基于STEAM的小学《3D打印》课程设计与教学实践研究

郑 贤

(广东省广州市海珠区实验小学，广东 广州 510245)

基于STEAM的小学《3D打印》课程设计与教学实践研究

郑 贤

(广东省广州市海珠区实验小学，广东 广州 510245)

培养创新人才成为现代教育研究的重中之重，而基于STEAM的课程和教学则是创新人才培养的有效途径。该文基于STEAM教育思想，设计了3D打印课程，该课程既能传授现代科技新知，又能培养学生创新思维能力。最后，在设计基础上开展了针对小学生学习的3D打印课程设计与实践探索，探索了通过3D打印课程培养学生创新思维的方法，对于课程教学的设计具有一定的启发意义。

STEAM；教学创新；3D打印课程；设计；实践

一、引言

21世纪的教育，以培养具有创新精神和创新能力的新型人才，推动社会发展和进步为使命。2015年，李克强总理在政府工作报告中提出“大众创业，万众创新”，更把“创新”提升到了一个前所未有的高度。近年来，为了进一步探索教学创新，一些国家尝试将3D打印技术应用于STEAM课程中，以推动技术对创新教学的发展，使得技术与艺术人文教育和工程教育融合成学校文化的一部分。

虽然3D打印技术适应信息化时代发展的需求，在国内也较为新颖，但是目前设计成熟并适合小学生学习的3D打印课程却是极度缺乏。面对新技术和教育新理念的变革浪潮，在基于STEAM教育思想的教育教学实践中，教育工作者需要不断反思，不断创新教育教学新思想、新经验，提高教学质量[1]。

二、STEAM教育理念

20世纪80年代，STEM课程在美国逐渐发展，其本身是为了提高美国学生对理工科知识的兴趣而建立的课程。STEM教育通过整合Science(科学)、Technology(技术)、Engineering(工程)、Mathematics(数学)领域内容指引教学和学习的途径和方法，它并不是将这四门课程知识的简单叠加，而是要将多学科内容的交叉融合形成有机整体，倡导问题解决驱动的跨学科教育，旨在培养学生的问题解决能力、团队合作能力、设计能力和实践创新能力[2]。STEM教育的出现改变了传统的教育理念和思维方式，引导人们重新探索新型的教学方式。随着课程的改革以及STEM教育实践研究的开展，艺术(Arts)类课程也添加到STEM课程中[3]，形成以STEAM课程为主要特色的STEAM教育，并逐渐在美国、韩国、英国等国家受到关注[4]。

在国内，2015年新媒体联盟《地平线报告》(K12版)，将STEAM列为未来1-2年技术驱动K12教育的重要趋势[5]。傅骞等认为，STEM教育是一种教学策略，通过借助基于设计的学习、基于项目的学习和探究性学习等学习方式，培养学习者解决实际问题的能力[6]。任友群等人提出，STEAM教育是以项目学习、问题学习为主的学习方式，它在STEM教育基础上进行了延伸和拓展，形成一种新的教育模式，是技术与工程教育和艺术人文教育的融合，旨在推动技术驱动的教学创新[7]。余胜泉等认为，STEAM教育以多学科整合的教学方式，注重过程和实践，以真实问题为向导，强调知识与能力并重，倡导“做”中“学”；强调创新思维和能力的培养，注重知识的跨学科迁徙及其与学习者之间的关联[8]。STEAM教育的这些理念和思想融入到信息技术课程和教学中，有利于通过技术的学习培养学生的创新能力。

三、3D打印课程

作者以中望3Done打印技术为依托，设计了适合小学生学习的3Done打印课程。该课程采用项目学习的形式，以STEAM教育思想为导向，以做中学为策略，并以激发学生学习兴趣、贴近学生生活为出发点，进行课程的设计与实践。

(一)3D打印与3D打印课程(3D Printing)

