創客教育：基于3D打印PBL校本課程跨學科培育核心素養

2021年福建省電化教育館教育信息技術研究課題：創客教育視域下3D打印PBL校本課程開發研究（KT21061）研究成果

摘" "要：創客運動推動大眾創新實踐，創客教育在開放、創新、實踐、共享的理念指導下培養學生創新素養和實踐能力、培養創新人才。創客教育視域下3D打印PBL校本課程，以學生“培養創新思維、創新能力、創新人才”培養為課程目標，以現實“真實問題”設計課程內容，以學生“實踐活動”為主要學習方式，從問題出發，創設項目情境，進行創新實踐，生成個性化創意產品，培育跨學科核心素養。

關鍵詞：創客教育；PBL校本課程；學科核心素養；3D打印

1" 創客教育的價值

1.1" 創客運動

創客運動經歷了“政府主導、精英引領”（上世紀90年代）到“大眾創新、萬眾創業”（2010年以后）的過程，互聯網的普及、3D 打印技術的發展大大降低了草根創客將創意轉化成為產品的門檻，創客運動進入大眾創造階段。2010年以來，創客空間、創客團體或創客社團陸續在在國內涌現，助力中國“智造”。綜合學者觀點，創客運動以個人為核心、以用戶為中心，具有數字DIY、分享合作、自行制造三種特征，創客運動使普通大眾也能進行創新實踐，從而進行個性化、非標準化的創意生產。

1.2" 創客教育

創客教育代表性觀點有：素養或精神說、青少年創客說、創新人才說，綜合課程說。綜合學者觀點，創客教育是教師（或學校）創設環境（或平臺），以項目為載體，以數字制造工具（如教育機器人和 3D 打印）為技術支持，以培養學生創新素養和實踐能力為目標，致力于在開放、創新、實踐、共享的理念指導下培養創新人才。

1.3" 創客教育的價值

華東師范大學祝智庭教授等人認為，創客教育強調在實踐中學習，注重培養學生解決實際問題能力，倡導在協作、交流、共享中建構知識的意義，強化創新思維和實踐能力的培育。創客教育將學科與生活中存在的電子、機械、科學、技術等內容進行融合，在實踐中學習知識，培養實踐操作能力和解決問題能力，培育跨學科素養，培育創造能力。

2" 創客教育視域下3D打印PBL校本課程的意蘊

2.1" 項目式學習（PBL）

項目式學習核心特征可以概括為兩個：一是生成——將原有零散的、碎片化的學習資源（生活經驗、知識）進行組織和重構，從而形成有序的、成體系的知識網絡，二是體驗——從真實情境開始，在真實的情境體驗中發現問題、解決問題，進而生產項目成果（產品）[ 1 ]。創客教育以項目式學習為載體，以數字制造工具為技術支持，從問題出發，引導學生經歷探究過程，體驗分享合作，進行創新實踐，生成個性化創意產品，培育學生創新素養。

2.2" 三維（3D）打印技術

三維（3D）打印技術是以數字化模型為基礎的快速成形技術。世界上首輛3D打印機打印汽車2010年問世以來，3D打印技術取得了迅猛發展：首顆3D打印出來的“完整”心臟，首次基于3D打印技術成功進行耳朵移植，3D打印首次在線蟲體內造電路，用3D打印技術制造出了世界首塊人造魚肉等。

3D打印機提供了模型快速生成能力，可以“打印”出真實的3D物體，可以將學習者的設計想法有效地可視化，技術發展使得普通學生能應用技術進行創造，學生基于3D打印機就能把創意變為現實產品。3D打印已不單單指的是一項技術，而是一門能夠應用在實際教育體系中的課程，3D打印課程的應用能夠讓高中生通過3D打印技術提升自身的綜合能力和創新能力，能夠在學習的過程中以綜合能力和創新能力的應用來發展自己。

2.3" 創客教育視域下3D打印PBL校本課程的意蘊（表1）

創客教育視域下3D打印PBL校本課程以學生“創新能力”培養為課程目標，以現實“真實問題”設計課程內容，以學生“實踐活動”為主要學習方式，從問題出發，創設項目情境，進行創新實踐，生成個性化創意產品，體驗分享合作，培育學科核心素養，發展學生核心素養，培養創新能力。

2.3.1 以學生“創新能力”培養為課程目標

我國學者傾向于將創客教育等同于創新教育。3D打印PBL校本課程，創設項目，以培養學生創新思維和能力為核心目標，以形成物理觀念、培育科學思維及科學探究素養、涵養科學態度與責任等學科核心素養為載體培養創新能力。創客教育視域下3D打印PBL校本課程著眼于培養未來綜合性的人才，凸顯學生的主體地位，重視培養高中生的創新素養和實踐操作能力，促進核心素養的培養有效落地，培養在未來社會中能面對的是各種各樣的未知與挑戰、具備創新能力的新時代學生。

