STEAM背景下小學3D打印課程教學設計模式構建研究

林旖柔　王朋嬌　張帆

摘 ?要： 培養具有創造性思維的創新性人才是教育新時代的新使命，以3D打印課程為寄托融入STEAM教育理念是培養創新性人才的有效途徑。論文以提升小學生的創造性思維為出發點，針對我國STEAM教育教學發展的客觀實際提出了小學3D打印課程的全新教學模式。該模式提出了課內學科融合和課外在線互動兩個教學環節。其中，課內學科融合中設計了提問引入、分析自學、創造生成、交流反饋四個課堂環節，旨在進行指引、激發、組織思考和反思的教學活動;課外在線互動設計了分享微課資源、展示作品成果、答疑評價四個學習環節，旨在查缺補漏與鞏固提高。最后以小學信息技術課程《我的糖果屋》為案例開展教學實踐，以期為3D打印課程的實踐與研究提供參考，探索培養學生的創造性思維的教學方法，從而助力推動教育改革。

關鍵詞：?STEAM教育理念;3D打印課程;創造性思維;教學設計

中圖分類號： G434????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.063

【Abstract】： Cultivating creative talents with creative thinking is a new mission in the new era of education. It is an effective way to cultivate innovative talents by integrating STEAM education ideas with 3D printing courses. Based on the theory of the tower of Dales experience， “doing middle school” and project-style teaching， the thesis changes the traditional teaching model in the past. Combined with the objective reality of the development of STEAM education and teaching in China， a new teaching model adapted to the 3D printing curriculum in primary schools is proposed. This model puts forward the teaching method of integration of subject in class and online interaction， and promotes students to continue and deepen their learning. Among them， the design of the classroom questions introduction， analysis of self-study， creation generation， and exchange feedback are designed to organize students to guide， stimulate， organize and reflect on the teaching activities; The extra-curricular design of the sharing of microlesson resources， the display of work results， and the evaluation of questions and questions is designed to identify gaps and consolidate and improve. Finally， the teaching practice of the primary school information technology course “My Candy House” is carried out to provide reference for the negotiation and research of the 3D printing course， and explore the teaching methods to cultivate students?creative thinking， thus helping to promote the educational transformation.

【Key words】： STEAM education concept; 3D printing course; Creative thinking; Teaching design

0??引言

現如今是科技快速發展的時代，在這個時代里，創新作為核心競爭力是決定國際地位的重要因素，那么培養具有創造性思維的創新性人才成為教育新時代的新使命[1]。2016年國家實施了創新驅動發展“三步走”戰略，明確到2050年建成世界科技創新強國，這在國家層面上將創新推到了一個新的高度，青少年作為國家的后備軍，如何培養具有創新性和創造性思維的學生成為我們亟待解決的問題。3D打印技術是一種新型快速成型的技術，它的出現不僅改變了產品的制造方法，也隨著3D打印技術不斷成熟和發展脫離了高科技的象牙塔，逐漸融入教育中，成為推動創新教育和培養學習者創造性思維的新工具。然而3D打印課程作為一種新型課程，應用傳統教學方式顯然不能滿足在學習過程中提高思維的靈活性和流暢性的要求，無法達到培養學習者創造性思維的目標。通過分析相關教育文獻發現，STEAM教育理念可以增強學習者的信息意識與創新意識，其理念注重過程和實踐，以解決實際問題為向導，旨在培養學習者的創造性思維，與3D打印課程的課程目標不相為謀[5]。那么如何將STEAM教育理念融合到小學3D打印課堂中，用以培養小學生的創造性思維，適應新時代對于創新型人才的新要求，進而面對時代變革的浪潮，推動創新教學的發展。基于此，將STEAM教育與小學3D打印課程進行深度融合，課程借鑒STEAM教育中先進的教育理念和教學方法，改變傳統教育中“以知識傳授為主“的教學方式，探索新型的教學方式，以期來培養小學生的創造性思維，來適應未來社會的人才要求，為促進技術對創新教學的發展提供可行 ?之路。