3D打印也叫“三维打印”，基于所创建的原型样品或者实体模型，运用塑料、树脂、粉末状金属或其他材料，通过逐层打印实现快速成型[9]。3D打印技术为科技的创新提供了一个新的平台，被喻为第三次工业革命的核心技术之一。3D打印课程是以3D打印技术为主的课程，是以“傻瓜型”三维设计软件为基础的课程。为了促进我国中小学的创新教育，结合时下影响意义深远的3D打印技术，国内有关公司，根据8-18岁孩子的教育特点，开发出适用于中小学的3D打印设计软件——3Done，并配套3D打印教学课程资源。通过3D打印实体的触觉过程，建立新型的简易3D建模学习通道，快速搭建起某种类型的简易模型，最终利用3D打印机将设计实体化。

(二)3Done打印软件的特点

趣味性学习是3Done打印软件的核心关键。3Done打印软件界面简洁，功能强大，易于上手，非常符合中小学的开放思维创意操作，让学生能够简单、轻松、快捷地表达创意想法，能让没有任何基础的学生在短短的十分钟通过“搭积木”堆砌、拖拉等操作方式，掌握最基础的3D绘画设计，极大地激发了学生学习3D打印的兴趣与热情。

促进学科融合是3Done打印软件的创新特色。运用3Done打印软件进行创意操作，所涉及的学科学习有信息技术、综合实践、美术、科学、通用技术等，由此也促进了特色课程的产生，如校本教材、创客空间(设计、制作、展示)、特色教室、学习资源的开发等。在3Done打印软件的创意学习中，综合运用多学科知识与技能，学科的融合，更有利于充分调动学生探究能力、创新能力，促进学生创新思维以及逻辑思维的发展。

(三)3Done打印软件的教学模式

3Done打印软件赋予了教学互联网社区的性质，帮助教师设计更加丰富多彩的讲课方案，是“互联网+”对传统教育的最大推动。目前，在3Done创意社区中，学生可以在自己的社区账户中将随手设计的图纸上传，并且展示到个人空间中。教师可以查看学生作品的进展，欣赏学生设计的作品，鼓励学生之间进行评论和点赞，提高师生之间、生生之间的交互。此外3Done所具有简单易用的程序环境，支持专业级的涂鸦式平面草图绘制，可进行丰富实用的3D实体设计，提供多种多样的显示控制，并能通过内嵌于软件的社区网站下载3D打印模型。3Done强大的功能与简单易用的程序环境相结合，使得学生更易上手，创意更容易实现，更有助于对学生创新精神的培养。

四、3D打印课程的教学设计与实践

(一)3D打印课程教学的基本思想

1.做中学

美国著名教育家杜威认为，“做中学”即从生活经验中积累知识、从实际活动中进行学习，在情景化的教学场所中，让学生通过亲身体验，在不断地观察、实验、探究、创作中解决真实问题[10]。3D打印课程思想，也正符合杜威的“教育即经验”“教育生活”“教育即生长”三个核心命题[11]。3D打印课程教学也正是让学生在现实生活中发现问题，在实际操作中完成知识的学习和技能的掌握，从而达成最终的教育目标，培养学生的创新能力。

2.项目学习

项目学习(PBL)是一套系统的教学方法，它是以解决真实、负责的问题为目的，对项目任务进行精心设计、探究、实施的过程，在这个过程中，学生能够进行设想、验证、完善、创造出某种东西，从而培养创新能力和动手操作能力[12]。在3D打印课程的学习中，运用项目学习是指在现实生活中借助丰富的资源进行探究活动，主动完成项目的实施和完善，应用3D打印技术将制作的作品向他人展示，并解决其他一系列相关问题的一种新型探究型学习模式。

3.设计思维

设计思维是以解决方案为导向的思维形式，它不是从某个问题入手，而是从目标或者是要达成的成果着手，探究问题的解决方案，是一种独特的“在行动中进行创意思考”的方式。3D打印学习所倡导的就是设计思维。通过发现生活中的问题，以解决问题作为要达成的成果，独立思考，合作分享，利用3D打印技术进行技术解决，3D打印为问题的解决方案提供了有效的实施措施。

