EDIPT設計思維模型下的STEM課程

◇沈怡桑 羅德清（江蘇：常熟倫華外國語學校）

3D打印能幫助學生將腦海中的創意通過3D建模軟件，轉換為立體模型，再通過3D打印機打印出個性化定制的真實物體。學生在此過程中，感受設計所帶來的樂趣。然而，大部分老師在3D打印的STEM課程的課堂教學過程中，并沒有充分發揮3D打印個性化定制的特征，沒有充分挖掘3D打印的內涵，激發學生的創新意識，導致3D打印教學活動的實施效果欠佳，學生的創造能力、學習能力等綜合素質的培養令人不太滿意。對于這樣的普遍現象，筆者在3D打印課程中融入設計思維，從設計思維的角度培養學生的創新意識，激發學生的創作力、學習力。

一、研究背景

（一）STEM課程下3D打印教育現狀分析

在STEM課程中，老師更應當強調學生的學習過程，而非學習結果，始終以培養學生綜合素質為教學目標。STEM課程往往以項目的形式展開，從提出問題到解決問題，始終以學生為中心，老師在各環節中均擔任輔助、引導的角色。學生在STEM課程的學習過程中，自然而然會運用多學科知識進行探究實踐。

在這樣的課程理念下，需要易于操作的技術或平臺支持，而3D打印正是這樣一個易于實現的平臺。它可以是完成虛擬環境中的操作，也能將虛擬物體轉化為現實，這為STEM課程的實施提供了強大的支撐。學生在3D打印的學習中，能將心中所想，通過建模、打印的過程變得真實，體驗從無到有的過程，大大激發了學生學習的積極性，因此在目前很多中小學中開設了3D打印的STEM課程。但在3D打印課程的具體實施過程中，仍存在一個普遍問題，即過于強調技術。由于開展3D打印課程的老師多數為信息技術老師，他們在不經意間注重了學生的建模過程，以三維建模為主，這就導致技術型課堂的出現，影響了學生主動性及設計思維、創造能力等一些綜合素質的培養，這對培養未來優秀人才是不可取的。

（二）EDIPT設計思維模型

設計思維強調以人為中心，強調用戶的真實體驗，運用創新思維及手段解決實踐問題。斯坦福大學設計思維學院（D.School）將設計分為共情、定義、構思、原型實現和測試優化五個步驟，這些步驟以更靈活和非線性的方式進行。共情階段，是指從用戶角度出發，體會用戶感受，理解用戶真實需求，這是設計思維的重要特征；定義階段，要求設計者明確做什么，準備達到什么樣的目的；構思階段是解決問題的關鍵，設計者經過一番頭腦風暴，提出具有最佳創意的解決方案；原型實現階段是根據解決方案實踐的過程，將方案轉化為實際作品；測試優化階段是通過測試的過程，提出改進優化方案，通過更新迭代使作品更合理優化。該設計思維的五個階段簡稱為EDIPT模型，學習者經過一番頭腦風暴并通過反復操作實踐，不斷完善解決實際問題，從而提升創造能力及學習能力等綜合素質。EDIPT模型下的3D打印課能讓學生更完整地體驗3D打印創造的過程。

二、基于EDIPT設計思維的3D打印教學實踐

基于設計思維模型下的學習能發揮并提升學生的創造力，在3D打印的學習過程中引入EDIPT模型能培養學生發現問題、解決問題的能力，在探索、發現、實踐的過程中，激發學生的創造能力、學習能力等。該教學實踐案例在小學階段的3D打印社團的課堂中開展實踐，旨在研究EDIPT設計思維模型下的3D打印教學設計。

（一）主題的確定

幾年前，帶學生參加過一次3D打印創新設計大賽，比賽圍繞三個主題準備，分別為生活類、藝術類、環保類。學生提交了兩份作品，分別為工具收納盒及創意景觀盆，以改造塑料瓶、變廢為寶為亮點。基于這次有趣的比賽體驗，我發現塑料瓶改造是一個有意義的項目。塑料瓶是貼近學生生活實際的一件物品，大量的塑料瓶給環境造成了一定污染，除了進行垃圾合理分類回收之外，我們還可以對塑料瓶進行“再定義”，變廢為寶，借此激發學生創意、培養設計意識、鍛煉學生小組合作能力。于是，我開展了基于EDIPT設計思維下改造塑料瓶項目教學。

（二）教學實踐過程

以“改造塑料瓶”項目為例，該項目主要分為五課時，圍繞認識塑料瓶的危害、認識不同形狀塑料瓶的作用展開，然后，通過小組合作的方式，分別提出改造塑料瓶方案、初步形成圖紙，最后，結合身邊材料，初步完成塑料瓶改造。下面是該項目的第四、五課時的教學過程，學生將結合3D打印的方式改造塑料瓶。

文王適逢商周改朝換代大變革時代，他在囚牢里演繹《周易》而被后人冠以“圣人”。傳說在周朝初期，《周易》為周天子的家藏密傳書，是傳給子孫后代修身養性齊家治國平天下的智慧學。孔子說他五十而研易，大約在孔子時期，《周易》開始從官家流落到民間，孔子才得到接觸《周易》的機會。孔子的《十翼》是對《周易》陰陽消長對立統一哲學內核的挖掘和重要詮釋，在易學史上具有承前啟后的劃時代意義，然而只是在《卦序傳》中留下了遺憾的缺陷。本文為《易經》最新研究成果，修改后的《易經》64卦卦序，符合文王卦辭／爻辭內容的排序邏輯。比干八宮揭示：