1??STEAM教育理念概況

STEM教育是通過整合科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineer）、數學（Mathematics）來指引教學活動和學習活動進行的途徑和方法，其倡導問題解決驅動的跨學科教育。到21世紀初，藝術（Art）也作為一種人為因素所被重視，在原先STEM的基礎上加入了“Art”因素，發展成了STEAM教育理念，形成“以數學為基礎，通過工程和藝術理解科學和技術”的跨學科、整合的STEAM教育理念[4]。20世紀80年代，美國為了保持在國際競爭力中的領先地位，國家科學委員會首次提出“STEM教育集成”的國家綱領性建議[2]。美國科學教育者認為提高國民的科學素養是提高國家綜合實力的關鍵，是社會發展的推動力。推廣STEM教育理念的本身是為了提高美國學生對理工學科的興趣，以促進培養數學領域的人才，高質量產出科學、工程技術領域的人才，對學生的未來生活或工作產生必要的影響[3]。STEAM教育理念不僅僅是將五學科的知識進行簡單的疊加，而是將多學科知識內容進行交叉融合成一個有機整體，以培養學習者的問題解決能力、團隊合作能力、設計能力、創造性思維和實踐能力。

在我國，STEAM教育理念是提倡通過學生完成他們感興趣并和生活相關的項目，在實踐過程中學生不斷創造，激發學生的潛能，在過程中進行學科的整合，綜合提升學習者的能力。與傳統教學不同的是，STEAM教育理念注重學習過程中能力的提升，而不是結果。2015年教育部辦公廳關于征求對《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》中首提探索“STEAM教育”“創客教育”新模式。在2018年教育部辦公廳發布文件《2018年教育信息化和網絡安全工作要點》中指出探索信息技術在跨學科學習（STEAM教育）、創客教育等教育教學新模式中的應用。在同年3月教育部發布《教育部教育裝備研究與發展中心2018年工作要點》，表明積極探索新理念新方式，持續關注STEAM教育等對中小學教育、課程發展的影響，開展移動學習、虛擬現實、3D打印技術在教育中的 ?應用。

2 ?3D打印課程

2.1 ?3D打印簡介

3D打印也稱為“三維打印”，通過建模軟件創建出原型樣品后，將計算機與3D打印機鏈接，打印機運用塑料、樹脂、粉末金屬或其他材料將模型材料逐層打印成實物[6]。國內建模軟件包括3ds Max、Rhino、123D Design、3DOne等，本課程選擇3DOne設計軟件開展教學。

2.2 ?3D打印課程

目前，我國小學教育主要以分科教學，同時受應試教育的影響，雖然3D打印相關課程在小學有所開設，但是不被受重視，這無疑是對人才培養的阻礙。3D打印課程與應試教育學科相比較，具有課程整合，能夠提升學生的知識整合和實踐能力。但是3D打印課程缺乏教育部門的統一指導，缺乏相應的教學模式支撐，以培養學生的知識整合能力，提升學生的綜合素養。所以使得3D打印課程很難在學校課程教育中立足。3D打印課程所體現的合作性、創新性、設計性和實踐性的理念與STEAM教育及其相似，所以3D打印課程可以依托STEAM教育理念的支撐，對3D打印課程進行教學設計，以期培養學生的實踐能力和創造性思維，提升學習者的綜合素養。

2.3 ?3D打印課程特點

（1）趣味性

趣味學習是3D打印課程的一大特點，由于3Done軟件界面簡單，便于操作，大部分工具呈現在軟件界面上，所以便利于小學生上手操作，能夠讓學生將自己的思維創意想法輕松便捷的表達出來，小學生通過立體圖形的堆砌、相切等操作方式，將創意表達出來后，通過3D打印機變成實物，極大激發了學生學習3D打印的興趣與熱情[7]。

（2）促進學科融合

促進學科融合是3D打印課程的第二大特點。學生在3Done建立模型過程中，需要涉及的學科有信息技術、數學、美術、科學等，正符合新課標改革中提出的跨學科融合交叉的要求，以適應社會的需求[7]。在3D打印課程中，學生通過多學科的融合運用建立起一個模型，在建立過程中，充分調動了學生的探究能力、創新能力，促進學生創新思維以及邏輯思維的發展。