2.3.2 以現實“真實問題”設計課程內容

創客課程通過真實的設計創造過程將科學世界中的知識經驗組織進了學生的生活世界，架起了溝通生活世界和科學世界的橋梁，使得學習內容、學習方式和學習結果都具有現實意義[ 2 ]。3D打印PBL校本課程內容來源于日常生活中的真實問題，教師基于真實問題生成課程內容，架設學科教學與現實生活的橋梁，融合各學科開展實踐類為主的學習活動。

2.3.3 以學生“實踐活動”為主要學習方式

創客教育視域下3D打印PBL校本課程立足學生親身體驗，從問題出發，引導學生經分享合作、創新實踐，基于3D打印機把創意變為現實產品。3D打印PBL校本課程的管理要采用動態管理的模式，體現高中生個性化的需求，落實高中生的主體地位，高中生能夠以學習項目方案為指導并結合小組的特點找到自己的實施路徑，在項目推進過程中學習學科知識和跨學科知識，提升實踐操作能力，培育學科核心素養，發展學生核心素養，培養創新能力。

3" 課程的實踐路徑

3D打印PBL校本課程基于核心素養培育創設項目情境，基于科學思維培育開展項目設計，基于科學探究、科學實踐推進項目實施，基于科學態度與責任素養培育開展項目活動。3D打印PBL校本課程《中國航天——我們的驕傲！》以中國航天為背景，創設三個項目情境：《中國航天之夢》生成3D打印火箭模型；《中國探月工程》生成3D打印中國探月軌跡模型；《中國航天員是怎樣煉成的》生成3D打印中國航天服模型。

3.1" 項目情境

創客課題主要來源于師生們觀察日常生活提出的現實問題，其次也有分科課程的教師根據各自學科教學需要提出的實踐性問題[ 2 ]。創客教育視域下3D打印PBL校本課程的實施要以素養培育為核心指標、結合學生特點創設項目情境，為學生制造出適切的項目學習情境，使高中生能夠扎實地投入到學習項目中。創客教育視域下3D打印PBL校本課程項目情境主題選擇要遵循三個原則。

3.1.1 項目情境滲透核心素養

每個項目設置多個板塊，每個板塊滲透一個學科素養教育，既讓學生系統地了解我國航天概況，又培養學生應用學科知識分析實際問題的能力，特別是綜合應用各個學科知識方法解決實際問題的素養。如：《中國探月工程》通過應用高中物理知識分析嫦娥號探月軌跡，提高學生應用物理知識分析實際問題的能力，滲透物理學科核心素養。

3.1.2 項目情境跨學科融合

每個項目設置融合多個學科，《中國航天之夢》融合物理、化學、音樂學科，《中國探月工程》融合物理、政治、生物、音樂學科；《中國航天員是怎樣煉成的》融合物理、英語、化學、體育學科。如：《中國航天之夢》項目模塊中通過《東方紅》樂曲賞析，提高學生音樂欣賞水平，培育學生審美感知、藝術表現素養；通過應用超失重分析宇航員 “負荷”等，提高學生應用物理知識分析實際問題的能力，培育學生物理觀念、科學思維素養。

3.1.3 項目情境適合學情

項目情境適合學情既要關注不同地區、不同學校的差異，也要關注學生學段的差異。《中國航天——我們的驕傲！》校本課程涉及了較多的高一、高二學科知識方法，適合安排在高二年級第二學期開設。

3.2" 項目設計

科學思維是對客觀事物本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式[ 3 ]。基于科學思維才能做出科學的項目設計，科學的項目設計需要模型建構思維，需要進行科學推理和科學論證，需要質疑創新素養。具體來說，好的項目式課程要設計一條課程線索串聯各個項目，才能推進學生創新能力培養和全面發展；每個項目要設計一條項目線索才能兼顧課程各項目標，參與的各學科才好進行資源選擇、項目設計。校本課程《中國航天——我們的驕傲！》以中國航天為背景，每個項目都以培育科學思維為重要目標又在科學思維的引領下進行設計。下面以《中國探月工程》模塊為例。

《中國探月工程》模塊以嫦娥號探月為載體設計了四個板塊：探月之夢、奔月之夢、登月之夢、共筑夢想。“探月之夢”讓學生系統地了解我國探月工程發展概況，結合政治學科知識理解“航天夢”“中國夢”，滲透科學態度與責任素養培養，培養國家認同素養，增強學生民族自豪感；“奔月之夢”通過應用嫦娥號探月軌跡的分析等，滲透物理觀念教育，培育學生科學思維、科學探究素養；“登月之夢”通過月球環境相關知識的學習，提高學生學科知識分析實際問題的能力，打通學科知識與現實世界的聯系；“共筑夢想”模塊設計、3D打印中國探月軌跡模型生成實物成果，并在交流展示環節全體學生共唱《共筑中國夢》，既提高學生文化理解素養，又激發激發情感共鳴，培養國家認同感。

