基于STEAM教育理念的3D打印教學實踐

楊昕

【摘 要】近年來，3D打印課程漸漸走進了中小學信息技術課堂，在培養學生創造性思維的同時也為學生提供了真實的學習體驗。傳統課堂中各學科知識之間不能有效地整合，對3D打印的教學非常不利。而STEAM能夠將分散的各學科課程優化整合成一個新的整體，使學生更容易接受和學習。本文闡述了3D打印教學帶來的學習方式變革，分享了STEAM教育與3D打印教學相互融合的教學經驗，總結出切實可行的思路和方法供大家參考。

【關鍵詞】3D打印;STEAM教育;課程整合;學習方式

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2020）02、03-105-04

3D打印技術近年來備受矚目，已經成功地應用于航空航天、生物醫療、建筑、汽車等多個領域。2016年，3D打印列入國家重點研發計劃，我國的3D打印技術及設備逐步接近國際先進水平，3D打印行業的發展前景光明，同時也為教育行業帶來了新的發展契機。近年來，許多中小學已經開始嘗試把3D打印引進課堂，并不斷摸索、嘗試新的教學模式，尤其是STEAM教育理念倡導的多課程融合的教育模式，取得了突破性的進展。

開展3D打印教學的軟硬件準備

目前國內中小學3D打印課程的設置沒有統一標準，3D設計使用最多的教學軟件是3Done、123D Design、Tinkercad等界面簡潔且功能強大的軟件。其中123D Design屬于Autodesk 123D系列中的一個軟件，是Autodesk公司為推動普及3D打印而開發的免費軟件，功能齊全，操作簡單。通過應用123D Design，學生可以分類學習實體建模和多邊形建模的知識，體會3D建模的強大功能，體驗3D打印的樂趣。據統計信息顯示，八九歲的孩子都可以接受和應用，是非常實用的教學軟件。

3D打印的切片軟件使用較多的是Cura和Mprint，兩款軟件都簡單實用。以Mprint為例，將生成后的3D模型導入后，可以二次修改模型的尺寸，并根據作品的實際情況添加底墊和支撐，提高模型打印的成功率。還可以通過設置作品的打印質量來調整打印時間的長短，完全可以滿足教學的需求。

教學用3D打印機多以體型小巧的桌面熱融打印機為主，操作相對簡單、安全，耗材以PLA環保生物降解材料為主，顏色豐富，打印出的成品光澤度高、流動性好，打印成品不易裂開，打印過程沒有異味，學生可以近距離地觀察模型打印的過程，這些優點都使其非常適合在學校教學中使用。

多課程融合促進教學方式的轉變

3D設計所涉及的綜合性知識能激發學生對科學、數學、物理、工程和藝術等學科的興趣，讓原本抽象的概念和術語變得更容易理解。學生在設計的過程中能夠把想象與實踐、思維與創造緊密結合起來，充分地培養了學生的計算思維，提高了學生的數字化學習與創新的核心素養。另外，利用3D建模并使用3D打印機打印模型的過程是一個從虛擬到現實的過程，它從根本上改變了學生傳統的、被動的學習方式，因此對學生的長遠發展更為有利。

當然，新模式下的3D打印教學對中小學生的影響不僅在于能讓學生改變傳統的學習方式，從教師的角度來看，也可以幫助我們轉變固有的教學觀念，接受全新的事物，提高自己的教育教學水平。通過教學活動幫助學生成為有思想、有創意的設計者與思考者，讓學生在學習的過程中完成從探索、思考到操作、實現，促進學生的全面發展。

基于STEAM教育的3D打印教學實踐

對于學生來說，學習3D設計除了要有很好的三維空間的認知感，還要具備一定的數學基礎、工程知識、藝術設計的理念等，這對于中小學生來說有一定的難度。STEAM教育是集科學、技術、工程、藝術、數學多學科融合的綜合教育，一般以基于項目的學習、基于設計的學習、基于探究的學習為主要學習方式，這些特質都比較適合中小學生。下面從課程設置、實例分析和教學反思幾個方面進行具體說明。