3??依據的相關理論

3.1??戴爾的經驗之塔

戴爾的經驗之塔理論是美國教育學家戴爾在1946年所著的《教學中的視聽方法》中提出的。該經驗之塔是“具體經驗”到“抽象經驗的綜合，從塔的下層到上層分為三個大層次，在三大層的基礎上又分為十個小層。塔的最下層是具體經驗，隨著層次的上移，抽象度也隨之上移，這符合學習者的學習路徑。教育教學從具體經驗開始，逐步上升到抽象階段[12]。如圖1所示，“經驗之塔”三個層次分別是做的經驗、觀察的經驗和抽象的經驗，做的經驗就是實踐的的經驗，通過親身經歷或者親身體驗來習得知識，在實踐過程中去獲得真實的學習體驗。在3D打印課程中正是圍繞了“做的經驗”。整個過程為學生親手操作，學生通過學科融合并結合自己的創造能力建立模型，后通過打印機快速形成模具，實現將虛擬的物體變成實物，彌補抽象經驗不足，同時發展了學生的創造思維和設計思維。

3.2?“做中學”理論

“做中學”是美國著名教育家杜威提出的，杜威認為真正的學習活動是從實際活動中獲得的，只有通過做才能獲得經驗，有了經驗才能學到東西。

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。在杜威看來，“從做中學”充分體現了學與做的結合，也是知與行的結合[13]。3D打印課程教學正是符合杜威的“做中學”理論，學生按照自己的想法進行設計，想法來源可能是解決生活的問題，通過打印機快速成型，將自己的想法變成實物，在這個過程中，可能會遇到問題，學生根據知識的學習和技能的掌握去解決問題，真正實現知識的運用。最后得到成品后，也滿足了學生的成就感。

3.3??項目式學習

項目式學習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，解決一系列問題的一種新型探究型學習模式。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，培養創新能力和動手操作能力[14]。在3D打印課程中，教師運用項目式學習是運用現實生活中存在的問題為向導，從解決問題和達成目標著手，探究解決問題的方案。學生應用3D打印技術提出解決方案，并將作品向他人展示交流，通過迭代的方法，從而改善自己的作品。

4??3D打印課程的教學設計模式構建

基于STEAM的教育理念，以問題、項目和案例為導向，結合具體的課程實踐，提出了一個3D打印課程教學模式圖如圖2所示。該模式是以培養學生探究能力、創新能力，促進學生創新思維以及邏輯思維為目標進行發展培養的。分為課內學習和課外學習兩個部分，課內以線下方式進行，以促進學科融合;課外以學生在線學習的方式，通過師生、同伴互動，以彌補個人短板和提高鞏固。

4.1??3D打印課程的教學設計模式

（1）展示模型——提問引入

本設計的提問引入階段需要教師創設一定的情景，把學生帶到真實場景中，在真實場景中提出實際需要解決的問題，設計的成品一般選擇生活中常見的用品，這一部分屬于指引思考，教師指引學生進行思考。有趣生動的課堂導入是一節課教學成功的保障，有趣的開頭可以引起學生的注意，激起學生的學習興趣，調動學生的求知欲，讓學生由被動學轉變為主動學，更有利于開發學生的創新性思維。比如教師設計兩個虛擬人物，小兔子和兔子媽媽。兔子媽媽最近一直在為沒有給牙刷找到合適的放置位置而發愁，小兔子每天被牙痛折磨的寢食難安，牙醫說是因為牙刷放在牙缸里滋生細菌，牙刷把細菌帶到牙齒才會導致牙痛的，可是牙刷不放在牙缸里又能放在哪里呢？將學生帶入一個虛擬場景中，引導學生動腦思考幫兔子媽媽解決煩惱，在思考過程中，學生異想天開，想象出不同的創意造型，無論想法有多荒謬，都要給予肯定，使學生的創造性思維得以無限開發。進行創意后，由教師展示出由3D打印機打印出的成品牙刷放置架，之后提出相應問題，比如模型是由哪幾類立體圖形構成，各個圖

形如何組合會更美觀，立體圖形的長寬高如何設置會更符合科學，如何改變物體的外形會使其更有趣。在提問引入階段引起學習者的注意力，激起學習者的求知欲，同時打開學生的想像力，為以后教學中進行實際創造打開思路，通過提問的方式引導學生朝著老師設定的思考方向進行拓展。

