基于STEAM的小學《3D打印》課程設計與教學實踐研究

鄭 賢

(廣東省廣州市海珠區實驗小學，廣東 廣州 510245)

基于STEAM的小學《3D打印》課程設計與教學實踐研究

鄭 賢

(廣東省廣州市海珠區實驗小學，廣東 廣州 510245)

培養創新人才成為現代教育研究的重中之重，而基于STEAM的課程和教學則是創新人才培養的有效途徑。該文基于STEAM教育思想，設計了3D打印課程，該課程既能傳授現代科技新知，又能培養學生創新思維能力。最后，在設計基礎上開展了針對小學生學習的3D打印課程設計與實踐探索，探索了通過3D打印課程培養學生創新思維的方法，對于課程教學的設計具有一定的啟發意義。

STEAM；教學創新；3D打印課程；設計；實踐

一、引言

21世紀的教育，以培養具有創新精神和創新能力的新型人才，推動社會發展和進步為使命。2015年，李克強總理在政府工作報告中提出“大眾創業，萬眾創新”，更把“創新”提升到了一個前所未有的高度。近年來，為了進一步探索教學創新，一些國家嘗試將3D打印技術應用于STEAM課程中，以推動技術對創新教學的發展，使得技術與藝術人文教育和工程教育融合成學校文化的一部分。

雖然3D打印技術適應信息化時代發展的需求，在國內也較為新穎，但是目前設計成熟并適合小學生學習的3D打印課程卻是極度缺乏。面對新技術和教育新理念的變革浪潮，在基于STEAM教育思想的教育教學實踐中，教育工作者需要不斷反思，不斷創新教育教學新思想、新經驗，提高教學質量[1]。

二、STEAM教育理念

20世紀80年代，STEM課程在美國逐漸發展，其本身是為了提高美國學生對理工科知識的興趣而建立的課程。STEM教育通過整合Science(科學)、Technology(技術)、Engineering(工程)、Mathematics(數學)領域內容指引教學和學習的途徑和方法，它并不是將這四門課程知識的簡單疊加，而是要將多學科內容的交叉融合形成有機整體，倡導問題解決驅動的跨學科教育，旨在培養學生的問題解決能力、團隊合作能力、設計能力和實踐創新能力[2]。STEM教育的出現改變了傳統的教育理念和思維方式，引導人們重新探索新型的教學方式。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課程中[3]，形成以STEAM課程為主要特色的STEAM教育，并逐漸在美國、韓國、英國等國家受到關注[4]。

在國內，2015年新媒體聯盟《地平線報告》(K12版)，將STEAM列為未來1-2年技術驅動K12教育的重要趨勢[5]。傅騫等認為，STEM教育是一種教學策略，通過借助基于設計的學習、基于項目的學習和探究性學習等學習方式，培養學習者解決實際問題的能力[6]。任友群等人提出，STEAM教育是以項目學習、問題學習為主的學習方式，它在STEM教育基礎上進行了延伸和拓展，形成一種新的教育模式，是技術與工程教育和藝術人文教育的融合，旨在推動技術驅動的教學創新[7]。余勝泉等認為，STEAM教育以多學科整合的教學方式，注重過程和實踐，以真實問題為向導，強調知識與能力并重，倡導“做”中“學”；強調創新思維和能力的培養，注重知識的跨學科遷徙及其與學習者之間的關聯[8]。STEAM教育的這些理念和思想融入到信息技術課程和教學中，有利于通過技術的學習培養學生的創新能力。

三、3D打印課程

作者以中望3Done打印技術為依托，設計了適合小學生學習的3Done打印課程。該課程采用項目學習的形式，以STEAM教育思想為導向，以做中學為策略，并以激發學生學習興趣、貼近學生生活為出發點，進行課程的設計與實踐。

(一)3D打印與3D打印課程(3D Printing)

