3D打印技术在STEAM教育中的应用探讨

刘莲花，张　涛，戴艳红

(河北政法职业学院，河北 石家庄 050061)



3D打印技术在STEAM教育中的应用探讨

刘莲花，张涛，戴艳红

(河北政法职业学院，河北 石家庄 050061)

在“中国制造2025”和“大众创业、万众创新”的时代背景下，3D打印技术如沐春风，焕发出勃勃生机。将3D打印技术植入STEAM教育中，从3D打印课程建设、3D打印与创新教育融合、基于3D打印的STEAM教育整合三个层面递进，探索构建“STEAM+3D”的跨学科教育模式，培育学生的工匠精神、提高学生的创新创业能力。

3D打印技术；STEAM 教育

3D打印(3D Printing)，即增材制造技术，是首先在计算机中构建产品的数字三维模型，然后通过软件分层离散技术和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统用车、铣、刨、钻、磨等通用的模具加工方式不同，3D打印技术是将产品的数字模型进行逐层切片，通过对材料处理并逐层叠加，层层累积，直到将整个模型叠加成型，故也称之为数字化增材制造技术。由于使用3D打印技术能够省去模具开发的高昂费用，极大优化研发流程、降低研发成本，使得制造独特性高的产品时间缩短，3D打印技术逐渐成为技术创新的利器，在工业设计、建筑、航空航天、医疗等领域发挥了重要作用。除了上述领域外，3D打印技术在教育领域中的作用也日益凸显。当前，以技术创新驱动教育创新已经成为高等教育人才培养的共识，创新创业教育必将融入人才培养全过程，作为创新型技术代表的3D打印技术也要通过走入课堂发挥其创新和颠覆性作用。2015年2月，工信部出台的《国家增材制造产业发展推进计划》进一步明确了加快3D打印技术在我国创新创业教育中的应用的重要性。

STEAM教育的前身是STEM教育。STEM就是Science(科学)、Technology(技术)、 Egineering(工程)和Maths(数学)的教育。在国家竞争力的比较中，获得STEM学位的人数成为一个重要的指标。后来，美国政府又提出在STEM教育中引入了Arts(艺术)教育，使得技术与工程教育和艺术人文教育融合成为学校文化的一部分，这被称为STEAM教育[1]。STEAM教育不是几个学科领域知识的简单叠加，而是将这些学科整合到一种教学范式中，把零碎知识变成相互联系的统一整体，倡导由问题解决驱动的跨学科理科教育，是一种趋于能力和智慧叠加的多学科融合的教育模式。由此可见，STEAM教育是一种新型的创新教育应用体系，有效实施STEAM教育模式能够培养学习者的问题解决能力、创造力、批判性思维等素质，提高一个国家的综合竞争实力。

一、3D打印技术与STEAM教育的融合

践行STEAM 教育需实现多个学科的融合，这就需要多维度的顶层设计、创新教育模式和教育理念，3D打印技术为STEAM教育的实现提供了可能。(一)3D打印技术为STEAM教育提供了丰富的课程教学资源

STEAM教育的资源库建设应秉承开放共享的教学理念，将 3D 设计、物联网创新、机器人、通用技术等资源架构到统一的开放教育应用平台，形成良好的共建共享机制。有研究显示，3D打印技术作为一种课程教学资源，能够培养学生问题解决、协作、沟通和批判性思维的能力，对学生的参与和学习有积极的影响。

(二)3D打印技术为STEAM教育搭建了技术平台

STEAM教育融合多个学科，这就需要依靠增强现实技术等信息技术为其搭建一个跨学科的虚实结合的教学平台。3D打印技术能够为学生创设虚实一体、虚实融合的教学情境，实现教学、设计、技术、媒体和商业的融合，成为STEAM教育实现的必不可少的技术基础。

(三)3D打印技术为STEAM教育的融合提供了强大的创新理念

STEAM 教育与创新教育融合，才能全面推动学生创新能力、高阶思维能力的培养，弥补STEAM教育中工程教育的不足。基于3D打印技术的“创客空间”建设，基于真实的工程问题解决，能够有效改变学生在 STEAM 中习得的内容和学习的方式，成为推动STEAM教育模式改革的切入点和突破口[2]。

综上所述，STEAM教育强调学生的设计能力、批判性思维和解决问题的能力，将3D打印技术嵌入STEAM 教育能够使知识可视化，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，推动智慧教育的发展，实现平面教育到立体教育的转变。

二、“STEAM+3D”教育模式的实施

STEAM教育的实施是一个渐进的过程，将3D打印技术植入STEAM教育中，构建“STEAM+3D”教育模式可以尝试从以下三个层面递进。

(一)促进3D打印技术课程建设

这是“STEAM+3D”模式实施的基础层面，也就是首先要将3D打印技术成功引入课堂，创新教育模式。通过在相关专业开设3D打印课程，提升学生对3D打印的认识，帮助学生营造真实的问题情境，完成模型制造，提高学生的学习动机，促进学生高阶思维能力的发展和创新；3D打印技术还可作为教学辅助工具，弥补传统模拟教学设备的不足，打造虚实结合的教育创新应用平台，培养学生的视觉空间能力；利用3D打印的模型创建的创新性特点也可以用于培养学生自主创新、探索能力；在一些和3D打印技术联系紧密的专业，例如三维动画设计专业、艺术设计专业等，可将学生的设计直接打印成精细模型，可直接应用于结构装配、外形验证，作为设计效果评价工具，改革教学评价模式。通过开设3D打印课程，在教育领域推广并应用3D打印技术，颠覆传统的教育思维，用3D技术推动创新型的三维教育模式的实施[3]。