共情思考——發現問題

課堂上，各小組紛紛對1.0版本的作品進行展示介紹，接著各組針對任一小組的作品進行評價、提出建議。此環節將作品置于實際生活場景中，從用戶真實體驗角度出發，引導學生發現并思考作品中存在的問題，在真實的場景中發散思維，建立設計思維。

設計思維遵從以人為本的原則，強化學生的自我思維意識，通過各組學生對作品的“吐槽”，讓各組在交流的基礎上形成共情，初步感受設計思維，并為下一環節奠定基礎。

需求定義——確定問題

各組學生結合自身體驗感受及用戶的建議，將大家的“吐槽”點精準提煉，明確要解決的實際問題。根據課上的反饋情況，各小組均存在明顯的問題：有的小組計劃制作灑水壺，但由于工具、材料等的限制，不方便制作灑水噴頭；有的小組計劃制作的是植物景觀容器，但處理后的塑料瓶存在邊緣鋒利、易剮傷的問題，需要對邊緣處進行防剮設計；有的小組設計的是盆栽，但容器材料不具備滲水功能。

需求定義這一環節能幫助各小組明確自己的項目方向，引出后續方案的提出。

創意構思——明確方案

根據需求定義環節，各小組都有以下幾個問題需要解決，即材料易變形、不牢固等，這時，我們就引出了3D打印技術，各小組主要圍繞設計合理的模型問題展開深刻討論，進行頭腦風暴，發散思維，提出多種解決問題的方案，并得出最優解決方案。

在該環節中，通過成員間的思維碰撞，確定最終設計方案，能夠鍛煉學生創意構思的方法，提升自身的設計思維，讓設計思維通過語言、文字、圖形等形式得以表達。

原型實現——建模創作

此時，學生進行到了建模環節，要將最優方案付諸實踐。老師在此環節中可提供大量的幫助學習視頻，以滿足不同小組的學習需求，對具有普遍性的操作難點，應在課堂上進行重點闡述并演示。各小組主要通過合作探究的方式完成模型的創作，并在建模過程中體驗不斷調整改進的過程。

在課堂上，大部分小組能完成建模環節，模型打印環節會放在課后。通過此環節，學生能將小組方案轉為真實物體，切身感受在該項目中所獲得的小小成就感，進一步激發學生創造的激情。

測試分享——優化方案

學生將3D打印作品與塑料瓶進行組裝，并真實體驗塑料瓶改造物一周時間，從用戶切身角度感受實際使用情況。此環節放在第五課時，分組分享展示結合3D打印的塑料瓶改造成品，介紹成品的特點、優勢等，并說一說一周體驗后的感受，談談是否需要修改方案，使作品更加完美，其他小組可對各組的作品提出合理建議。通過各組給出的建議及實際體驗后，重新優化方案。

此環節非常重要，有些最初的想法可能會在該環節重新定義，甚至挖掘出新的問題，進一步提升學生的設計思維能力。

三、感悟與思考

該項目形成了“3D打印與塑料瓶碰撞”的課程，在實際項目教學中運用EDIPT設計思維的方法培養了學生的創造力、學習力等綜合素質。

（一）EDIPT設計思維模型使學生的作品不再單一

相比較傳統的3D打印技術課堂，設計思維模型下的3D打印課堂能讓學生在指定的主題下，通過小組合作的方式展開創意設計。以“塑料瓶改造”項目為例，學生的改造方案具有各組的個性化特征，有可愛的存錢罐、實用的灑水壺、別致的景觀盆……在作品匯報分享環節，精彩紛呈，各具特色。

（二）學生的設計思維在迭代修正中得到提升

在整個項目中，老師僅僅擔任著引導、輔助的角色，充分體現了以學生為中心的特點。學生在整個項目開展的過程中，作品的完成并不是一蹴而就的，而是在反復修正迭代中完善。尤其在構思、原型實現和測試優化環節中，小組成員通過多次討論、思維碰撞，在感受體驗、修正中逐漸提升思維高度，掌握設計思維的方法。

（三）多學科領域知識助力設計思維的培養

在項目的實施推進過程中，需要學生先將已有的知識和創造性思維相結合，去實現設計想法，然后通過搜集更多學科資料去填補、修正前期的設計方案。在“塑料瓶改造”項目中，打破學科界限，學生會運用到科學、數學、藝術等學科的知識解決實際問題。多學科知識的整合，幫助學生在項目教學實施過程中更有序開展，提升學生的學習能力及設計思維能力。

EDIPT設計思維模型下的STEM課程能讓學生學會創造性思考，激發學生創造性思維，讓學生學會用設計思維的方式學習、創造，也促進了老師的專業成長。每一位3D打印老師應當不斷提升自身的專業水平，將設計思維融入課堂，從多學科角度探索培養學生設計思維、創造力、學習力的教學策略與方法。■