3D打印技術在STEAM教育中的應用探討

劉蓮花，張　濤，戴艷紅

(河北政法職業學院，河北 石家莊 050061)

?

3D打印技術在STEAM教育中的應用探討

劉蓮花，張濤，戴艷紅

(河北政法職業學院，河北 石家莊 050061)

在“中國制造2025”和“大眾創業、萬眾創新”的時代背景下，3D打印技術如沐春風，煥發出勃勃生機。將3D打印技術植入STEAM教育中，從3D打印課程建設、3D打印與創新教育融合、基于3D打印的STEAM教育整合三個層面遞進，探索構建“STEAM+3D”的跨學科教育模式，培育學生的工匠精神、提高學生的創新創業能力。

3D打印技術；STEAM 教育

3D打印(3D Printing)，即增材制造技術，是首先在計算機中構建產品的數字三維模型，然后通過軟件分層離散技術和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品。與傳統用車、銑、刨、鉆、磨等通用的模具加工方式不同，3D打印技術是將產品的數字模型進行逐層切片，通過對材料處理并逐層疊加，層層累積，直到將整個模型疊加成型，故也稱之為數字化增材制造技術。由于使用3D打印技術能夠省去模具開發的高昂費用，極大優化研發流程、降低研發成本，使得制造獨特性高的產品時間縮短，3D打印技術逐漸成為技術創新的利器，在工業設計、建筑、航空航天、醫療等領域發揮了重要作用。除了上述領域外，3D打印技術在教育領域中的作用也日益凸顯。當前，以技術創新驅動教育創新已經成為高等教育人才培養的共識，創新創業教育必將融入人才培養全過程，作為創新型技術代表的3D打印技術也要通過走入課堂發揮其創新和顛覆性作用。2015年2月，工信部出臺的《國家增材制造產業發展推進計劃》進一步明確了加快3D打印技術在我國創新創業教育中的應用的重要性。

STEAM教育的前身是STEM教育。STEM就是Science(科學)、Technology(技術)、 Egineering(工程)和Maths(數學)的教育。在國家競爭力的比較中，獲得STEM學位的人數成為一個重要的指標。后來，美國政府又提出在STEM教育中引入了Arts(藝術)教育，使得技術與工程教育和藝術人文教育融合成為學校文化的一部分，這被稱為STEAM教育[1]。STEAM教育不是幾個學科領域知識的簡單疊加，而是將這些學科整合到一種教學范式中，把零碎知識變成相互聯系的統一整體，倡導由問題解決驅動的跨學科理科教育，是一種趨于能力和智慧疊加的多學科融合的教育模式。由此可見，STEAM教育是一種新型的創新教育應用體系，有效實施STEAM教育模式能夠培養學習者的問題解決能力、創造力、批判性思維等素質，提高一個國家的綜合競爭實力。

一、3D打印技術與STEAM教育的融合

踐行STEAM 教育需實現多個學科的融合，這就需要多維度的頂層設計、創新教育模式和教育理念，3D打印技術為STEAM教育的實現提供了可能。(一)3D打印技術為STEAM教育提供了豐富的課程教學資源

STEAM教育的資源庫建設應秉承開放共享的教學理念，將 3D 設計、物聯網創新、機器人、通用技術等資源架構到統一的開放教育應用平臺，形成良好的共建共享機制。有研究顯示，3D打印技術作為一種課程教學資源，能夠培養學生問題解決、協作、溝通和批判性思維的能力，對學生的參與和學習有積極的影響。

(二)3D打印技術為STEAM教育搭建了技術平臺

STEAM教育融合多個學科，這就需要依靠增強現實技術等信息技術為其搭建一個跨學科的虛實結合的教學平臺。3D打印技術能夠為學生創設虛實一體、虛實融合的教學情境，實現教學、設計、技術、媒體和商業的融合，成為STEAM教育實現的必不可少的技術基礎。

(三)3D打印技術為STEAM教育的融合提供了強大的創新理念

STEAM 教育與創新教育融合，才能全面推動學生創新能力、高階思維能力的培養，彌補STEAM教育中工程教育的不足。基于3D打印技術的“創客空間”建設，基于真實的工程問題解決，能夠有效改變學生在 STEAM 中習得的內容和學習的方式，成為推動STEAM教育模式改革的切入點和突破口[2]。

綜上所述，STEAM教育強調學生的設計能力、批判性思維和解決問題的能力，將3D打印技術嵌入STEAM 教育能夠使知識可視化，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，推動智慧教育的發展，實現平面教育到立體教育的轉變。

二、“STEAM+3D”教育模式的實施

STEAM教育的實施是一個漸進的過程，將3D打印技術植入STEAM教育中，構建“STEAM+3D”教育模式可以嘗試從以下三個層面遞進。

(一)促進3D打印技術課程建設

這是“STEAM+3D”模式實施的基礎層面，也就是首先要將3D打印技術成功引入課堂，創新教育模式。通過在相關專業開設3D打印課程，提升學生對3D打印的認識，幫助學生營造真實的問題情境，完成模型制造，提高學生的學習動機，促進學生高階思維能力的發展和創新；3D打印技術還可作為教學輔助工具，彌補傳統模擬教學設備的不足，打造虛實結合的教育創新應用平臺，培養學生的視覺空間能力；利用3D打印的模型創建的創新性特點也可以用于培養學生自主創新、探索能力；在一些和3D打印技術聯系緊密的專業，例如三維動畫設計專業、藝術設計專業等，可將學生的設計直接打印成精細模型，可直接應用于結構裝配、外形驗證，作為設計效果評價工具，改革教學評價模式。通過開設3D打印課程，在教育領域推廣并應用3D打印技術，顛覆傳統的教育思維，用3D技術推動創新型的三維教育模式的實施[3]。