(二)基于STEAM思想的《3D打印》课程教学目标

新媒体联盟《地平线报告》(2015基础教育版)将3D打印列为未来2-3年技术驱动K12教育的重要趋势[13]。在小学阶段，信息技术课程是一门综合学科，教学内容不再局限在作品创作的具体操作步骤，而是将编写程序、科学、技术、各种软环境的分析比较、作品美感和数学问题有机融合到信息技术课程体系当中，这也正符合STEAM注重学生设计能力、批判性思维和问题解决能力的教育理念和思想。3D打印课程教学旨在培养学生的创新能力、提高学生的科学素养。在课程中，不断激发学生的想象力，让学生体验作品从无到有的产生过程，感受创意变成真实事物的设计、开发过程。与传统教育中“以知识传授为主”的课程相比，3D打印课程的教学显得格外生动形象，它让学生通过自己的感觉器官亲自接触具体的事物，“做中学”，使抽象的概念具体化、形象化。由于3D打印将创意变成真实，有助于提高学生的参与能力和动手能力，激发学生的学习积极性，培养学生的创新性和创造力[14]。将3D打印技术嵌入STEAM课程使知识可视化，催生创客式的教学新样态，培养学生的科技素养和数字素养，从而为教育科技创新提供平台，实现平面教育到立体教育的转变[15]。

许多专家试图探索信息技术课程结构的稳定性，希望将其变成一门成熟的学科，但是在信息化社会不断发展的背景下，信息技术又必须保持不断求新、不断求变的方式。这似乎是一个互相矛盾的问题，其实不然，在基础教育领域汇总，教师更多的是教授学生一种科学化、创新化的思维方式，了解运用不同技术手段解决问题的区别和联系[16]。因此，不断变化发展的信息技术课程是一个学科发展的需求，基于STEAM教育思想的3D打印课程的设计也符合信息化社会发展的要求。

(三)3D打印课程的教学设计与实践

1.教学设计思路与实施

《3D打印》课程教学以“我的乐园我做主”为主线，通过让学生运用3Done打印软件，设计游乐园的城堡、海盗船、摩天轮、大风车、旋转椅等等的游乐设施，把3Done打印软件所要掌握的命令工具融合到设计乐园的活动中，给学生提供情景化的学习场所，以真实问题出发，在解决问题的过程中掌握3Done打印知识，从而提高学生问题探究能力、解决问题能力、创新思维能力。下面以3Done打印课程中的第2课《设计3D神笔——基本实体与颜色渲染》为例，介绍3Done教学设计的思路和实施。

(1)创设情境，激发兴趣

课程设计了三位虚拟人物魔法公主(充当教师角色)、龙龙和贝贝(充当学生角色)的卡通造型，并且课程自始至终是从这三位虚拟人物进入3Done世界后的相互对话来展开整个学习活动。丰富的情景，再配上引人入胜的故事情节，使学生的学习就如进入神奇的世界。卡通人物的设计能抓住学生的眼球，凸显出STEAM教育的Art部分，培养学生的审美意识。

如第2课的开篇语，龙龙和贝贝说：“魔法公主，我们有一个梦想，想设计一个乐园。 ”

魔法公主说：“那就用3Done软件设计吧，这如同‘搭建积木’一样形象、快捷。你们看，我这里就有一个3D乐园的模型。”

龙龙和贝贝说：“哗，好漂亮！我们也想学习设计，这样我们就可以‘我的乐园我做主’”。

魔法公主：“好！在学习前，我先‘送’你们一支3D神笔，有了它，你们就可以实现创意设想了。”

“笔”在3Done设计里是由圆柱体和圆锥体组成的，通过设计一支笔，就很自然引出3Done命令工具“基本实体”中的“圆柱体”和“圆锥体”的新知学习。在圆锥体和圆柱体的创建中，学生对于怎样才能创建出有美感的、体积大小合适的物体要进行衡量，这样的过程能够激发学生的工程素养、数学思维和艺术素养。

