基于工程设计过程的3D打印教学活动模式探索
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作者:侯娟
【摘要】以STEAM理念为指导，以工程设计过程为主线，设计了一次3D打印的教学活动。尝试打破课堂教学的时间限制，将活动延续到了课下的碎片化时间。同时在活动过程中通过不断地发现问题，解决问题来完善作品。
【关键词】3D打印 STEAM 工程设计过程 创新教育
在深化教育改革、提倡创新的大背景下，创新教育以及STEAM理念不断被人们关注和接受。在这些理念的推动下，随着能够促进学生设计思维和创新能力发展的3D打印技术的推广，使得3D打印很快成为创新教育的新资源、新工具。各种政策的确立更是加快了3D打印进课堂的步伐。因此为全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，培养创新型人才，我校开设了3D打印校本课程，旨在探索新时代、新课程背景下，科技创新教育的新方法，同时也希望引导学生在3D校本课程中开展积极有效地思考、探索，培养他们的创新意识和科学素养。
一、STEAM、3D打印、工程设计
1.STEAM是什么
STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）英语首字母的缩写。长久以来这四门知识都是单独教学的，缺乏整合，而STEM则强调四门知识的融合，而不是简单的相加。随着课程的改革以及STEM教育实践研究的开展，艺术（Arts）类课程也添加到STEM，形成了STEAM教育。虽然STEAM是一个较新的名词，但是我们在实际生活中遇到的大多数问题都需要这几门知识共同解决。
2.Steam与3D打印
3D打印是以3D设计为基础的一门交叉性很强的综合设计课程。任何一个设计都不是一蹴而就的，也不是孤立的，它需要你去了解它所处的环境、功用及与之相关的背景知识，同时还要融合数学、科学、工程等知识，以锤炼出它的精准性，当然，对一个作品来说艺术感也是不可或缺的。因此我们发现3D打印课程能够很好地诠释当下比较流行的STEAM教学理念，因此在实际的课堂教学以及校本活动中真正将STEAM理念融合到教学活动中的呈现出立体的教学活动就变得尤为重要。
3.工程设计
STAEM课程设计的六要素有：来自现实问题、以工程设计问题为引导、让学生进入开放式探索中、团队合作、严格的教学和学科知识、允许问题多个答案，从失败中改进。其中工程设计是核心，它要求与实际生活密切相关，其过程一般分为提问—想象—计划—创造—完善这几个环节。提问：主要是以学生提问为主，教师可以适当给与引导，问题应尽量指向解决问题所遇到的障碍及限制。想象：想象可能的解决方法，以及解决问题的思路。设计：将想象的方案通过文字、图表等方式呈现出来。创造：按照你的计划以及设计图纸进行建模，将其制造出来。完善：在以上几个环节中，都可以不断地对自己的想法、设计进行改善，以达到解决问题的最优化。
二、基于工程设计过程的3D打印教学活动模式——以邮筒小夜灯为例3D打印作为新技术，在教育行业的应用还没形成一定的规模，也没有一个明确具體的模式可以借鉴和学习。因此3D技术如何进课堂，怎么和教学相结合，以什么形式开展，都还处在探索阶段。笔者以我校3D打印校本课程中的邮筒小夜灯为例尝试以探索以工程设计过程为主线、设计一次活动课。
活动一般分为三个阶段。第一阶段是课堂时间80分钟，作品设计。第二阶段课后碎片化时间，3D打印成形。第三阶段课堂时间10分钟，成果展示交流。
1.立体的教学活动目标
基于STEAM的3D打印教学，从教学目标的设计及确定不应仅仅局限于3D打印，更不应局限于3D打印的软件教学。因此笔者对这节课的教学活动目标做了如下设定。S目标：知道传统信件传递的过程，了解Email的传递原理。T目标：掌握旋转成面的基本制作方法，会用投影以及沿着曲线流动等工具设计弯曲造型。E目标：掌握工程设计过程解决问题的一般方法，提问、想象、计划、创造、完善，从功能角度考虑小夜灯灯座与灯罩的卡扣设计。A目标：在设计过程中要时刻考虑作品的艺术形态美、装饰美、需要着色的作品还需考虑色彩搭配。M目标：设计和建模时要考虑作品的尺寸和比例，对应各个实例作品在设计和制作中还要利用计算准确地进行测量。
2.情境导入
以温暖为主题请学生开启头脑风暴，说出你觉得温暖的事物。老师总结，并抛出本次活动的主题邮筒小夜灯。小夜灯灯光柔和，在黑暗中，起到指引照明的作用，让你夜晚起床时感觉到一丝温暖，而邮筒是大家都熟悉却有陌生的存在，熟悉的是它所传递出的各种温暖的情感，有亲情的、友情的，也有爱情的，陌生的是我们现在已经基本不用它了。今天我们把这两者相结合，制作一个邮筒小夜灯，让我们在充满爱意的温暖灯光中入眠。
