基于 STEAM 項目式學習的 3D 打印課程實踐研究

池夢茹

【摘要】深化教育教學改革使教學聯系實踐，努力擺脫長期的重理論輕實踐現象，一直是教育工作者研究的熱點及難點。STEAM教育就是一種項目式的學科滲透與整合的創新的教學方式。本文針對高中生動手能力及邏輯思維能力較為成熟的優勢，通過項目化的學習，以構建“3D校園”這一學生熟悉的場景為切入點來設計適合在高中階段開展的STEAM課程。

【關鍵詞】3D打印 ?STEAM教育 ?高中 ?項目式學習

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）05-0177-02

一、注重過程和各學科基本素養提升的課程目標

《3D物聯網校園》以國家新課程標準為指導，融合了STEAM學科知識，由3D設計與物聯網電子創意兩大模塊構成，具有跨學科學習、合作學習、項目學習的特點。通過本課程的開設與學習，讓學生真正在做中學，不僅掌握3D建模指令及電子創意的相關知識，更重要的是通過在具體的項目案例的完成中充分挖掘學生的潛能，達到培養學生的高階思維能力的目標，提高學生的創造能力、協作能力、問題解決能力和動手實踐能力，從而提升學生各個學科的基本素養。

通過學習3D設計培養學生的空間想象能力，并理解基于數字技術進行三維設計的基本思想與方法。能夠使用建模軟件及切片軟件設計并打印三維模型，體驗利用數字技術進行三維設計的過程與基本設計方法的運用。通過Arduino的物聯網電子創意的學習，學生能綜合利用科學、技術、工程、藝術與數學學科的相關知識，掌握從創意設計到作品形成的創作過程。

二、STEAM項目式學習的課程設計

所謂項目式學習，即學生通過一段時間對真實的、復雜的問題進行探究，并從中獲得知識和技能。項目設計時不僅需要關注學生的學習目標，同時也需要考慮項目真實性、持續性、挑戰性。一般項目式學習的環節有提出問題、規劃方案、解決問題和評價反思幾個操作。《3D物聯網校園》課程就是按照這樣的方式來進行設計。教師提出項目任務，如現階段傳統教室的優缺點，未來智慧教室的發展趨勢，組織學生一起討論交流，啟發學生思考項目任務的設想，最終確定項目的目標和任務。隨后通過基本任務模板為學生搭建項目式學習的腳手架，選擇探究主題，明確探究任務，制定主題探究計劃。由學生制訂項目工作計劃，確定工作步驟和程序，教師在此過程適當提醒幫助。學生實施計劃，收集資料，開展主題探究，分析、總結資料，制作作品，最后不同組間進行展示與評價。教師需要預定展示作品的時間，進行成果展示，進行多元化評價。

在讓學生進行正式的項目式學習前，學生的能力與往常的習慣可能會降低項目式學習的效率，在高中階段，學生額外時間做項目又尤為寶貴，因此，教師需要在常態化教學中強化學生項目式學習的能力，讓學生熟悉項目式學習的方式更需要學生掌握一些基礎知識，在授課過程教師也需要進行傳統的講授，為學生日后更好進行項目式學習做準備。

在常態課程設計上主要分為兩大模塊，一部分為3D設計，著重于校園的外觀、結構及布局;另一部分為Arduino電子創意及物聯網模塊學習，這是3D物聯網校園的核心，為靜態的模型校園提供動態智能控制效果。在兩個模塊的學習中都是按照項目式學習來設計，在課程中提出問題，讓學生來設計解決并對自己的作品進行評價和反思。甚至在項目實施中，專門準備了一間空教室，將這個教室的裝修設計和智能化改造作為項目交給學生。如此項目變得更加真實和具體。這個教室將按照學生的設計來布置，讓學生在真實的實踐中獲取成就感，激發他們的學習動力。

3D課程分為四大專題：專題一主要講授3D原理及硬件打印機的使用，為后期進行打印提供經驗，同時提高學生的學習興趣，包括初識3D打印、3D打印機原理及操作學習、3D建模軟件Sketchup初識、測試模型的建立，涉及學科有技術與工程。專題二主要幫助學生熟練SKETCHUP軟件的基本操作，在操作中滲透STEAM教育，如拼圖中的數學原理、排簫中的發聲原理，包括課程拼圖制作、排簫、印章涉及數學，技術、物理、藝術等學科。專題三主要幫助學生掌握SKETCHUP軟件的高級操作，讓學生注意建模過程中的一些細節問題。包括課程孔明球、手機支架、六角亭、設計工程與技術學科。專題四通過學生實際調研，提供校園圖片，航拍視頻，讓學生自主實踐，為實際挑戰項目，涉及工程、技術、數學、藝術等學科，學生能夠利用所學設計校園的3D模型。內容包括（1）校園小模型：路燈，展示牌。（2）校園建筑模型（分組）。（3）根據本校的模型結合自己的學習生活，設計學校的功能區域。