(2)新知学习，方式多样

3Done课程教学设计的教学理念是以培养学生的创新思维、实践操作能力、问题解决能力、自我学习能力、审美意识和数学思维为目标。所以新知学习的形式多样，有自学教材、微课导学、合作学习等。本课的新知主要是学习：命令工具“基本实体”中的“圆柱体”和“圆锥体”；命令工具“材质渲染”“浮动菜单”中的“移动”。

a.自学教材：绘制、并给笔上颜色、复制笔

绘制3D笔。由于命令工具“基本实体”中的“圆柱体”和“圆锥体”、命令工具“材质渲染”以及复制功能的学习较为容易，所以采取的学习方式是教师引导，学生自学教材。同理，运用绘制笔杆的方法，学生很容易就能绘制出笔尖。随着情境的进一步创设，自然过渡到新知命令工具“材质渲染”的学习。

贝贝说：“魔法公主，这就是3D神笔？从外表看很普通哦。”

魔法公主说：“3D神笔奇妙在此！它看似普通，其实内有乾坤。教你一招：变！变！变！变出一支漂亮的3D神笔。”

这样，学生带着浓厚的兴趣，通过教师点拨和自学课本也掌握了给笔杆上颜色的新知。

情境引入，继续激发孩子的兴趣，学习新知复制功能。

龙龙说：“谢谢魔法公主！这支3D神笔确实很漂亮。我还想要不同颜色的3D神笔去绘制五彩缤纷的3D世界，可以吗？”

魔法公主说：“当然可以。3D神笔奇妙在此！教你一招：变！变！变！变出色彩多样的3D神笔。”

在情境、故事的不断深入下，学生带着极大地兴奋不断探索，从而掌握一个又一个新知。

最后，综合运用所学新知，学生发挥创意，给笔渲染不同的颜色。

b.利用微课学习，给笔带上漂亮的笔帽

新知的学习，教师除了引导学生自学课本外，对于难度较大的新知，还有配套学习资源，如微视频、教学视频等等。

如学习“浮动菜单”中的“移动”命令，给笔带上漂亮的笔帽，因其操作步骤稍多，且涉及到要在多个窗口中进行图形的移动切换，所以通过微视频，以微课的方式引导学生开展学习。

首先以情境学习为引领，导入新知学习：美化3D笔——戴上笔套。

贝贝说：“如此丰富、漂亮的3D神笔，我要好好爱护它，我想给它戴上笔套。”

魔法公主说：“你如此爱护3D神笔，那我就‘送’你可爱的笔套吧。”

直观、明了、生动的微视频，并配上简明扼要的语音与文字解说，且对于如果在学习过程中未能掌握“浮动菜单”中“移动”命令使用的学生来说，还可以重复播放视频再学习，以收到较好的学习效果。

c.巩固学习，形式多种

要运用所学的知识进行创新设计，关键是对新知的熟练掌握与运用。在课程设计中，通过采取多种的学习形式，如看一看、做一做、练一练、试一试、小技巧等，使学生的新知学习得到进一步的巩固，也为学生继续学习和综合运用打下了坚实基础。

d.综合运用，创新设计

充满趣味性、故事性的教学环节，让学生沉浸在3Done打印世界的创作中。学生在学完了新知后，迫不及待地综合运用所学过的知识进行创新设计，并创作了很多新颖的作品。

2.课程实践与效果

笔者在2015学年下学期在所在学校四年级信息技术课堂中实施了具有浓厚的“在玩中学，在学中玩”的3Done打印课程。经过一个学期的实践，取得了不错的效果。

(1)激发了学生极大的兴趣

3Done打印课程《我的乐园我做主》的教材内容是学生喜闻乐见的，操作的软件又如“砌积木”般所见即所得，给学生带来前所未有的全新学习体验。直观、立体、真实的模型，通过3D打印技术马上能一一呈现眼前，极大地激发了学生的兴趣和求学、求知、求真的欲望。