（2）自主探究——分析自學

本設計的分析自學階段由教師引導學生分析上一階段所提出的問題，同時引導學生學習使用相應的命令工具，這一部分屬于激發思考，教師通過問題的設置激發學生對問題進行思考。在傳統課堂中，注重將知識全部灌輸給學生，這樣無法給學生思考的空間，而在引導過程中，通過逐步分析的過程，學生跟隨教學思路進行思考，在思考中激發學生的創新思維或創造行為。比如在分析”糖果屋“的過程中，首先要分析“糖果屋”構成的圖形，由學生通過觀察成品，去思考模型的各個部分由什么類型的立體圖形構成，在觀察出是由長方體，圓柱體組成后，學生會對如何將各個圖形組合在一起充滿求知欲，自然而然引出本課新知知識是學習命令工具中“基本實體”中“圓柱體”和“長方體”，以及“特征造型”中“圓角”、“切角”命令。由于3Done軟件簡單、操作容易上手的優點，可以通過自學教材的方式進行學習。最后還要分析圖形的搭配比例，圖形長寬高數值置需要學生運用先知知識中數學知識和工程知識進行分析，同時將自己預測的長寬高

數據記錄下來，以便在創造設計階段進行驗證是否符合實際的科學規律。這充分凸顯了STEAM教育理念中的Math數學素養和Engineering工程素養深度融合后應用到解決實際問題中。

（3）融合知識——創造生成

在此階段學生綜合上一階段所掌握的工具命令對模型進行創造，繼續發揮學生的創造性思維，這一部分屬于學習者獨立進行組織思考的階段，學生將前兩個階段所掌握的技術和對問題的解決策略綜合后進行創造。在創造過程中由于所創造的模型一般是生活用品，所以要符合科學規律，同時出于作品的美觀要求，要對作品的顏色進行搭配，在創造過程中，學生的S科學素養、T技術素養、A藝術素養會不斷被激發，學生會不斷對這些知識進行融合，之后去解決創造過程中所遇到的問題。學生在創造過程中，思維不斷發生碰撞，可能會有各種想法涌出，來激發學生的創造力，以培養學生的創造思維。

（4）發放評價量表——交流反饋

學生完成作品后，教師組織學生進行交流，在交流過程中每個人陳述作品的完成情況，反饋自己的創造過程，向全班講解自己的創造思路。在交流結束后，教師向所有學生發布STEAM評價量表，評價量表主要側重評價學生的科學、技術、工程、藝術、數學素養的體現以及模型的創新性。在交流之后，學生對自身的表現和在完成項目作品中知識技能的提升進行反思。

（5）分享微課資源——查缺補漏

在線上，會建立一個QQ群和網盤，為了彌補綜合能力稍弱學生的短板，將3Done命令工具的基本使用方法的微課視頻發布到網盤里，以便于基礎較弱的學生去觀看。由于3Done軟件平臺界面簡潔，上手比較容易，同時在分析自學階段，學生有了一定的基礎，在課下通過觀看視頻可以查缺補漏，彌補課上遺漏的知識點。

（6）展示作品成果——分享提高

為了鼓勵學生發揮想想進行創意設計，在課下學生的作品也可以上傳到線上，以供學生觀賞。

（7）答疑評價——迭代完善

學生和教師也可以將網上一些優質資源分享到線上，在線上，學生對于難點進行提問或者對其他同學的疑問進行解答。同時也可以對他人的作品作出評價，以便與學生不斷完善自己的作品。

4.2??STEAM教育理念下3D打印課程教學模式設計的實踐案例——以小學六年級下冊《我的糖果屋》學習為例

3D打印課程教學設計是以廣東省教育研究院教研室編著的常規教材《廣東省小學課本信息技術第四冊（下）》六年級下冊的“我的糖果屋”為例，學生運用3D打印軟件設計糖果屋的造型，通過設計糖果屋的窗戶、門、房檐、名字等設施，把3Done打印軟件中所要掌握的基本實體、草圖繪制、特征造型、材質渲染等命令工具融合到設計糖果屋的活動中，從項目出發，在解決問題過程中熟悉3Done打印功能，同時激發學生的創造性思維，從而提高學生的問題解決能力、團隊合作能力、設計能力、創造性思維和實踐能力。

