不伤产品，讨论出本组的产品合理参数。另外，工量具正确摆放，提升职业素养。在修改设计图的过程中，教师巡视各组的情况，发现问题给予意见。

（6）评价与交流。学生作业完成后，拍照上传到网络平台，然后进行展示及交流汇报，分享设计初心及收获。师生通过登录平台进行自评及评价。经历这样一个线上+线下的教学过程，完整实现了3D“造物”过程，同学们表示收获满满。同时，他们也明白了设计思维要有同理心，即站在用户的角度换位思考，而理解他人的需要和观点的“设计思维”则是学校教育着力培养学生创造力最为关键的要素。

（7）总结。教师应用信息技术采集，结果评价与过程性评价相结合，对学生进行多维、智能评价[ 3 ]，并展示学生中评价最好的作品，把他们的设计传递给企业，让学生有机会与企业进行更好地探讨与交流，进而提升自身的实践经验。

2.4.3  課后部分

课后教师根据人才培养方案提出任务;课下咨询校企合作的企业工程师，对产品进行优化后进行产品打印，将产品及相关数据上传至学习平台。老师通过登陆平台了解任务完成情况，要求得分少的同学观看微课，巩固所学知识，突破教学时空局限。

3  实践效果

从教学设计和课堂实践效果来看，将STEAM教育理念融入课堂教学实践，通过以项目教学的形式，推动以实践为中心，体现STEAM教育理念，使学生意识到增材制造技术应用于工程设计时，不仅要掌握三维软件和打印技术满足生产需要，同时也要结合生活实践和生产实际，进行艺术和美学方面的优化处理;另外，更重要的是同过团队合作，相互发现不足并解决问题。

存在的问题和不足：学生对于STEAM的教育理念理解不深，对STEAM如何更好融入增材制造技术应用还有许多理解不到位的情况。尤其是学生在艺术审美方面无法快速提升，需要一定的时间和过程。在工程设计方面，学生更多的是从功能出发，人体工程学方面无法理解太多，接下来应着重提升学生美学，工程设计和人体工程方面的素养，多进行实践，不断提升STEAM融入增材制造技术课堂教学实践教学质量。

4  结束语

STEAM教育理念适应增材制造技术的教育创新要求。STEAM教育的真实情境是课程的核心概念，也是跨学科课程能够引发学生参与动机的关键，增材制造技术课程内容变得越来越综合性、生活化;学生学习方式以协作学习项目化学习为主;教学资源越来越丰富，数字化教学资源还给学生提供探究活动所需的实验器材。STEAM教育为实现多元化学习评价提供了契机，学科知识通过融入实践活动与学生学习结果相联系，因此评价维度包括了学生的知识理解、技能展示、价值观等，同时关注认知性评价、基于证据的评价和表现性评价[ 3 ]。STEAM教育使教师角色发生了转变，即从知识的给予者变为学生获取知识的协助者。

参考文献：

[1]庞广钰.浅谈中学生创新精神和综合能力培养的研究[J].中国校外教育，2019（30）.

[2]陆萍.浅析增材制造课程渗透学生的核心素养[J].新课程导学，2018（17）.

[3]陈寿花，柳晓霞.中职教师会计技能和说课竞赛备赛策略[J].求知导刊，2017（36）.