STEAM教育理念下小學(xué)3D打印教學(xué)實踐探究

喻蓉蓉

【摘 要】STEAM教育作為一種培養(yǎng)未來綜合性人才的教育模式和教學(xué)趨勢，已經(jīng)在國際上掀起了一股STEAM教育熱潮。3D打印作為一種融合多學(xué)科領(lǐng)域的新興技術(shù)手段，為STEAM教育的發(fā)展提供了良好的技術(shù)平臺。通過3D打印技術(shù)課程的設(shè)置與教學(xué)實踐活動，將STEAM教育理念根植于教育教學(xué)改革之中，以期最大程度上實現(xiàn)各學(xué)科交叉融合，培養(yǎng)具有綜合科技素養(yǎng)和深度創(chuàng)新能力的人才。

【關(guān)鍵詞】3D打印;STEAM;教學(xué)實踐;學(xué)科融合

近年來，國際社會興起的STEAM教育熱潮，受到了廣大教育者的廣泛關(guān)注和支持。2017年2月，教育部頒布《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，明確提出STEM是一種以項目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向的課程組織方式，旨在以科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)四門科學(xué)的有機(jī)融合來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。由此可以看出，我國對跨學(xué)科教育教學(xué)的重視和認(rèn)可。

3D打印作為一種新興技術(shù)，在工業(yè)設(shè)計、建筑、航空航天、醫(yī)療等各學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。隨著“桌面級”3D打印機(jī)的普及，3D打印技術(shù)也逐漸走進(jìn)教育領(lǐng)域，走進(jìn)學(xué)校。目前，3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域還處于起步階段，有關(guān)該技術(shù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的深入研究也相對較少。因此，關(guān)于如何讓其發(fā)揮應(yīng)有的教育價值，仍是值得研究和探討的問題。

3D打印技術(shù)與STEAM教育的共通性

將STEAM教育與素質(zhì)教育相結(jié)合，并應(yīng)用于小學(xué)教學(xué)中具有十分重要的意義，但在實際的教學(xué)過程中，STEAM教育理論往往找不到切實的執(zhí)行方案，在具體的實施中缺乏有效的技術(shù)支撐平臺。3D打印技術(shù)憑借自身的特點與STEAM教育在理念上存在諸多共通性，有助于STEAM教育的推廣和實踐。

1.3D打印技術(shù)基本要求與STEAM教育理念相契合

STEAM教育理念改變了傳統(tǒng)的教育理念和思維方式，以多學(xué)科整合的教學(xué)方式，注重過程和實踐，以真實問題為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)知識與能力并重，倡導(dǎo)做中學(xué)，引導(dǎo)人們探索新型的教學(xué)方式[1]。

3D打印作為一個跨學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)，需要多個學(xué)科，如科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、地理、美術(shù)，甚至工程等領(lǐng)域的知識支撐。因此，教育者需要有比較高的綜合理論素養(yǎng)，還需要靈活掌握3D打印技術(shù)的操作技巧，才能帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行融合多學(xué)科知識的創(chuàng)意設(shè)計，在實際操作中有效解決學(xué)生的問題或為其提供有效的問題解決方案。

2.3D打印技術(shù)的作用與STEAM教學(xué)宗旨相契合

STEAM教育旨在培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、團(tuán)隊合作能力、設(shè)計能力和實踐創(chuàng)新能力，從而培養(yǎng)具有綜合科技素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的人才[2]。

3D打印技術(shù)作為一種教學(xué)資源和輔助工具，可以培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、操作、交流、創(chuàng)造、體驗、分享等多方位的能力，幫助學(xué)生掌握數(shù)字化創(chuàng)造的基本技能，進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計，提升綜合素養(yǎng)、實踐操作能力以及團(tuán)隊合作意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

3.3D打印技術(shù)的實施過程與STEAM教學(xué)策略相契合

STEAM教育通過借助基于設(shè)計的學(xué)習(xí)、基于項目的學(xué)習(xí)和探究性學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者解決實際問題的能力[3]。

