基于3D打印与智能控制的STEAM课程的探索与实践

赵莹莹+陈求实

【摘 要】变革教育的内容和形式、建设科技创新类课程，培养具有跨学科科技素养和深度思考的创新能力人才，已成为一种科技教育战略。遵循教育的均衡化发展以及教育公平的原则，将学校已有的创客教育与STEAM教育相结合，探索一条中国特色的科技创新教育培养之路。

【关键词】3D打印；智能控制；STEAM课程

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2017）05-0072-04

STEAM教育

1. STEAM教育的目的

STEAM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）和艺术（Art）英文首字母的缩写，是一种跨学科、重实践的教育理念。STEAM 是美国为应对国际人才竞争和经济发展压力，对本国人才培养的反思。而我国在应试教育的背景下，学生解题能力强，发现和提出问题的能力差，创新实践教育严重缺失，势必会影响我国高创新潜质人才的培养。美国文化的重要组成部分——创造力、企业家精神、乐观主义以及资本实力，让美国成为适合培养创新的沃土，吸引着世界各地聪明的学生来到美国，获得绿卡并留下工作。因此，无论是从国家战略出发，还是地方教育特色发展考虑，跨学科综合性的创新教育实践势在必行。

STEAM教育并不是各门课程知识的简单叠加， 而是要将多学科交叉的内容融合形成有机整体，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、深度思考以及自我反思的能力。

2. STEAM课程的特点

（1）接近于真实情境

STEAM课程项目的设计要基于真实的情景，让学生在生活中遇到相似的问题，能够迅速调动认知，能够形成思维缜密清晰的工程思维，迅速找到问题的突破口，解决问题。例如，我校STEAM校本课程手电筒的设计与制作，引入了投资的概念。教师根据学生设计图纸的好坏决定为其投资的钱数，相应的钱数可以购买相应的物品用于手电筒的制作，最后学生需要制作自己手电筒的营销海报，以高于自己成本的价钱卖给其他人。

（2）挑战性

学生学习的出发点为一个挑战性的任务，挑战设置不宜过难，也不宜过于简单和单一，任务需要多人合作才能完成。每位学生充当不同的角色，分担不同的任务。逐步建立学生的工程思维，教师推出某一个“工程”，引导学生确定“工程”在限定的时间内一定要达到某个“目标”，随后拿出相应的规划，充分利用人力、财力，在规定时间中，按照预先的计划，做出相应的成果，达到最终的目的。

（3）跨学科性

学生为了完成挑战，需要调动各方面的知识，并且在不斷尝试以及互相学习中总结经验。STEAM课程中不会明确具体的知识点，教师可以为学生提供必要的脚手架，学生为了完成挑战，自发并且选择性进行学习。因此，承载STEAM课程的教室必须是开放、自由、和谐的环境，学生学到的不止于教师提供的脚手架，还可以是更广阔的互联网世界。

（4）强调学生的自我生成

挑战任务由学生自主设计并完成，教师发挥引导的作用，这种引导主要表现在引导学生按照工程思维分析问题、解决问题，让学生具备时间意识、成本意识、设计意识、分享意识，以及创新意识。教师不能局限学生的思维，适时给予合理的建议，即使挑战失败，也是学习的过程，过程无对错，在学习中的反思是挑战失败的成果。

3. STEAM教育与创客教育的区别和联系

目前，很多学校都建设了自己的创客空间，引入了机器人项目，以及智能控制、3D打印、数控机床等设备。无论是创客教育还是STEAM教育，都强调学生的自我生成，强调学生的自我规划和管理，强调动手实践。因此，清晰地区分创客教育和STEAM教育，并能够将两者有效整合，对培养学生科技创新能力显得尤为重要。

3D打印与智能控制相结合的课程的特点

基于3D打印技术快速成型特点，能够为创客文化的实践环节做出杰出贡献。3D打印是蕴含“设计思维”的个性化创造工具，以3Done社区为代表的虚实结合的教育应用服务创新平台，能够促进学生基于创造性的学习。

智能控制是多学科交叉的学科，它的发展得益于人工智能、认知科学、模糊集理论和生物控制论等许多学科的发展，同时也促进了相关学科的发展。

用于基础教育的智能控制多为机器人公司开发的相应传感器的套件，例如，DFrobot。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。正是由于其开源的特点，各种厂商分别基于它的主板进行改造创新，从插针式的电路连接变为更适合基础教育的类似于电话线连接的RJ接口、MH1.25接插件或FPC接口进行连接。这样的接线方式有两个优点：一是有利于学生迅速将创意变成现实，不必纠结于繁冗的电路连接。二是有利于产品原型的设计拓展，不再把智能控制的传感器模块和输出功能局限于主板上或小范围内，更有利于与3D打印相结合，创造出有新意的产品。程序设计也从基于C语言的IDE的运行环境过渡为更适合基础教育创新的图形化编程界面，有利于学生快速理解程序设计思维，快速上手制作自己的产品。