3D打印也叫“三維打印”，基于所創建的原型樣品或者實體模型，運用塑料、樹脂、粉末狀金屬或其他材料，通過逐層打印實現快速成型[9]。3D打印技術為科技的創新提供了一個新的平臺，被喻為第三次工業革命的核心技術之一。3D打印課程是以3D打印技術為主的課程，是以“傻瓜型”三維設計軟件為基礎的課程。為了促進我國中小學的創新教育，結合時下影響意義深遠的3D打印技術，國內有關公司，根據8-18歲孩子的教育特點，開發出適用于中小學的3D打印設計軟件——3Done，并配套3D打印教學課程資源。通過3D打印實體的觸覺過程，建立新型的簡易3D建模學習通道，快速搭建起某種類型的簡易模型，最終利用3D打印機將設計實體化。

(二)3Done打印軟件的特點

趣味性學習是3Done打印軟件的核心關鍵。3Done打印軟件界面簡潔，功能強大，易于上手，非常符合中小學的開放思維創意操作，讓學生能夠簡單、輕松、快捷地表達創意想法，能讓沒有任何基礎的學生在短短的十分鐘通過“搭積木”堆砌、拖拉等操作方式，掌握最基礎的3D繪畫設計，極大地激發了學生學習3D打印的興趣與熱情。

促進學科融合是3Done打印軟件的創新特色。運用3Done打印軟件進行創意操作，所涉及的學科學習有信息技術、綜合實踐、美術、科學、通用技術等，由此也促進了特色課程的產生，如校本教材、創客空間(設計、制作、展示)、特色教室、學習資源的開發等。在3Done打印軟件的創意學習中，綜合運用多學科知識與技能，學科的融合，更有利于充分調動學生探究能力、創新能力，促進學生創新思維以及邏輯思維的發展。

(三)3Done打印軟件的教學模式

3Done打印軟件賦予了教學互聯網社區的性質，幫助教師設計更加豐富多彩的講課方案，是“互聯網+”對傳統教育的最大推動。目前，在3Done創意社區中，學生可以在自己的社區賬戶中將隨手設計的圖紙上傳，并且展示到個人空間中。教師可以查看學生作品的進展，欣賞學生設計的作品，鼓勵學生之間進行評論和點贊，提高師生之間、生生之間的交互。此外3Done所具有簡單易用的程序環境，支持專業級的涂鴉式平面草圖繪制，可進行豐富實用的3D實體設計，提供多種多樣的顯示控制，并能通過內嵌于軟件的社區網站下載3D打印模型。3Done強大的功能與簡單易用的程序環境相結合，使得學生更易上手，創意更容易實現，更有助于對學生創新精神的培養。

四、3D打印課程的教學設計與實踐

(一)3D打印課程教學的基本思想

1.做中學

美國著名教育家杜威認為，“做中學”即從生活經驗中積累知識、從實際活動中進行學習，在情景化的教學場所中，讓學生通過親身體驗，在不斷地觀察、實驗、探究、創作中解決真實問題[10]。3D打印課程思想，也正符合杜威的“教育即經驗”“教育生活”“教育即生長”三個核心命題[11]。3D打印課程教學也正是讓學生在現實生活中發現問題，在實際操作中完成知識的學習和技能的掌握，從而達成最終的教育目標，培養學生的創新能力。

2.項目學習

項目學習(PBL)是一套系統的教學方法，它是以解決真實、負責的問題為目的，對項目任務進行精心設計、探究、實施的過程，在這個過程中，學生能夠進行設想、驗證、完善、創造出某種東西，從而培養創新能力和動手操作能力[12]。在3D打印課程的學習中，運用項目學習是指在現實生活中借助豐富的資源進行探究活動，主動完成項目的實施和完善，應用3D打印技術將制作的作品向他人展示，并解決其他一系列相關問題的一種新型探究型學習模式。

3.設計思維

設計思維是以解決方案為導向的思維形式，它不是從某個問題入手，而是從目標或者是要達成的成果著手，探究問題的解決方案，是一種獨特的“在行動中進行創意思考”的方式。3D打印學習所倡導的就是設計思維。通過發現生活中的問題，以解決問題作為要達成的成果，獨立思考，合作分享，利用3D打印技術進行技術解決，3D打印為問題的解決方案提供了有效的實施措施。