3D打印技術(shù)課程都是基于現(xiàn)實中真實問題的設(shè)置，以個人或者小組為單位完成該項任務(wù)，以解決實際問題為導(dǎo)向，重視學(xué)生設(shè)計思維的培養(yǎng)，留給學(xué)生開闊的創(chuàng)作空間，激發(fā)學(xué)生發(fā)散性思維，讓學(xué)生主動融入其中，獲得綜合能力的提升。

3D打印技術(shù)在教學(xué)過程中的探索與實踐

STEAM教育理念強(qiáng)調(diào)多學(xué)科融合，鼓勵學(xué)生以多維度、多視角的方式學(xué)習(xí)新知，3D打印為STEAM教育的實現(xiàn)提供了可能。本文正是基于多學(xué)科融合的STEAM教育理念，并結(jié)合我校信息化環(huán)境，將3D打印技術(shù)引進(jìn)課堂，作為我校的特色課程，進(jìn)行了深入研究，以期為學(xué)校課程建設(shè)提供一定的參考。

1.3D打印課程教學(xué)設(shè)計與實踐

在教學(xué)分析的基礎(chǔ)上，以STEAM教育理念為指導(dǎo)，充分考慮各學(xué)科之間的融合，同時考慮學(xué)生基礎(chǔ)能力，在橫向整合，即跨學(xué)科整合模式的同時，注重縱向整合，即學(xué)生的認(rèn)知水平。隨著學(xué)生年齡的增加，不斷增加知識廣度和深度，逐步提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)和實踐能力。以下通過幾個課堂教學(xué)設(shè)計實例，體現(xiàn)各學(xué)科的橫向整合和縱向整合。

（1）與語文、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)學(xué)科的融合

以“3D名片”課堂教學(xué)設(shè)計為例。3D名片的設(shè)計比較簡單，適合剛開始接觸3D打印的三年級學(xué)生，該年齡段的學(xué)生雖然已經(jīng)具備一定的語言能力和思維能力，但較四、五年級的學(xué)生還有一定差距。因此，為該年齡段學(xué)生設(shè)置3D名片教學(xué)內(nèi)容。將姓名打印成3D名片，將學(xué)生姓名等基本信息通過立體的形式呈現(xiàn)，是一種培養(yǎng)自我意識的過程，名片設(shè)置大小和參數(shù)，有助于學(xué)生對數(shù)學(xué)度量單位的理解由抽象轉(zhuǎn)為具體。后期還可以再進(jìn)行古詩詞的3D打印教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生對文學(xué)的興趣。

（2）與美術(shù)、語文、科學(xué)、信息技術(shù)學(xué)科的融合

以“漂亮的燈”教學(xué)設(shè)計為例。通過對人類利用光源的歷史進(jìn)程的講解，使學(xué)生掌握光學(xué)的基本科學(xué)知識。通過中國古代燈具的圖片資料、外國及現(xiàn)代燈具的欣賞，讓學(xué)生感受各國的藝術(shù)設(shè)計風(fēng)格，從審美的視角出發(fā)，使用3D打印筆繪制形狀各異的燈，感受燈的功能美與裝飾美，進(jìn)而發(fā)展形象思維，培養(yǎng)學(xué)生的造型表現(xiàn)能力。該課程可根據(jù)學(xué)生的年齡，把握各學(xué)科的縱向深度，逐步提升學(xué)生的綜合能力。

（3）與科學(xué)、語文、美術(shù)、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)學(xué)科的融合

以“立體的橋”教學(xué)設(shè)計為例。該課程適合高年級學(xué)生的學(xué)習(xí)，通過對橋梁的種類學(xué)習(xí)，了解基本的物理力學(xué)常識，橋梁的工程設(shè)計模式。通過對中國古代著名橋梁和現(xiàn)代橋梁的認(rèn)識，感受建筑藝術(shù)的美。在數(shù)學(xué)方面，了解橋梁模型和實際橋梁的比例、角度、視圖等知識。讓學(xué)生從審美與實際應(yīng)用的角度出發(fā)，使用3D打印軟件繪制橋梁模型，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維和工程設(shè)計能力。

