高中3D打印校本课程设计与教学实践

贾金元+武小龙+张天顺

[摘 要]随着科技的发展和创客时代的到来，3D打印技术开始走进校园。以高中为例，在没有现成教材的情况下，可依据项目式学习理论自主开发高中3D打印校本课程，以实现培养学生的创新精神、创客思维及综合实践能力的目标。

[关键词]创客；STEM；3D打印；校本课程

教育部《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》中提出：“要有效利用信息技术推进‘众创空间建设，探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，使学习者具备较强的信息意识与创新意识。”随着社会对创新型人才的需求不断提高，STEAM教育和创客教育在全球迅速发展起来。

一、相关概念与研究背景

STEM教育的概念起源于美國。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写，最早是为了解决美国科技人才短缺问题而提出的。随着STEM教育的不断发展，艺术（Art）也加入进来，形成了以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[1]。STEAM教育提倡跨学科知识的融合与应用，以此探究世界相互联系的不同侧面，倡导学生能够在“杂乱无章”的情境中提升设计、合作、问题解决和实践创新等能力。

创客教育是创客文化与教育的结合。《中国创客教育蓝皮书》中首次系统定义了“中国特色创客教育”的具体内涵：“创客教育”基于学生学习兴趣，以项目学习和任务学习的方式，强调理论联系实际，将科学、技术、工程、电子、机械、编程、设计、艺术、人文等多种学科充分融合，以解决生活中实际问题作为教学出发点，让学生通过掌握各种最新科技、设备、工具、软件和材料的使用来进行动手造物的训练，并在这个过程中培养学生的自发学习能力、动手能力、探索能力、协作能力、逻辑思维和创造力，让学生从被动接受知识转变为亲手将自己的想法变为现实的创造性学习模式，培养跨学科解决问题的能力。可见创客教育与STEAM教育有很多相似之处，但创客教育更加强调一种教育理念，鼓励学生享受创造与分享快乐。STEAM教育已经成为实践创客教育的一种载体。在我国，很多学校在开始探索和实施创客教育和STEAM教育时，并未严格区分两者的不同，而是自然地将二者融合在一起。

3D打印技术的基础理念是“设计即生产”。3D打印是一种通过分析和定位为物理对象建模，运用粉末状金属或塑料等打印耗材，通过逐层打印叠加构造实体的技术，它可以将使用者的创意迅速转变为实物模型。《中国创客教育蓝皮书》中称3D打印技术为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，必将为众多领域带来深刻影响。学校引入3D打印课程，是希望学生通过深度体验和参与设计制作过程，更好地发展综合能力。

美国已在小学开设了3D打印课程。我国一些中小学尝试了将3D打印技术应用于STEAM课程，并使该项技术与人文艺术融合，成为学校文化的一部分。虽然3D打印课程在国内中小学校还处于尝试和探索阶段，也未形成一定的课程标准，但预计未来的相关课程将逐渐增多，3D打印作为新型的多媒体教学手段也将被广泛应用[2]。

目前已经引入3D打印的学校，其相关课程多以课外兴趣小组、社团等方式开展，指导教师通常由计算机或物理专业的教师兼任，总体上来讲，教学和实践时间不足，师资力量和硬件设施参差不齐，还没有完全发挥3D打印的功能与价值，尤其是设计成熟并适合高中学生的教材与课程还极度缺乏。基于这样的背景，笔者参与开发了高中3D打印校本课程。

二、3D打印校本课程开发的实施方案设计

1.设计原则

开发高中3D打印课程涉及到两个设计软件的应用，即3D One和123D Design，要求以项目式学习理论为指导，围绕核心技能将相关知识整合重构，并将教学目标分为初级目标和高级目标。其中，初级目标是培养学生的相关常识，理解3D打印机原理和构造，能进行基本的自主探究、参与项目并制作产品；高级目标是促进学生高级认知能力的发展，如形成创客思维，学会应用跨学科知识解决问题等。

2.教学设计模型

中小学3D打印教育的校本课程，应以培养学生的创新意识和应用知识的能力为目标，根据不同的教学阶段和教学内容，选择不同的教学方法（见图1）。如介绍3D原理及作品的部分，可以带学生参观实物并讲解。

三、3D打印校本课程开发的设计与实现

3D打印校本课程的教学内容与课时安排可参考表1。现以“汉诺塔的设计”一课为例，对教学设计与教学过程所涉及的各个方面进行说明。

一是确定教学主题。汉诺塔是一种益智玩具。教学时，在演示文稿中由图片导入，通过多媒体设备向学生展示汉诺塔，以及教师已提前打印出来的模型（见图2）。

二是确定教学问题。让学生参考课件中的汉诺塔图片，利用3D打印设计软件，制作汉诺塔模型。提醒学生注意：汉诺塔包括底座和七个外形相似、大小不同的圆环，要求制作出来的模型底座与圆环尺寸配套。

三是确定各级任务完成的标准。列出学生在完成任务过程中可能出现的各种执行水平和评价标准，为学生提示行动方向，同时也便于师生之间、学生之间进行分层评价（见表2）。

四是交流探究。各小组需要讨论、研究，结合实际生活中的汉诺塔模型，共同制定本组的设计与修改方案。各小组也会相互评价作品并提出建议。

五是教师指导。教师对各组汉诺塔的整体设计进行总结和评价，对部分作品进行分析讲解，将师生的产品模型全部上传到资源网站。

六是教学评价。教学评价以表2中汉诺塔任务的各级标准为依据，包括教师对学生的评价以及学生之间的互评。

从教学实践来看，学生对汉诺塔游戏及其所蕴含的数学原理很感兴趣，在实际设计制作中，主要包括三部分：设计底座、设计汉诺塔环、组合。教师可能重点讲解的内容如表3所示。

在学生设计完成的作品中，除了图2所示的形式，还出现了直线型分布的汉诺塔，以及4组塔环和4根塔柱的拓展型汉诺塔，塔环有柱面的，也有弧形面的。作品的主要问题是细节上处理得还不够好，如部分学生的汉诺塔环比例不协调，没有使用倒角或圆角命令对塔环的锐边进行优化等。经过小组讨论和教师的指导，学生基本上都可以完成汉诺塔的设计，对于较快完成任务的学生，教师可进一步指导他们对汉诺塔进行材质渲染，做成彩色。最后教师挑选具有不同设计特点的作品，将3D打印机的填充程度设置为50%，打印出实物并进行展示。

综上所述，高中阶段3D打印课程的开发和应用还处于起步阶段，需要各级管理部门和学校在政策导向、师资培养、课程建设等方面的进一步支持。在具体实施中，要注意学生创客思维的培养和教师角色的转变，更好地落实STEAM教育和创客教育的思想，帮助学生打破学科界限，将艺术的美感与产品创作融合，通过构思、设计、反复改进并打印作品的过程，促进学生设计与实践、科学探究及技术运用等能力的发展。

参考文献

[1]李小涛等.“互联网+”背景下的STEAM教育到创客教育之变迁——从基于项目的学习到创新能力的培养[J].远程教育杂志，2016（1）：28-36.

[2]张晶.用3D 打印手段培养创造性思维的教学设计研究[D].沈阳师范大学硕士学位论文，2016.

（责任编辑 郭向和）