Arduino電子創意課程也分為四大專題：專題一主要講授Arduino原理及使用，為后期實踐提供經驗，同時提高學生的學習興趣，內容包括初始Arduino、輸入輸出控制、LED、按鈕，主要涉及技術學科。專題二主要幫助學生熟練軟硬件的操作，了解傳感器的原理，接線方式及編程控制，課程內容包括面包板使用、線路圖的連接、旋鈕、按鈕、光敏等傳感器的使用，主要涉及技術與物理學科。在學生學習一定成果后布置階段性任務，讓學生之間形成團隊合作，集思廣益，就物聯網校園進行頭腦風暴，形成作品的初步方案，并就可行性，及后期實施步驟做前期準備。專題三主要幫助學生掌握了解更多的庫文件，拓展學生視野，為作品進行拓展。主要內容包括語音識別擴展版、物聯網擴展板、特殊傳感器的使用（PH傳感器，指紋識別傳感器）。專題四綜合利用學生掌握的技能讓學生進行自主實踐完成升級版智能教室制作，如制作教室助手、黑板清潔器、噪音檢測器等。

三、點線面結合的課程實施方案

項目式學習不同于傳統的課堂式教學，不是為了完成知識傳遞的學習模式，而是學生根據實際問題，了解熟悉掌握運用知識，因此項目式學習有時需要更長的時間，本校以一學年選修課為周期進行項目式學習探究，教師在過程中需要時刻的指導和督促。教師在項目式學習過程中，第一，要做好項目規劃：綜合考慮學生知識技能背景，設定項目目標并給出驅動問題。第二，提供關鍵性指導：就學生的調研方法、采訪技巧、數據分析、知識解惑進行專題指導等。第三，促進或協助學生做好管理：方案制作過程中給予團隊管理、時間管理、專家引進、修正建議等。第四，教師要給予積極反饋：給學生提供展示創造機會并給予反饋、提供評估。

本課程在面上通過學校的STEAM選修課程針對高一學生開設。選修時間為一學年，每周兩節課共計60課時。選修課面對全段學生通過大面積的課堂教學和活動，學生進行設計和建模不斷鍛煉動手能力，學會簡單的物品建模和設計以及簡單的Arduino電子電路搭建;在線上對社團學生以自主學習和教師的課外指導的方式開展。通過課余時間根據項目要求在創客功能室學習制作。這部分學生是對課程充滿興趣愛好的學生，他們愿意花更多的時間深入學習。針對他們要更多地去引導他們學習傳感器使用，開展以智能教室、物聯網為主題的項目學習，為“3D校園”畫龍點睛;在點上從社團學生以及全校學生中進一步篩選出能力特別突出、有特長的學生參加學校的STEAM挑戰賽相關內容，優勝的同學再參加省市安排的3D設計以及創客作品比賽。這部分針對比賽內容，結合課程進行學習探索。真正實現學以致用，為用而學。

四、課程評價與反思

評價體系的建立有利于提高學生完成任務的積極性，通過多元化的評價也利于教師能夠反思每次項目式學習任務中的不足點，本著對發展學生創新精神和實踐能力有利的原則在整個課程學習和項目制作中，多維度、多方面考核學生。評測條目可以包括學習態度、專注度、參與度、興趣度、合作力、創造力、實踐力、研究力、執行力、領導力。評價的主體可以是評價公開展示的學生作品，如將作品在全校的宣傳場所展示，或者學生用視頻面向全校做匯報。評價者可以包括校長、教師、家長、同學等所有看到作品的人;評價的作品不再僅僅是總結性評價的內容，還更加強調學生在項目學習中的過程性表現，如小組討論的材料、項目半成品以及總結的材料。所以項目的多元評價理念更加明確，評價方式更加公開，甚至權威。

展示工作和作品是項目式課程教學的重要組成部分。 在展示的時候，學生必須解釋，為了達到最終結果，他們所經歷的思考過程。在這個過程中，學生不僅會表達他們的激情，同時也會向他們的同伴傳達重要的知識。在觀看和欣賞其他人的項目的時候，學生會創造性地激發對方。評價者和被評價者均可以從中學到很多東西。

反思任務中的不足，每一次設計項目式學習任務對教師來說都是莫大的考驗，項目式學習任務很大一部分時間在于失敗，學生在失敗過程中容易放棄，使得項目沒有辦法朝著預定目標進行，因此教會學生正確評估自己就顯得格外重要，并要突出強調迭代設計過程。在課程的教學中，教師要求學生上交任務完成情況，不是要學生簡單地記錄流水賬，而是要教導學生反思自己發現了什么，做了什么或沒做什么，并且提出新的想法，說明他們下一次怎么樣才可以做得更好。

教師自己也應該堅持撰寫日志或手記，根據學生對自己的自我反思和誠實度來評估學生。

參考文獻：

[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，v.35;No.233（2）：90-97.

[2]李小濤，高海燕，鄒佳人，萬昆. “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，v.34;No.232（1）：28-36.

[3]孫江山，吳永和，任友群. 3D打印教育創新：創客空間、創新實驗室和STEAM[J].現代遠程教育研究，2015，No.136（4）：96-103.

[4]傅騫，王辭曉. 當創客遇上STEAM教育[J]. 現代教育技術，2014，v.24;No.162（10）：37-42.

[5]王萍.3D打印及其教育應用初探[J].中國遠程教育，2013，No.446（8）：83-87.