基于STEAM理念的中職3D打印實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)實(shí)踐

陳秋鴻

摘要：在中職3D打印實(shí)訓(xùn)教學(xué)中引入STEAM教育理念，以創(chuàng)新、創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、建構(gòu)、實(shí)施為主線，依托3Done Plus三維建模軟件、Cura切片軟件構(gòu)建的教學(xué)平臺，利用動畫、微課、學(xué)習(xí)通等手段突破教學(xué)重難點(diǎn)，設(shè)計(jì)能促使學(xué)生全方位發(fā)展的教學(xué)策略。通過教學(xué)實(shí)施及過程評價，能夠解決3D打印實(shí)訓(xùn)課程中存在的問題，有效提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：STEAM教育理念;中職;3D打印課程;綜合能力培養(yǎng)

中圖分類號：TP391.73-4;G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-9052（2022）02-0-03

著力提升學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)是確保我國職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展的重要保障，但大部分中職學(xué)生均存在分析解決問題能力不足、創(chuàng)新意識缺乏、創(chuàng)新能力不強(qiáng)等問題。本文就上述問題結(jié)合學(xué)校實(shí)際，提煉STEAM教育理念的核心特征，將之融入數(shù)控專業(yè)的日常教學(xué)，并以3D打印課程為例闡述STEAM教育理念與學(xué)科教學(xué)的完美融合。

一、STEAM教育理念助力3D打印實(shí)訓(xùn)課教學(xué)

（一）STEAM教育理念

STEAM作為一種重實(shí)踐的教育理念，需科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等進(jìn)行跨學(xué)科融合。廈門市同安職業(yè)技術(shù)學(xué)校（以下簡稱本校）結(jié)合中職教育的特點(diǎn)延伸出創(chuàng)新（Innovation）、創(chuàng)造（Create）兩個模塊。STEAM教育理念強(qiáng)調(diào)公共基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的融會貫通，注重學(xué)生文化素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)、綜合職業(yè)能力與可持續(xù)發(fā)展能力的培養(yǎng)[1]，符合當(dāng)下創(chuàng)新教育、個性化教育的理念，非常契合中職學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求。

（二）STEAM教育理念與3D打印課程的完美融合

3D打印課程無時無刻不在彰顯STEAM教育理念。草圖的設(shè)計(jì)需運(yùn)用美術(shù)、數(shù)學(xué)、物理等方面的知識，模型比例、尺寸、顏色等設(shè)計(jì)體現(xiàn)了數(shù)學(xué)、科學(xué)、藝術(shù)和工程等素養(yǎng)的融合;3D One Plus三維模型構(gòu)建需應(yīng)運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方面的知識，體現(xiàn)了技術(shù)與工程素養(yǎng)的融合;模型的修繕需運(yùn)用美術(shù)方面的知識，體現(xiàn)了藝術(shù)素養(yǎng)。所以3D打印課程的實(shí)施能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提升其創(chuàng)造力、創(chuàng)新力、想象力及技術(shù)、工程思維的發(fā)展。

二、基于STEAM教育理念的3D打印實(shí)訓(xùn)課教學(xué)實(shí)踐

（一）教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖

融合STEAM理念的教學(xué)模式應(yīng)具備真實(shí)的企業(yè)問題或生活情境的導(dǎo)入、關(guān)鍵問題或項(xiàng)目任務(wù)的提出、解決方案的設(shè)計(jì)、完善、實(shí)施過程、最終產(chǎn)品的交流展示以及過程評價等步驟，如圖1所示。

（二）課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

第一，課程名稱：設(shè)計(jì)制作不同類型的齒輪傳動機(jī)構(gòu)。

第二，STEAM教學(xué)目標(biāo)。S（科學(xué)）：掌握齒輪傳動的類型、原理及主要參數(shù)，了解齒輪傳動的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。T（技術(shù)）：學(xué)會3D One Plus建模軟件、Cura切片軟件的基本操作，熟練使用3D打印機(jī)。E（工程）：利用建模軟件繪制不同類型的齒輪傳動機(jī)構(gòu)3D模型。A（藝術(shù)）：對制作好的實(shí)體模型進(jìn)行顏色搭配、修改。M（數(shù)學(xué)）：設(shè)計(jì)出比例尺寸合適的齒輪傳動機(jī)構(gòu)。