Makeblock 产品主要是将智能控制与机械设计结合发挥学生的创意设计制作出相应的机械产品。DFrobot产品主要侧重于电子控制，在试用的众多智能控制产品中，Microduino 是尺寸最小的智能电子积木，只有一元硬币大小，能够封装在学生利用3D打印机制作的产品外壳内，非常有利于学生充分发挥创意制作出功能合理、外观具有设计感的产品。

3D打印与智能控制相结合的课程，主要是利用3D打印外壳，加入智能控制元素突破了纯3D打印课程单调的局限性。例如，以智能家居设计的主题活动，学生以团队的形式，开展中式家居设计，对室内温度、湿度、光线、声音检测来实现家庭电器的智能控制。在新年即将到来的时候，以“新年公仔的设计”为主题的活动，学生用3D打印公仔外壳，利用温度和触摸传感器控制蜂鸣器的音调，制作交互式公仔音响。生活在信息社会的学生应尽早理解信息技术带给我们生活便利的原理，在体验创造中实现对自我的了解，从而发挥对职业选择的导向作用。

基于3D打印与智能控制的STEAM课程设计的思路和课例

创客教育与STEAM教育的交叉融合，最重要的是取长补短，互相融合渗透，最终的目的是使学生具有科技创新的意识，培养学生的核心素养。

1. 工具界面友好，易上手

无论是3D打印建模，还是智能控制的编程都是作为辅助工具，帮助学生思考生活中的问题，把抽象的思维物化为生活中现实的物品。因此，工具的使用应该比较容易上手，并且营造出全民创客的生态文化，让学生的创造力可以在任何地点、任何场景发生，不局限在单一的STEAM课堂。3Done作为三维建模工具软件，以友好的界面吸引了很多中学生的关注。3D打印网络社区为学生提供了交流的平台，学生可以上传自己的作品到社区，浏览并下载别人的作品，也可以与其他的创客进行交流互动，真正实现了3D建模软件的工具化、生活化。智能控制硬件的选择在连接方式上，建议选择比较容易拓展的，有利于产品原型的设计，最好使用图形化的编程环境，中小学生比较容易上手，能够尽快将自己的创意变为现实。

2. 课程设计情景化，让学生处在创造的氛围中

在基于3D打印与智能控制的STEAM课程设计中，基于项目的情景化学习是关键，学习使用工具是一个过程。在建模软件或者编程软件学习的过程中，要弱化软件的操作使用，不能把课程设计为软件培训课，更不是一门编程课。在情景化的挑战中，以团队的形式完成挑战的基于项目的学习方式，以学生的自主探索为主，因此微课的录制和使用非常关键。教师可以录制相关系列的微课作为辅助材料，学生在完成任务的同时，在微课中逐步学会相关工具的使用方法，最终形成工程化思维方式，养成喜欢探索，乐于实践的习惯，让学生学会学习。

3. 科學精神、思维培养是重点

教师像一名导演，真正的演员是班里的每一位学生，因此课堂的内容、节奏、细节、营造的科技创新的氛围是每一位STEAM教师应该切实把握的重点。在STEAM课程中学生能够深入思考，体会创造的乐趣，认识到理工科学的重要性，进而爱上科学。培养学生活跃的创新思考能力，却不乏理性的工程化思维，是基于3D打印与智能控制的STEAM课程设计的重点。

笔者曾经尝试利用STEAM的理念，开展三维创意设计课程。以我国四大发明的活字印刷为背景，在继承传统文化的基础上，引导学生以工程化思维进行拓展和创新。

以上课例，在教师提出工程挑战之后，学生按照工程设计思维方法进行设计和制作。在此过程中，涉及历史、工程配合、数学原理、美学知识，甚至榫卯结构等知识，最终成果各异。学生在尝试错误之后，增长经验，引发深度思考。

学生部分作品

以上课例设置比较简单，适合于信息技术课程或校本课程，对学生的能力没有过多要求。如果针对具有浓厚兴趣且工程思维、创新思维能力比较突出的学生，可以设置两年的进阶课程，作为社团课持续培养。教师还可以开展基于项目的以生物医疗、航天探索、智能生活、历史探秘为主题的社团活动。

无论是3D打印还是智能控制，都是学生发挥创意，动手实践的工具。在工匠精神的引领下，3D打印技术能够将创意精准地变为现实，在智能控制的理念下，更能激发学生的创新思维，在信息化、智能化的社会大有可为。

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（作者单位：北京市第五中学分校）