(二)将3D打印技术与创新教育融合

“STEAM+3D”教育模式实施的第二层面是创设良好的实践基础。创新教育与STEAM密不可分，创新教育是实施 STEM教育的一种重要方式。3D打印技术可以将学生的创意快速转化为实际产品，因此利用3D打印技术建设创客空间能够为STEAM教育实施提供坚实的实践基础[4]。具体实施中，可将学习3D打印技术的学生、教师组织起来建设技术社团或协会，在创客空间中打造技术创新和学习交流的氛围，并以点带面逐步建立创新创业工作室，形成创新创业团队。创新创业工作室可向社会，比如中小学开展多层次的技术服务、教育服务，使创新能力与服务能力相辅相成，共同提高。同时，与一些3D打印企业、职业教育集团公司进行校企合作，拓展创客实践活动的领域，为多学科的融合奠定基础。

(三)基于3D打印技术的STEAM教育整合

拥有了良好的课程教学和实践基础，就可以进行STEAM教育的整合。

1. 做好学科专业整合规划

STEAM教育目的在于帮助学生突破单一学科的知识体系的束缚，锻炼学生的跨学科思维和实践能力。具体实施时，可与企业或职业教育集团进行合作，整合校内专业资源，开发适合本学校发展的“STEAM+3D”教育模式，也就是通过情境设计，借助3D打印技术打破学科界限，通过集体智慧，解决一系列实际问题，提高学生的创造力、批判性思维能力。笔者所在的学校是一所综合性院校，通过对专业进行整合，我们规划了“STEAM+3D”的学科整合模式，如图1所示。

图1 “STEAM+3D”跨学科整合教学模式图

2.创建课程教学模式

基于3D 打印的STEAM 课程教学模式，应遵循“问题提出—分析问题—设计模型—打印模型—模型验证并修改—最终产品”的项目教学过程。首先提出一个有待解决的问题，比如让学生根据图1所示进行城市规划设计，学生就要综合运用各学科知识进行问题的分析，设计一个解决问题的模型方案，然后通过3D打印技术将模型实现，再将模型应用于实际工作环境进行模型的测试和验证，从而发现模型的缺陷，针对发现的缺陷或问题，学生继续进行问题解决和再次模型设计，并且打印出来继续测试验证，如此循环，直至问题或项目的最终解决，得到一个满意的项目产品。可以看出，引入 3D 打印技术后的STEAM教学流程，整个课程变成一个项目，学生必须在每一个环节都开动脑筋、查找资料、相互讨论，模型打印并验证，构成一个几乎完全主动的学习环境。

3. 加强基于3D 打印技术的开放式教学资源建设

教学资源建设是实现教育系统变革的基础，是教学过程中的重要载体。STEAM 教育创新应用需要重点建设学科资源库、开放课程库和管理信息库，其中3D打印技术的应用主要体现在开放课程库的建设上，可将3D打印技术和工程设计整合到科学、数学、人文艺术的核心理论知识实践体验中，在相关的学习情境里，培养问题解决、协作、沟通和批判性思维的基本技能。例如，3D打印制造商3D系统公司开发了一种STEAMtrax课程，就是一个可通过主题式故事情境设计，借助3D打印技术增强的科学实验工具包，它能为学习者提供自主探究和动手实验的学习机会，建构核心科学理论知识和应用技能。

三、结束语

将3D打印技术引入到STEAM 教育中，具有创新性与跨学科性特点，必将颠覆传统教学模式，使得创意设计能够落地，从而提高学生创新创业的能力，提高学生的协作能力和核心竞争力，最终促进学生的高质量创业、就业。

[1] 王娟，吴永和.“互联网+”时代STEAM教育应用的反思与创新路径[J].远程教育杂志，2016，(2)：90-97.

[2] 傅搴,王辞晓．当创客遇上STEAM教育[J].现代教育技术，2014，(10):37-42.

[3] 黎加厚．三维打印技术的发展对教育的启迪[J]．中国医学教育技术，2013，27(1):1-5 .

[编校：杨琴]

The Application of 3d Printing Technology in STEAM Education

LIU Lianhua,ZHANG Tao,DAI Yanhong

(Hebei Professional College of Political Science and Law，Shijiazhuang Hebei 050061)

Under the background of the "Made in China 2025" and "Popular Entrepreneurship and Innovation",the 3 d printing technologies grow and proper. In this paper,the 3 d printing technology is put into STEAM education. And from the progressive development of such three aspects as the 3 d printing course construction,3 d printing and innovation education integration,STEAM education integration based on 3 d printing,it explores the construction of "STEAM + 3 d" interdisciplinary education mode,cultivates students' spirit,and improves the students' creative ability.

3d Printing Technology；STEAM Education

2016-08-14

刘莲花(1961- )，女，河北涿鹿人，教授，研究方向为经济法、教学管理。

本文为2016年河北省社会科学发展研究课题、民生调研专项课题“3D打印技术在高校创新创业教育中的应用研究”(编号：201601018)阶段性研究成果。

G434

A

1671-9654(2016)03-024-03