高中3D打印校本課程設計與教學實踐

賈金元+武小龍+張天順

[摘 要]隨著科技的發展和創客時代的到來，3D打印技術開始走進校園。以高中為例，在沒有現成教材的情況下，可依據項目式學習理論自主開發高中3D打印校本課程，以實現培養學生的創新精神、創客思維及綜合實踐能力的目標。

[關鍵詞]創客；STEM；3D打印；校本課程

教育部《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見（征求意見稿）》中提出：“要有效利用信息技術推進‘眾創空間建設，探索STEAM教育、創客教育等新教育模式，使學習者具備較強的信息意識與創新意識?！彪S著社會對創新型人才的需求不斷提高，STEAM教育和創客教育在全球迅速發展起來。

一、相關概念與研究背景

STEM教育的概念起源于美國。STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫，最早是為了解決美國科技人才短缺問題而提出的。隨著STEM教育的不斷發展，藝術（Art）也加入進來，形成了以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[1]。STEAM教育提倡跨學科知識的融合與應用，以此探究世界相互聯系的不同側面，倡導學生能夠在“雜亂無章”的情境中提升設計、合作、問題解決和實踐創新等能力。

創客教育是創客文化與教育的結合?！吨袊鴦摽徒逃{皮書》中首次系統定義了“中國特色創客教育”的具體內涵：“創客教育”基于學生學習興趣，以項目學習和任務學習的方式，強調理論聯系實際，將科學、技術、工程、電子、機械、編程、設計、藝術、人文等多種學科充分融合，以解決生活中實際問題作為教學出發點，讓學生通過掌握各種最新科技、設備、工具、軟件和材料的使用來進行動手造物的訓練，并在這個過程中培養學生的自發學習能力、動手能力、探索能力、協作能力、邏輯思維和創造力，讓學生從被動接受知識轉變為親手將自己的想法變為現實的創造性學習模式，培養跨學科解決問題的能力?？梢妱摽徒逃cSTEAM教育有很多相似之處，但創客教育更加強調一種教育理念，鼓勵學生享受創造與分享快樂。STEAM教育已經成為實踐創客教育的一種載體。在我國，很多學校在開始探索和實施創客教育和STEAM教育時，并未嚴格區分兩者的不同，而是自然地將二者融合在一起。

3D打印技術的基礎理念是“設計即生產”。3D打印是一種通過分析和定位為物理對象建模，運用粉末狀金屬或塑料等打印耗材，通過逐層打印疊加構造實體的技術，它可以將使用者的創意迅速轉變為實物模型。《中國創客教育藍皮書》中稱3D打印技術為“第三次工業革命最具標志性的生產工具”，必將為眾多領域帶來深刻影響。學校引入3D打印課程，是希望學生通過深度體驗和參與設計制作過程，更好地發展綜合能力。

美國已在小學開設了3D打印課程。我國一些中小學嘗試了將3D打印技術應用于STEAM課程，并使該項技術與人文藝術融合，成為學校文化的一部分。雖然3D打印課程在國內中小學校還處于嘗試和探索階段，也未形成一定的課程標準，但預計未來的相關課程將逐漸增多，3D打印作為新型的多媒體教學手段也將被廣泛應用[2]。

目前已經引入3D打印的學校，其相關課程多以課外興趣小組、社團等方式開展，指導教師通常由計算機或物理專業的教師兼任，總體上來講，教學和實踐時間不足，師資力量和硬件設施參差不齊，還沒有完全發揮3D打印的功能與價值，尤其是設計成熟并適合高中學生的教材與課程還極度缺乏。基于這樣的背景，筆者參與開發了高中3D打印校本課程。

二、3D打印校本課程開發的實施方案設計

1.設計原則

開發高中3D打印課程涉及到兩個設計軟件的應用，即3D One和123D Design，要求以項目式學習理論為指導，圍繞核心技能將相關知識整合重構，并將教學目標分為初級目標和高級目標。其中，初級目標是培養學生的相關常識，理解3D打印機原理和構造，能進行基本的自主探究、參與項目并制作產品；高級目標是促進學生高級認知能力的發展，如形成創客思維，學會應用跨學科知識解決問題等。

2.教學設計模型

中小學3D打印教育的校本課程，應以培養學生的創新意識和應用知識的能力為目標，根據不同的教學階段和教學內容，選擇不同的教學方法（見圖1）。如介紹3D原理及作品的部分，可以帶學生參觀實物并講解。

三、3D打印校本課程開發的設計與實現

3D打印校本課程的教學內容與課時安排可參考表1?，F以“漢諾塔的設計”一課為例，對教學設計與教學過程所涉及的各個方面進行說明。

一是確定教學主題。漢諾塔是一種益智玩具。教學時，在演示文稿中由圖片導入，通過多媒體設備向學生展示漢諾塔，以及教師已提前打印出來的模型（見圖2）。

二是確定教學問題。讓學生參考課件中的漢諾塔圖片，利用3D打印設計軟件，制作漢諾塔模型。提醒學生注意：漢諾塔包括底座和七個外形相似、大小不同的圓環，要求制作出來的模型底座與圓環尺寸配套。

三是確定各級任務完成的標準。列出學生在完成任務過程中可能出現的各種執行水平和評價標準，為學生提示行動方向，同時也便于師生之間、學生之間進行分層評價（見表2）。

四是交流探究。各小組需要討論、研究，結合實際生活中的漢諾塔模型，共同制定本組的設計與修改方案。各小組也會相互評價作品并提出建議。

五是教師指導。教師對各組漢諾塔的整體設計進行總結和評價，對部分作品進行分析講解，將師生的產品模型全部上傳到資源網站。

六是教學評價。教學評價以表2中漢諾塔任務的各級標準為依據，包括教師對學生的評價以及學生之間的互評。

從教學實踐來看，學生對漢諾塔游戲及其所蘊含的數學原理很感興趣，在實際設計制作中，主要包括三部分：設計底座、設計漢諾塔環、組合。教師可能重點講解的內容如表3所示。

在學生設計完成的作品中，除了圖2所示的形式，還出現了直線型分布的漢諾塔，以及4組塔環和4根塔柱的拓展型漢諾塔，塔環有柱面的，也有弧形面的。作品的主要問題是細節上處理得還不夠好，如部分學生的漢諾塔環比例不協調，沒有使用倒角或圓角命令對塔環的銳邊進行優化等。經過小組討論和教師的指導，學生基本上都可以完成漢諾塔的設計，對于較快完成任務的學生，教師可進一步指導他們對漢諾塔進行材質渲染，做成彩色。最后教師挑選具有不同設計特點的作品，將3D打印機的填充程度設置為50%，打印出實物并進行展示。

綜上所述，高中階段3D打印課程的開發和應用還處于起步階段，需要各級管理部門和學校在政策導向、師資培養、課程建設等方面的進一步支持。在具體實施中，要注意學生創客思維的培養和教師角色的轉變，更好地落實STEAM教育和創客教育的思想，幫助學生打破學科界限，將藝術的美感與產品創作融合，通過構思、設計、反復改進并打印作品的過程，促進學生設計與實踐、科學探究及技術運用等能力的發展。

參考文獻

[1]李小濤等.“互聯網+”背景下的STEAM教育到創客教育之變遷——從基于項目的學習到創新能力的培養[J].遠程教育雜志，2016（1）：28-36.

[2]張晶.用3D 打印手段培養創造性思維的教學設計研究[D].沈陽師范大學碩士學位論文，2016.

（責任編輯 郭向和）