通過對古今中外著名橋梁的圖片或視頻的欣賞，從不同的角度去觀察橋梁的立體構(gòu)造，了解橋梁的種類和基本結(jié)構(gòu)。然后，讓學(xué)生以小小橋梁設(shè)計師的身份，在建模軟件中，以小組為單位，設(shè)計屬于自己項目組獨特風(fēng)格的橋梁。高年級學(xué)生各方面思維和知識儲備均有所加強(qiáng)，在兼顧橋梁創(chuàng)意想法外，還應(yīng)考慮橋體的結(jié)構(gòu)和平衡，在小組合作討論出一個總體方案后，進(jìn)行分工協(xié)作，設(shè)計橋體的各個零部件。以小組合作方式完成一個大的項目，有助于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)合作的意識。3D打印一座“真正”的橋梁，結(jié)構(gòu)件的設(shè)計比較復(fù)雜，要充分考慮到構(gòu)件結(jié)構(gòu)和尺寸的匹配問題，每一個連接點都很重要，不能產(chǎn)生任何疏忽，否則會導(dǎo)致橋梁模型的失衡。學(xué)生經(jīng)過不斷地嘗試與修改，才能筑起一座橋梁。

3D打印技術(shù)課程采用項目式的探究型學(xué)習(xí)方法，基于現(xiàn)實中真實問題，通過創(chuàng)設(shè)情境，引出問題，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生個人或小組展開討論、合作完成任務(wù)。最后，運(yùn)用3D打印機(jī)打印作品，將虛擬的、抽象的三維視圖轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實中三維真實物體。不僅能加深學(xué)生對3D打印技術(shù)的認(rèn)識，同時也能加強(qiáng)學(xué)生對自我創(chuàng)造能力的肯定，獲得一種成就感。

2.3D打印課程教學(xué)實踐效果

（1）在拓展學(xué)生知識能力方面

在3D打印教學(xué)過程中，時刻體現(xiàn)著STEAM的教育思想，由于融合了科學(xué)、語文、數(shù)學(xué)、美術(shù)、信息技術(shù)等多門科學(xué)知識，將所學(xué)知識加以結(jié)合應(yīng)用，拓寬了學(xué)生的知識體系。另外，通過3D打印技術(shù)可以把一些抽象、復(fù)雜的知識設(shè)計成具體的實物模型，從而呈現(xiàn)出清晰直觀的視覺效果，提升了學(xué)生空間思維能力和實踐操作能力。

（2）在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維方面

3D打印技術(shù)教學(xué)是一種項目學(xué)習(xí)方式，對于項目的實施過程完全持開放的態(tài)度，學(xué)生針對某個任務(wù)可以不拘泥于某種形式，充分地發(fā)揮空間想象力和創(chuàng)造力。也就是說，學(xué)生在3D建模過程中，可以從不同的角度去構(gòu)建自己的“自由王國”。因此，可以最大程度上激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

（3）在營造學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)體驗方面

3D打印技術(shù)本身就是一種新穎的教學(xué)資源，蘊(yùn)藏著極其廣闊的知識，學(xué)生可以自由地在其中汲取。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，不會感覺枯燥無味，時刻能感覺到學(xué)習(xí)的樂趣。在實際的教學(xué)過程中，學(xué)生之間、師生之間的互動充足，課堂氣氛活躍。學(xué)生通過抽象思維、空間思維實現(xiàn)具體物質(zhì)的呈現(xiàn)，獲得輕松而富有成就感的學(xué)習(xí)體驗。

3D打印技術(shù)作為一種創(chuàng)新工具，為STEAM教育提供了豐富的教學(xué)資源和技術(shù)平臺，將STEAM教育引入3D打印技術(shù)教育過程中，打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式的束縛，將各學(xué)科領(lǐng)域知識有機(jī)結(jié)合為一體。教師不僅可以根據(jù)學(xué)生能力，自由加載設(shè)計不同難度的課程，而且可以給予學(xué)生開闊的思維創(chuàng)作空間，培養(yǎng)學(xué)生感知能力與空間想象能力。積極開展3D打印教學(xué)實踐，推動STEAM教育理念的具體實施，有助于培養(yǎng)21世紀(jì)具有綜合科技素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的人才。

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