(二)基于STEAM思想的《3D打印》課程教學目標

新媒體聯盟《地平線報告》(2015基礎教育版)將3D打印列為未來2-3年技術驅動K12教育的重要趨勢[13]。在小學階段，信息技術課程是一門綜合學科，教學內容不再局限在作品創作的具體操作步驟，而是將編寫程序、科學、技術、各種軟環境的分析比較、作品美感和數學問題有機融合到信息技術課程體系當中，這也正符合STEAM注重學生設計能力、批判性思維和問題解決能力的教育理念和思想。3D打印課程教學旨在培養學生的創新能力、提高學生的科學素養。在課程中，不斷激發學生的想象力，讓學生體驗作品從無到有的產生過程，感受創意變成真實事物的設計、開發過程。與傳統教育中“以知識傳授為主”的課程相比，3D打印課程的教學顯得格外生動形象，它讓學生通過自己的感覺器官親自接觸具體的事物，“做中學”，使抽象的概念具體化、形象化。由于3D打印將創意變成真實，有助于提高學生的參與能力和動手能力，激發學生的學習積極性，培養學生的創新性和創造力[14]。將3D打印技術嵌入STEAM課程使知識可視化，催生創客式的教學新樣態，培養學生的科技素養和數字素養，從而為教育科技創新提供平臺，實現平面教育到立體教育的轉變[15]。

許多專家試圖探索信息技術課程結構的穩定性，希望將其變成一門成熟的學科，但是在信息化社會不斷發展的背景下，信息技術又必須保持不斷求新、不斷求變的方式。這似乎是一個互相矛盾的問題，其實不然，在基礎教育領域匯總，教師更多的是教授學生一種科學化、創新化的思維方式，了解運用不同技術手段解決問題的區別和聯系[16]。因此，不斷變化發展的信息技術課程是一個學科發展的需求，基于STEAM教育思想的3D打印課程的設計也符合信息化社會發展的要求。

(三)3D打印課程的教學設計與實踐

1.教學設計思路與實施

《3D打印》課程教學以“我的樂園我做主”為主線，通過讓學生運用3Done打印軟件，設計游樂園的城堡、海盜船、摩天輪、大風車、旋轉椅等等的游樂設施，把3Done打印軟件所要掌握的命令工具融合到設計樂園的活動中，給學生提供情景化的學習場所，以真實問題出發，在解決問題的過程中掌握3Done打印知識，從而提高學生問題探究能力、解決問題能力、創新思維能力。下面以3Done打印課程中的第2課《設計3D神筆——基本實體與顏色渲染》為例，介紹3Done教學設計的思路和實施。

(1)創設情境，激發興趣

課程設計了三位虛擬人物魔法公主(充當教師角色)、龍龍和貝貝(充當學生角色)的卡通造型，并且課程自始至終是從這三位虛擬人物進入3Done世界后的相互對話來展開整個學習活動。豐富的情景，再配上引人入勝的故事情節，使學生的學習就如進入神奇的世界。卡通人物的設計能抓住學生的眼球，凸顯出STEAM教育的Art部分，培養學生的審美意識。

如第2課的開篇語，龍龍和貝貝說：“魔法公主，我們有一個夢想，想設計一個樂園。 ”

魔法公主說：“那就用3Done軟件設計吧，這如同‘搭建積木’一樣形象、快捷。你們看，我這里就有一個3D樂園的模型。”

龍龍和貝貝說：“嘩，好漂亮！我們也想學習設計，這樣我們就可以‘我的樂園我做主’”。

魔法公主：“好！在學習前，我先‘送’你們一支3D神筆，有了它，你們就可以實現創意設想了。”

“筆”在3Done設計里是由圓柱體和圓錐體組成的，通過設計一支筆，就很自然引出3Done命令工具“基本實體”中的“圓柱體”和“圓錐體”的新知學習。在圓錐體和圓柱體的創建中，學生對于怎樣才能創建出有美感的、體積大小合適的物體要進行衡量，這樣的過程能夠激發學生的工程素養、數學思維和藝術素養。