1.課程設置

目前學校在五年級開設3D打印課，已經進行了兩年半的教學嘗試。最初的教學實踐以設計單個實物為主，如雪人、章魚、水杯、木梳等，每次設計的內容都是獨立的主題，涉及知識之間的關聯也不多，不符合學生的年齡特點和認知規律。經過不斷地教學實踐和反思，教師進行了相應的調整和改變，使課程更符合STEAM教育所提倡的多課程融合的理念和項目學習的要求。具體如表1所示。

2.教學實例分析

本案例課題名為“小小設計師——草圖的陣列和拉伸”，教學內容是利用草圖繪制基本圖形，然后通過草圖陣列將基本圖形以一個點為中心進行環形陣列，最后用草圖拉伸將草圖轉變為立體圖形，完成基礎設計。建模過程如圖1所示。

教法采用演示法、練習法、討論法;學法采用自主學習法、分析歸納法、合作學習法。整個教學過程分為以下五個環節。

環節一：想一想，說一說。為了激發學生學習興趣，讓學生盡快進入學習者的角色，教師采用實物導入的形式，給學生以直觀的印象，然后提出相關問題，引導學生發散思維：（1）想一想，說一說這些實物在生活中可能的用途;（2）想一想用123D中的什么工具能做出這種效果（引導學生進行知識關聯）;（3）看課件中的圖案，猜一猜這些圖案是由哪些基本圖形構成的。由此導入本課的課題，同時幫助學生對草圖陣列這一抽象的概念進行解讀。

這一環節的亮點在于實物的展示和問題的提出，這樣的設計有利于引導學生進行思考和分析，聯系前面所學的知識，起到承上啟下的作用。

環節二：聽一聽，學一學。這一環節是新授，采用的是傳統的演示教學法，學生聽老師的講解和演示，了解草圖的陣列和拉伸的方法?？紤]到學生剛剛接觸知識，學習存在一定的難度，這一環節必不可少。

環節三：看一看，做一做。學生結合老師的講解以及微課的輔助，嘗試選擇任意一種幾何圖形進行草圖的陣列和拉伸的操作。學生通過實踐操作會發現一些細節的問題，比如陣列超過一定的數量會增加草圖線條的密度，如圖2所示，這樣的圖形從美術學科的角度來說比較美觀，但會增加拉伸的難度，學生可以通過組內研究和討論來解決這個問題。

這個環節的亮點是給了學生自主探究的空間，解決了美觀和實用之間的問題，同時小組合作的形式能夠最大程度地發揮學生集體的智慧。

環節四：動一動，改一改。這一環節學生通過觀看打印失敗的作品，如圖3所示，分析并找到模型結構方面的缺陷，然后通過討論和實踐操作，在兼顧模型美觀的情況下歸納出最合適的辦法對草圖或模型進行修改。

環節五：自由創作，展示總結。這個環節是自由創作活動，在解決完所有問題的情況下，學生利用本節課所學的知識以及以前學過的知識進行綜合創作。模型的設計可以結合數學、美術、科學、信息技術等多學科的知識，學生需要通過全方位地構思、設計、制作，最終完成模型的設計、切片和打印。

教學反思

從課堂教學活動的設計來看，整個過程更側重于學生的學習活動，力求在最大程度上激發學生的問題意識以及小組合作學習習慣的培養，學習效果很好。

另外，環節四中打印失敗的作品作為“反面教材”起到了很重要的作用，學生可以很直觀地認識到如果僅從美觀的角度考慮草圖的陣列，形成的圖案固然非常漂亮，但拉伸成立體圖形后容易出現結構不穩定的情況，草圖線條交叉的地方過于纖細、脆弱，打印出來的實體就容易斷裂，學生需要綜合各方面的知識進行思考和改進。最后一個環節學生將模型切片打印時，還要考慮到模型的長、寬、高，以及各個部件比例是否合理、美觀等問題，這些都體現了STEAM教學的特點，其優勢是傳統教學達不到的。

基于STEAM教育的課堂教學不僅讓學生體驗了3D模型從虛擬變成實體的神奇過程，還充分激發了學生的學習興趣，培養了學生的問題意識。同時，多學科知識的融合也拓展了學生的視野，提高了他們對知識的綜合運用能力和創作能力。信息技術學科的核心素養是培養學生的信息社會責任、信息意識、計算思維和數字化學習與創新等，從長遠的角度來看，這種教學方式的轉變更有益于學生的終生發展。