第三，教學(xué)步驟設(shè)計(jì)（如表1所示）。

（三）課堂教學(xué)實(shí)施過程

1.課前部分

學(xué)生進(jìn)行分組，教師將職業(yè)素養(yǎng)、勞動教育、勞模精神等思政要素融入本次教學(xué)。教師在“學(xué)習(xí)通平臺”發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)：一是觀看3D One Plus的教學(xué)視頻，復(fù)習(xí)鞏固其基本操作方法，完成簡單模型的繪制作業(yè);二是學(xué)生接收“設(shè)計(jì)制作不同類型的齒輪傳動機(jī)構(gòu)”任務(wù)書，觀看各類齒輪傳動機(jī)構(gòu)的傳動示意圖，借助互聯(lián)網(wǎng)查詢相關(guān)資料，構(gòu)思本組齒輪傳動機(jī)構(gòu)的構(gòu)建思路。此階段采用線上教學(xué)模式，不僅能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，還能幫助教師快速了解任務(wù)完成情況及軟件使用的熟練程度，提升課堂教學(xué)效率。

2.課中部分

第一，搭建框架。教師首先點(diǎn)評線上模型繪制作業(yè)存在的問題，強(qiáng)調(diào)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹匾?，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真細(xì)致的工作態(tài)度。組織學(xué)生連線企業(yè)技師聽取齒輪傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)行的原理，溝通、交流讓學(xué)生明確本次設(shè)計(jì)任務(wù)的重要性、注意事項(xiàng)，借此引出本次課的學(xué)習(xí)任務(wù)及設(shè)計(jì)要求。同時教師通過PPT講解齒輪傳動設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為學(xué)生的創(chuàng)造搭建框架。此環(huán)節(jié)要求學(xué)生具備相關(guān)科學(xué)及數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

第二，設(shè)計(jì)模型。學(xué)生接受任務(wù)要求，整合知識點(diǎn)及課前設(shè)計(jì)思路，利用已具備的藝術(shù)知識、科學(xué)知識，小組討論完成齒輪傳動機(jī)構(gòu)的草圖設(shè)計(jì)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)說明書。教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)網(wǎng)上查閱資料及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來選擇材料，確保設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合使用要求。以小組為單位派代表展示草圖作品，闡述設(shè)計(jì)思路，組內(nèi)、師生間互相談?wù)?，提出建議共同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。此環(huán)節(jié)要求學(xué)生具備相關(guān)科學(xué)、工程、藝術(shù)素養(yǎng)。

第三，建構(gòu)三維模型。各小組根據(jù)修改后的草圖配以技術(shù)、工程知識，利用3D One Plus軟件完成齒輪傳動機(jī)構(gòu)各零件模型的繪制并上傳。在建模過程中教師應(yīng)及時對學(xué)生遇到的問題給予針對性指導(dǎo)，個別不會的小組可參照“學(xué)習(xí)通”的繪制微課，利用微課所給的形狀及齒輪參數(shù)進(jìn)行建模，從而實(shí)現(xiàn)分層教學(xué)，提高學(xué)習(xí)效率。本次課的教學(xué)難點(diǎn)在于齒輪、蝸桿的參數(shù)設(shè)置及各齒輪之間的嚙合，參數(shù)設(shè)置是否正確直接影響齒輪裝配后整個機(jī)構(gòu)的傳動。學(xué)生可以通過裝配仿真發(fā)現(xiàn)相應(yīng)問題，重新設(shè)計(jì)模型尺寸和結(jié)構(gòu)，完善設(shè)計(jì)方案。此環(huán)節(jié)要求學(xué)生具備科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等綜合素養(yǎng)。