(2)新知學習，方式多樣

3Done課程教學設計的教學理念是以培養學生的創新思維、實踐操作能力、問題解決能力、自我學習能力、審美意識和數學思維為目標。所以新知學習的形式多樣，有自學教材、微課導學、合作學習等。本課的新知主要是學習：命令工具“基本實體”中的“圓柱體”和“圓錐體”；命令工具“材質渲染”“浮動菜單”中的“移動”。

a.自學教材：繪制、并給筆上顏色、復制筆

繪制3D筆。由于命令工具“基本實體”中的“圓柱體”和“圓錐體”、命令工具“材質渲染”以及復制功能的學習較為容易，所以采取的學習方式是教師引導，學生自學教材。同理，運用繪制筆桿的方法，學生很容易就能繪制出筆尖。隨著情境的進一步創設，自然過渡到新知命令工具“材質渲染”的學習。

貝貝說：“魔法公主，這就是3D神筆？從外表看很普通哦。”

魔法公主說：“3D神筆奇妙在此！它看似普通，其實內有乾坤。教你一招：變！變！變！變出一支漂亮的3D神筆。”

這樣，學生帶著濃厚的興趣，通過教師點撥和自學課本也掌握了給筆桿上顏色的新知。

情境引入，繼續激發孩子的興趣，學習新知復制功能。

龍龍說：“謝謝魔法公主！這支3D神筆確實很漂亮。我還想要不同顏色的3D神筆去繪制五彩繽紛的3D世界，可以嗎？”

魔法公主說：“當然可以。3D神筆奇妙在此！教你一招：變！變！變！變出色彩多樣的3D神筆。”

在情境、故事的不斷深入下，學生帶著極大地興奮不斷探索，從而掌握一個又一個新知。

最后，綜合運用所學新知，學生發揮創意，給筆渲染不同的顏色。

b.利用微課學習，給筆帶上漂亮的筆帽

新知的學習，教師除了引導學生自學課本外，對于難度較大的新知，還有配套學習資源，如微視頻、教學視頻等等。

如學習“浮動菜單”中的“移動”命令，給筆帶上漂亮的筆帽，因其操作步驟稍多，且涉及到要在多個窗口中進行圖形的移動切換，所以通過微視頻，以微課的方式引導學生開展學習。

首先以情境學習為引領，導入新知學習：美化3D筆——戴上筆套。

貝貝說：“如此豐富、漂亮的3D神筆，我要好好愛護它，我想給它戴上筆套。”

魔法公主說：“你如此愛護3D神筆，那我就‘送’你可愛的筆套吧。”

直觀、明了、生動的微視頻，并配上簡明扼要的語音與文字解說，且對于如果在學習過程中未能掌握“浮動菜單”中“移動”命令使用的學生來說，還可以重復播放視頻再學習，以收到較好的學習效果。

c.鞏固學習，形式多種

要運用所學的知識進行創新設計，關鍵是對新知的熟練掌握與運用。在課程設計中，通過采取多種的學習形式，如看一看、做一做、練一練、試一試、小技巧等，使學生的新知學習得到進一步的鞏固，也為學生繼續學習和綜合運用打下了堅實基礎。

d.綜合運用，創新設計

充滿趣味性、故事性的教學環節，讓學生沉浸在3Done打印世界的創作中。學生在學完了新知后，迫不及待地綜合運用所學過的知識進行創新設計，并創作了很多新穎的作品。

2.課程實踐與效果

筆者在2015學年下學期在所在學校四年級信息技術課堂中實施了具有濃厚的“在玩中學，在學中玩”的3Done打印課程。經過一個學期的實踐，取得了不錯的效果。

(1)激發了學生極大的興趣

3Done打印課程《我的樂園我做主》的教材內容是學生喜聞樂見的，操作的軟件又如“砌積木”般所見即所得，給學生帶來前所未有的全新學習體驗。直觀、立體、真實的模型，通過3D打印技術馬上能一一呈現眼前，極大地激發了學生的興趣和求學、求知、求真的欲望。