（1）提問引入階段

課程設計兩位虛擬人物，糖果爺爺和小兔兩個卡通形象，并且課程由這兩位虛擬人物作為向導來展開學習活動。豐富的場景和故事情節指引學生進入學習活動中。

糖果爺爺有一個糖果屋，小兔子很羨慕，于是對糖果爺爺說出自已的愿望：“我也想擁有一個自己的糖果屋。”糖果爺爺說“你看我的糖果屋就是通過3Done軟件設計出來的，如果設計優美觀的話還可以鏈接打印機打印出來，變成一個模型實體。給你展示一下我的模型成品。”教師將成品進行展示。同時向學生提出問題：

①糖果屋是由哪幾類立體圖形構成的？如何創建這幾類圖形才會形成糖果屋？

②立體圖形的長寬高如何衡量才會符合科學 規律？

③是否能將糖果屋變的更有色彩一點？

問題①是為凸顯學生的數學素養而提出的;

問題②是為凸顯學生的科學素養而提出的;

問題③是為凸顯學生藝術素養而提出。

整個階段以解決具體問題為目標，問題是圍繞科學、數學知識所提出的，依據問題的指引，為學生思考提供方向，思維整理也有了一定依據。

（2）分析自學階段

教師帶領學生觀察糖果屋模型。

老師：“小兔子很想擁有自己的糖果屋，我們大家一起來幫助小兔子吧。下面請同學們仔細觀察一下糖果屋的的屋頂、屋體、窗戶分別是由什么形狀構成的？”

在問題拋出來后，同學們開始七嘴八舌的進行猜想。大家開始由屋頂到屋體進行圖形分解分析，部分學生能夠分析出糖果屋的構成圖形，但是具體的操作方法不能用專業詞匯準確作答。于是需要教師對學生的專業用詞進行糾正。

老師：“大家都很棒，能夠分析出糖果屋屋頂是由兩塊長方體組成;屋體是由正方體構成;窗戶是由四個長方體構成;屋體的門也是由長方體構成。具體是如何操作的呢？這就是我們本節課的所要掌握的目標：第一是學習命令工具“基本實體”中的長方體及長方體的相加減操作;第二是學習命令工具“特征造型”中圓角、倒角操作;第三是學習“草圖繪制”中預制文字，將“糖果屋”三個字進行嵌入到屋體上。”

教師需要將本節課教學目標準確傳達給學生，使學生能明確自己的學習重點，由于這些操作命令在界面能夠輕易找到，所以通過學生自學教材、合作學習能夠掌握其基本操作。

（3）創造生成階段

通過學習基本操作，學生有了一定的基礎，有能力將本節課所習得的操作進行融合，同時驗證自己對問題的解答是否合理，也是對先前知識學習的鞏固，最后形成糖果屋。在創造過程中學生進行數學、工程、科學、技術素養的融合，從而激發學生的創造思維。對于問題③有能力的學生進行拓展，學生可以運用先前所學習“材質渲染”對糖果屋進行染色，使房屋更有色彩;也可以運用先前學習“基本實體”對糖果屋添加其他元素，以期培養學生的審美意識。

（4）反饋交流階段

學生完成自己的作品之后進行展示，同伴進行交流，教師對于作品進行評價，對于作品中有特色的部分給予肯定，同時對不足的地方進行迭代改造，展示之后填寫STEAM評價量表。

5??結束語

面對第三次工業革命的挑戰和機遇，培養適應新時代的創新型人才成為教育的新使命，3D打印作為發展創新性人才的教學工具更是推向了更高的層面。實踐證明將STEAM教育理念融入到3D打印課堂中，通過學生親自感受具體的事物，使抽象的概念具體化、形象化，拓展了學生創新思維的應用范圍，構建起基于STEAM教育的學習情境，提升創新教育水平，使得學生動手能力、設計能力、思維能力有所提高。3D打印課程勢必作為基于創造的學習平臺融入到教育生態新環境中，我們需要更多的思考如何連通學習和創新，培養具有創造力和設計力的系靠著，從而成為智能教育時代推動教育變革的重要利器，助力教育育創新和變革。

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