3Done打印软件的学习课程让学生乐此不疲，每节课的下课，就是学生对下节课的热切期待以及对自己所设计模型的交流。“老师，下节课学习什么内容?”“老师，下节课能把这节课设计的模型打印出来吗？”“老师，您觉得我设计的3D神笔怎么样？”“老师，请你看一看我设计的城堡是不是很有特色？”等等。

(2)丰富了学生的想象力

具体形象思维是小学生思维的特点。生活中的物体都是立体的，观察这些几何体，分析其几何形状，并要注意对比和想象。例如设计游乐园的城堡，有各种造型，从三视图的角度观察城堡的组成，再利用3Done打印软件来完成“建模”“运算”，形成所需的模型。学生通常是先根据教材、微视频或者老师的示范操作进行模仿学习，从而掌握新知，在此基础上再进行自由创意。

(3)发挥了学生的创造力

立体模型激发了学生的创造兴趣，学生在建模过程中，从平面到立体的转变，不断地让学生发现物体的神奇变化，通过建模中的放样、圆角等命令让物体发生变化，通过运算让实体进行组合、去除等，在虚拟的立体世界里培养学生动手操作能力，在操作过程中不断发展学生的创造力。

在本课程的教学中，时刻体现着STEAM教育思想。学生通过使用3D打印技术感受新技术的强大，提高技术素养；通过设计游乐园的城堡，观察城堡的三视图，分析其几何体组成，培养学生的科学素养和数学素养；利用3D打印软件完成“建模”和“运算”，形成需要的模型，发展学生的工程素养；卡通人物的创设以及整体场景的布置，体现学生的艺术素养。总之，教学设计中都贯穿STEAM教育思想，强调学生的问题解决能力、批判性思维和设计能力，这也与3Done课程教学设计的教学理念不谋而合。

五、结语

随着新的控制技术、信息技术和材料技术的广泛应用，3D打印技术也逐渐推向更高的层面。本研究将3Done打印引入课堂教学中，充分体现了STEAM教育的思想，激发了学生的想象力，将学生的创意有了变为现实的可能，激发了学生DIY的兴趣，使学习更加生动有趣，将艺术的美感与作品的创作融合在一起，为学生的学习开辟了新的空间，培养学生的实践操作能力，从设计到打印，更是大大激发了学生实践的积极性，提高了学生的学习热情，增强了学生的动手能力、设计能力和思维能力。实践证明：3Done打印设计的课堂有利于学生科学素养、技术素养、工程素养、艺术素养和数学素养的发展。但是3D打印对学生的影响不仅仅在于能让学生学习建模软件，3D打印机和建模只是一个工具软件或者一台机器，想要充分发挥3D打印技术在教育领域中的积极作用，在课程教学的设计方面，我们需要更多地思考如何在课堂教学中把学生培养成为有思想、有创造力的设计者与思考者，让学生拥有一个观察、探索、实践和不断完善的完整过程，为学生开辟一种全新的思维通道。

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责任编辑：宋灵青

Research on “3D Printing” Course Design and Teaching Practice Based on STEAM

Zheng Xian
(Haizhu Shiyan Elementary School, Guangzhou Guangdong 510631)

With the in-depth educational reform, the cultivation of innovative talents plays more and more important role in education.This paper introduces the “3D Printing” course design and teaching practice based on STEAM, aiming at teaching knowledge of modern information technologies and cultivating the innovative thinking of students. On the basis of design, the author carries out 3D printing course teaching to explore the ways to help pupils learn the new technology and creative thinking. The author hopes that this research will provide some inspiration and reference to teachers who devoted to innovation education.

STEAM; Teaching Innovation; 3D Printing Course; Design; Teaching Practice

G434

：A

1006—9860(2016)08—0082—05

郑贤：中小学高级教师，研究方向为小学信息技术教学与教师专业发展(920243163@qq.com)。

2016年5月26日