第四，切片修繕、合作提升。學(xué)生將繪制好的各齒輪模型導(dǎo)入Cura切片軟件進(jìn)行切片設(shè)置，利用科學(xué)知識檢測各齒輪模型的缺漏，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的工匠精神。將切片后的打印程序?qū)?D打印機(jī)進(jìn)行增料成形加工，檢驗(yàn)成品是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，裝配后的傳動是否符合設(shè)計(jì)要求。如不符合要求應(yīng)倒推出錯環(huán)節(jié)，組內(nèi)討論解決方法，再修改再打印。此環(huán)節(jié)要求學(xué)生具備科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等綜合素養(yǎng)。

第五，評價、交流、總結(jié)。教師組織小組代表進(jìn)行作品展示，分享作品設(shè)計(jì)初心、創(chuàng)新點(diǎn)以及遇到的問題、解決方案。教師分發(fā)考核評價表，組織學(xué)生進(jìn)行自我評價、小組成員間互評、組與組之間互評。同時教師通過“學(xué)習(xí)通”匯總評價結(jié)果，結(jié)合過程、結(jié)果等進(jìn)行多維度、客觀地點(diǎn)評。教師就本次教學(xué)活動進(jìn)行知識、技能、學(xué)生表現(xiàn)的概括及總結(jié)，及時發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新點(diǎn)、指正不足，串聯(lián)知識點(diǎn)，鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)成果。

3.課后部分

學(xué)生上傳作品模型、實(shí)物及設(shè)計(jì)說明書，總結(jié)相關(guān)知識點(diǎn)及技能。教師根據(jù)教學(xué)效果布置分級任務(wù)及作業(yè)，要求評價得分少的學(xué)生重新觀看微課，鞏固所學(xué)知識;得分較高的學(xué)生進(jìn)行課外拓展，如設(shè)計(jì)基于齒輪傳動機(jī)構(gòu)的實(shí)用小物（風(fēng)扇、打蛋器等）。針對個體差異進(jìn)行分層拓展最大限度地挖掘?qū)W生潛力，提升學(xué)生創(chuàng)造和創(chuàng)新能力。

（四）實(shí)施效果

本次課通過項(xiàng)目教學(xué)的形式充分融合STEAM教育理念，將機(jī)械基礎(chǔ)、機(jī)械制圖、三維仿真、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科的知識及技能融入教學(xué)過程，學(xué)生不僅掌握了三維軟件及打印技術(shù)等相關(guān)技能，還能結(jié)合生活實(shí)際及生產(chǎn)需求進(jìn)行藝術(shù)與美學(xué)的優(yōu)化處理，提高了自身的藝術(shù)修養(yǎng)。通過教學(xué)反饋我們還發(fā)現(xiàn)學(xué)生對3D打印課程的感興趣程度遠(yuǎn)超其他學(xué)科，同時也希望其他學(xué)科也能進(jìn)行STEAM課改。

三、結(jié)語

綜上所述，融合STEAM教育理念開展3D打印項(xiàng)目教學(xué)活動，能夠充分培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、知識靈活遷移應(yīng)用能力、實(shí)踐能力及創(chuàng)造、創(chuàng)新精神。STEAM項(xiàng)目活動為學(xué)生營造一種更為開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在“做”中主動完成了科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等跨界知識的習(xí)得和內(nèi)化，思維得以拓展，創(chuàng)新意識和能力明顯提升[2];同時對教師又提出了更高的要求，教師只有不斷儲備和更新跨學(xué)科的知識與技能，才能更好地設(shè)計(jì)和實(shí)施STEAM教學(xué)[3]，提升課堂教學(xué)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉艾仲，蒙友英.中高職銜接教育中職業(yè)素養(yǎng)課程的審視和探索——以會計(jì)和電子商務(wù)專業(yè)為例[J].教育教學(xué)論壇，2018（21）：235-237.

[2]程美.基于STEAM的高職3D打印課程設(shè)計(jì)[J].中國教育信息化，2020（8）：42-44.

[3]段喚春，賀玉婷.融合3D打印技術(shù)的STEAM教學(xué)探究——以“設(shè)計(jì)制作不同形狀和結(jié)構(gòu)的橋”為例[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2020（11）：69-72.

（責(zé)任編輯：董維）