3.3" 項目實施

3D打印PBL校本課程項目實施過程與科學探究有諸多交集，項目式學習核心特征（體驗、生成）與高中物理科學探究主要要素（問題、證據、解釋、交流）相互交融。問題是科學探究的真正靈魂[ 4 ]，也是項目的起點；體驗是項目的核心，讓學生在真實的情境中體驗發現問題、解決問題，尋找證據、推理論證，解釋交流、質疑創新，發展成長。生成是自然而然的結果：學生在項目實施過程中將零散的、碎片化的經驗、知識重組構形成新的知識是生成；從項目情境（問題）出發，通過猜想與假設、探究與推理、設計生產等實踐活動生產的項目產品也是生成。

3.3.1 問題

問題是項目的起點，情境創設是關鍵。中國航天是個大載體，能較好地在課程中發展學生的核心素養，滲透高中各個學科的核心素養。《中國航天員是怎樣煉成的》模塊以航天員的太空生活及日常訓練為載體設計了四個板塊：暢想太空生活、解碼航天員身體密碼、探密模擬太空訓練、展望航天之夢。通過“暢想太空生活”板塊學習，讓學生結合化學知識了解“太空中的水循環系統”，培育宏觀辨識與微觀探析素養；通過“解碼航天員身體密碼”的學習，提高學生體育常識水平，鼓勵學生鍛煉身體，培育學生健康行為、體育意識素養。通過“探密模擬太空訓練”的學習，培育學生科學推理、科學論證等素養；通過“展望航天之夢”板塊的學習，提高學生英語常識水平，培育學生語言能力、文化意識等素養，培養國家認同感，激發學生的航天夢。

3.3.2 體驗

體驗是項目的核心。《中國航天之夢》以我國航天發展歷程為線索設計了三個板塊：重溫歷史、載人航天、航天之夢；通過《東方紅》樂曲賞析，在音樂欣賞的體驗中培育審美感知、文化理解等素養；在應用超失重物理知識分析宇航員 “負荷”實際問題中，培育模型建構、科學推理等素養；在應用化學知識處理火箭燃料實際問題中，培育學生宏觀辨識與微觀探析、科學精神與社會責任等素養。

3.3.3 生成

生成是項目的成果。校本課程《中國航天——我們的驕傲！》不僅在三個模塊中分別生成3D打印火箭模型、中國探月軌跡模型、生成3D打印中國航天服模型實物成果，還在過程中生成了方案等文本成果和素養培育、能力提升等非物質成果。項目實施過程中體驗是核心，生成是自然而然的結果：學生在項目實施過程中將零散的、碎片化的經驗、知識重組構成新的知識是生成；從項目情境（問題）出發，通過猜想與假設、探究與推理、設計生產等實踐活動生產的項目產品也是生成。

3.4" 項目活動

開展項目活動要有明確的核心價值培育目標。引導學生形成正確的科學態度、科學價值觀，理解物理學的人文關懷與社會責任是極其必要的[ 4 ]。《中國航天——我們的驕傲！》設計系列課程活動：以中國航天中的學科知識、中國航天團隊的艱辛探索、中國航天員的奉獻精神等科學知識、人文知識的學習活動培養學生的人文底蘊、科學精神、責任擔當等素養。以學生結合學科知識的“航天夢”“中國夢”研討活動增強學生民族自豪感，培育學生社會責任；以嫦娥號探月軌跡的分析等科學探究活動逐漸形成的探索自然的內在動力，嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度；以實物成果的設計、3D打印等實踐活動培養學生的實踐創新素養，認識科學、技術、社會、環境關系，理解科學本質。

4" 課程的反思展望

從課程實施成果來看，創客教育視域下3D打印PBL校本課程開發與實施不僅更新了教師的理念、提升了教師理論水平，還扎實地落實了學生的主體地位；不僅激發了學生學習熱情，還確實提升了學生的素養、培養了學生創新能力；不僅校本課程的開發與實踐上取得了初步成效，還激發學校教師課改的熱情、促發了學生學習方式的轉變。

從課程實施中的不足來看，創客教育視域下3D打印PBL校本課程開發與實施不僅需要教師在理念上認同、理論上學習，還需要師生對3D打印技術進行學習、訓練；不僅需要教師在課程開發與實施上下功夫，還需要學校對課程的開發、開設進行大力扶持；不僅需要教師在課程實踐上的經驗積累，還需要加強師資的培養擴大師資隊伍。

綜上所述，創客教育視域下3D打印PBL校本課程的開發與實踐取得了明顯的成效，但也存在明顯的不足，任重道遠，需要繼續在探索中前行。

參考文獻：

［1］ 李永程.高考評價體系視域下高三物理項目式學習的實踐研究：以“力學三大觀點的綜合應用”為例[J].中學理科園地，2021（6）：1-5.

［2］ 陳 剛，石晉陽.創客教育的課程觀[J]. 中國電化教育，2016（11）：11-17.

［3］ 廖伯琴.《普通高中物理課程標準》（2017版）要點解讀[J]. 物理教學，2020（2）：2-5.

［4］ 廖伯琴，李洪俊，李曉巖.高中物理學科核心素養解讀及教學建議[J]. 全球教育展望，2019（9）：77-88.