(二)將3D打印技術與創新教育融合

“STEAM+3D”教育模式實施的第二層面是創設良好的實踐基礎。創新教育與STEAM密不可分，創新教育是實施 STEM教育的一種重要方式。3D打印技術可以將學生的創意快速轉化為實際產品，因此利用3D打印技術建設創客空間能夠為STEAM教育實施提供堅實的實踐基礎[4]。具體實施中，可將學習3D打印技術的學生、教師組織起來建設技術社團或協會，在創客空間中打造技術創新和學習交流的氛圍，并以點帶面逐步建立創新創業工作室，形成創新創業團隊。創新創業工作室可向社會，比如中小學開展多層次的技術服務、教育服務，使創新能力與服務能力相輔相成，共同提高。同時，與一些3D打印企業、職業教育集團公司進行校企合作，拓展創客實踐活動的領域，為多學科的融合奠定基礎。

(三)基于3D打印技術的STEAM教育整合

擁有了良好的課程教學和實踐基礎，就可以進行STEAM教育的整合。

1. 做好學科專業整合規劃

STEAM教育目的在于幫助學生突破單一學科的知識體系的束縛，鍛煉學生的跨學科思維和實踐能力。具體實施時，可與企業或職業教育集團進行合作，整合校內專業資源，開發適合本學校發展的“STEAM+3D”教育模式，也就是通過情境設計，借助3D打印技術打破學科界限，通過集體智慧，解決一系列實際問題，提高學生的創造力、批判性思維能力。筆者所在的學校是一所綜合性院校，通過對專業進行整合，我們規劃了“STEAM+3D”的學科整合模式，如圖1所示。

圖1 “STEAM+3D”跨學科整合教學模式圖

2.創建課程教學模式

基于3D 打印的STEAM 課程教學模式，應遵循“問題提出—分析問題—設計模型—打印模型—模型驗證并修改—最終產品”的項目教學過程。首先提出一個有待解決的問題，比如讓學生根據圖1所示進行城市規劃設計，學生就要綜合運用各學科知識進行問題的分析，設計一個解決問題的模型方案，然后通過3D打印技術將模型實現，再將模型應用于實際工作環境進行模型的測試和驗證，從而發現模型的缺陷，針對發現的缺陷或問題，學生繼續進行問題解決和再次模型設計，并且打印出來繼續測試驗證，如此循環，直至問題或項目的最終解決，得到一個滿意的項目產品。可以看出，引入 3D 打印技術后的STEAM教學流程，整個課程變成一個項目，學生必須在每一個環節都開動腦筋、查找資料、相互討論，模型打印并驗證，構成一個幾乎完全主動的學習環境。

3. 加強基于3D 打印技術的開放式教學資源建設

教學資源建設是實現教育系統變革的基礎，是教學過程中的重要載體。STEAM 教育創新應用需要重點建設學科資源庫、開放課程庫和管理信息庫，其中3D打印技術的應用主要體現在開放課程庫的建設上，可將3D打印技術和工程設計整合到科學、數學、人文藝術的核心理論知識實踐體驗中，在相關的學習情境里，培養問題解決、協作、溝通和批判性思維的基本技能。例如，3D打印制造商3D系統公司開發了一種STEAMtrax課程，就是一個可通過主題式故事情境設計，借助3D打印技術增強的科學實驗工具包，它能為學習者提供自主探究和動手實驗的學習機會，建構核心科學理論知識和應用技能。

三、結束語

將3D打印技術引入到STEAM 教育中，具有創新性與跨學科性特點，必將顛覆傳統教學模式，使得創意設計能夠落地，從而提高學生創新創業的能力，提高學生的協作能力和核心競爭力，最終促進學生的高質量創業、就業。

[1] 王娟，吳永和.“互聯網+”時代STEAM教育應用的反思與創新路徑[J].遠程教育雜志，2016，(2)：90-97.

[2] 傅搴,王辭曉．當創客遇上STEAM教育[J].現代教育技術，2014，(10):37-42.

[3] 黎加厚．三維打印技術的發展對教育的啟迪[J]．中國醫學教育技術，2013，27(1):1-5 .

[編校：楊琴]

The Application of 3d Printing Technology in STEAM Education

LIU Lianhua,ZHANG Tao,DAI Yanhong

(Hebei Professional College of Political Science and Law，Shijiazhuang Hebei 050061)

Under the background of the "Made in China 2025" and "Popular Entrepreneurship and Innovation",the 3 d printing technologies grow and proper. In this paper,the 3 d printing technology is put into STEAM education. And from the progressive development of such three aspects as the 3 d printing course construction,3 d printing and innovation education integration,STEAM education integration based on 3 d printing,it explores the construction of "STEAM + 3 d" interdisciplinary education mode,cultivates students' spirit,and improves the students' creative ability.

3d Printing Technology；STEAM Education

2016-08-14

劉蓮花(1961- )，女，河北涿鹿人，教授，研究方向為經濟法、教學管理。

本文為2016年河北省社會科學發展研究課題、民生調研專項課題“3D打印技術在高校創新創業教育中的應用研究”(編號：201601018)階段性研究成果。

G434

A

1671-9654(2016)03-024-03