3.搭建立体的教学活动支架
教师为学生搭建背景知识支架。教师通过提问的方式构建出信件传递的知识背景。邮筒是干什么的？它的作用是什么？传统的信件是如何传输的，现代E-mail又是如何传递信件的等一系列问题拓宽学生的知识面，达到知识的融会贯通，同时也体现知识的整合。学生填写活动记录单中知识拓展模块（具体见下文）。
4.教师列出本次活动所提供的材料。
本次活动提供材料：
5.活动过程设计
活动过程大致可分为五个环节，分别是问题、设计、建模、切片打印、以及展示。整体呈顺时针的方向逐渐向下深入，同时随着思考的深入和建模的逐渐完善，以及切片和打印中出现的新问题，新处理又可以反过来对设计进行修改。过程中这五个环节都由活动记录表紧密相连。活动记录表贯穿于整个活动中，它就像一根无形的指挥棒，引领学生的整个活动。
提问：学生在了解本次活动的内容以及学习目标后，对照自己的想法，对可能会遇到的问题进行一个预设，大家一起讨论，也可以将自己的初步设计思路拿出来探讨，对本节课的重点和难点以及新知识点都可以在这里进行梳理和讲解。 以下是学生在活动中经常提出的问题列举：
问题1：小夜灯如何供电？
引导学生分析所提供的材料。根据我们所提供的材料来看，本次活动我们选择了最简单的供电形式，带LED灯珠的插头，插到插座上即可发光。
问题2：邮筒灯罩的设计，除使用前面学习的放样技术，还可以使用其它技术来实现吗？这类建模技术点求新的问题，笔者一般直接给出方法，满足他们的好奇心和求知欲。如对于本问题的回答：可以，我们可以使用一种新的曲面建模技巧——旋转成形，并对旋转成形的要点进行讲解。
问题3：灯罩和插座的接口怎么衔接呢？
这是我们这节课要解决的一个设计类小问题。老师给与你们的建议是先仔细观察插座衔接口的形状，使用测量工具做好测量和记录工作，在设计灯罩时考虑到底部和插座形状的衔接，并且还要注意方便拆卸。
对于这样的设计类问题，笔者不会直接给出答案，而是引导学生仔细观察，发挥自己的想象力，结合自己在实际生活中的经验去解决问题，以期能达到有创造地做中学。
设计：通过上一个环节的提问和探讨，同学们对于邮筒小夜灯的制作展开了想象，设计的重点和突破点也有了明确的认知，但是这个认知还只是停留在脑海中，属于意识层面，因此在设计环节有个很重要的步骤就是绘制草图。经过草图绘制这个步骤可以使他们将脑海中的想象逐渐清晰，同时在绘制的环节，他们还有更多的细节可以发现和探索。提醒学生绘图有标注，有比例，逐步提高自己的设计素养。
新问题的提出：在这一环节笔者经常发现随着学生的思路逐渐清晰、设计逐渐细化，他们对细节的要求会更高，对新效果的实现更加期待。因此在这里通常还会涉及新的建模知识点的学习和探讨。如在邮筒小夜灯制作中，到了这一步学生比较关心得是文字如何弯曲成形紧贴着筒壁？图形如何紧贴筒壁等细节问题。
有新的问题提出，当然也会有回答。很多问题在同伴的帮助下可以内部解決，当然也可以寻求老师的指导。
建模：这一环节给学生足够的时间，在电脑上建模，建模是将创意想法变成现实的过程中非常重要的一个环节。很多学校的老师在教学中都会将这一块进行强化，放大，甚至作为整节课的重中之重。笔者认为，建模的过程固然重要，但是作为工具和方法而言，它的主要作用是帮助学生将想法和创意落实，想法和创意、以及在设计制作过程中遇到问题解决问题的能力才是我们活动课的重点。因此笔者在实际的教学活动中，在前期提问和设计环节，给予学生的时间也是很充足的。
评价、切片及打印：这一环节，在很多学校的教学活动中都是由老师代劳的。一方面是由于设备有限，没有那么多台3D打印机，另一方面由于打印时间较长，学生不可能全程跟踪。我们学校也面临同样的情况，因此评价就变得尤为重要，评选出几件比较好的作品，让他们自己利用空余时间来3D打印室打印、观察，填写活动记录单，将出现的问题以及如何改进，对最初的设计做了哪些修改等填写清楚，从而形成一个不断改进和完善的良性的教学活动循环。
展示：笔者认为展示是我们活动教学中不可缺少的一部分。学生经过前期认真的思考、设计、建模、打印、完善，终于一件饱含自己心血的作品成功制作完成，此时他们的心情是自豪的、激动的，他们需要将他们成功经验与大家来分享已获得肯定。同样，我们失败的同学更需要别人成功的经验来帮助自己分析错误的原因。因此每次活动的最后，我们都会有一个小型的经验分享会。
三、结束语
3D打印是一门实践性、综合性很强的学科，作为新技术在教育中的应用，3D打印在校园课堂中正掀起一股热潮，对学生创新精神和实践能力的培养具有举足轻重作用。3D打印在探索深化STEAM理论、体验学习和做中学等理论的实践过程中，提供了大量的学习资源，也支持创新教育模式的有益尝试。
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