3Done打印軟件的學習課程讓學生樂此不疲，每節課的下課，就是學生對下節課的熱切期待以及對自己所設計模型的交流。“老師，下節課學習什么內容?”“老師，下節課能把這節課設計的模型打印出來嗎？”“老師，您覺得我設計的3D神筆怎么樣？”“老師，請你看一看我設計的城堡是不是很有特色？”等等。

(2)豐富了學生的想象力

具體形象思維是小學生思維的特點。生活中的物體都是立體的，觀察這些幾何體，分析其幾何形狀，并要注意對比和想象。例如設計游樂園的城堡，有各種造型，從三視圖的角度觀察城堡的組成，再利用3Done打印軟件來完成“建模”“運算”，形成所需的模型。學生通常是先根據教材、微視頻或者老師的示范操作進行模仿學習，從而掌握新知，在此基礎上再進行自由創意。

(3)發揮了學生的創造力

立體模型激發了學生的創造興趣，學生在建模過程中，從平面到立體的轉變，不斷地讓學生發現物體的神奇變化，通過建模中的放樣、圓角等命令讓物體發生變化，通過運算讓實體進行組合、去除等，在虛擬的立體世界里培養學生動手操作能力，在操作過程中不斷發展學生的創造力。

在本課程的教學中，時刻體現著STEAM教育思想。學生通過使用3D打印技術感受新技術的強大，提高技術素養；通過設計游樂園的城堡，觀察城堡的三視圖，分析其幾何體組成，培養學生的科學素養和數學素養；利用3D打印軟件完成“建模”和“運算”，形成需要的模型，發展學生的工程素養；卡通人物的創設以及整體場景的布置，體現學生的藝術素養。總之，教學設計中都貫穿STEAM教育思想，強調學生的問題解決能力、批判性思維和設計能力，這也與3Done課程教學設計的教學理念不謀而合。

五、結語

隨著新的控制技術、信息技術和材料技術的廣泛應用，3D打印技術也逐漸推向更高的層面。本研究將3Done打印引入課堂教學中，充分體現了STEAM教育的思想，激發了學生的想象力，將學生的創意有了變為現實的可能，激發了學生DIY的興趣，使學習更加生動有趣，將藝術的美感與作品的創作融合在一起，為學生的學習開辟了新的空間，培養學生的實踐操作能力，從設計到打印，更是大大激發了學生實踐的積極性，提高了學生的學習熱情，增強了學生的動手能力、設計能力和思維能力。實踐證明：3Done打印設計的課堂有利于學生科學素養、技術素養、工程素養、藝術素養和數學素養的發展。但是3D打印對學生的影響不僅僅在于能讓學生學習建模軟件，3D打印機和建模只是一個工具軟件或者一臺機器，想要充分發揮3D打印技術在教育領域中的積極作用，在課程教學的設計方面，我們需要更多地思考如何在課堂教學中把學生培養成為有思想、有創造力的設計者與思考者，讓學生擁有一個觀察、探索、實踐和不斷完善的完整過程，為學生開辟一種全新的思維通道。

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責任編輯：宋靈青

Research on “3D Printing” Course Design and Teaching Practice Based on STEAM

Zheng Xian
(Haizhu Shiyan Elementary School, Guangzhou Guangdong 510631)

With the in-depth educational reform, the cultivation of innovative talents plays more and more important role in education.This paper introduces the “3D Printing” course design and teaching practice based on STEAM, aiming at teaching knowledge of modern information technologies and cultivating the innovative thinking of students. On the basis of design, the author carries out 3D printing course teaching to explore the ways to help pupils learn the new technology and creative thinking. The author hopes that this research will provide some inspiration and reference to teachers who devoted to innovation education.

STEAM; Teaching Innovation; 3D Printing Course; Design; Teaching Practice

G434

：A

1006—9860(2016)08—0082—05

鄭賢：中小學高級教師，研究方向為小學信息技術教學與教師專業發展(920243163@qq.com)。

2016年5月26日