基于3D打印的STEAM学习资源包设计开发

何沣燊++高佳平

摘 要 随着桌面级3D打印机的普及，3D打印这项技术也逐步走进学校这个教育领域。STEAM教育打破各学科之间的界限，让多学科教师合作进行综合的教学，全面培养学生的各方面能力，在我国一些中小学通用技术、信息技术课中已经较为成熟地运用STEAM课堂的概念。通过调查研究，深入分析3D打印在我国基础教育中应用及STEAM教育的现状，对国内外现有的STEAM教育产品进行比较和分析，并通过案例及案例实验的分析，探究基于3D打印的STEAM学习资源包的组成及设计开发的要点。

关键词 3D打印；STEAM；学习资源包；信息技术；通用技术

中图分类号：G436 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）14-0031-05

1 3D打印与教育领域

近些年来，随着桌面级3D打印机的普及，3D打印技术也逐步走进学校，走进教育领域。许多研究者越加关注3D打印在教育中起的作用：《2015年地平线报告（基础教育

版）》认为，3D打印技术将在未来2～3年大范围普及[1]；而在新修订的全国高中信息技术课程标准中，“三维设计与创意”作为选修模块之一加入其中。这也印证了3D打印技术已经正式成为教育领域的一分子。

3D打印应用到教育领域的优势

1）化抽象为具体。很多抽象的事物对于缺乏认知与想象的学生而言是难以理解的，而3D打印技术的作用正是将这些事物以可见、可触的方式呈现给学生，帮助学生理解与掌握。

2）培养学生的设计思维与创新能力。学生在学习和使用3D打印技术时，需先对建模物体进行设计；完成初步的设计后，再通过3D建模技术进行设计的实现；在建模的过程中，不断对模型进行修改（同样是设计的过程），經过不断的设计、修改、实现的迭代过程，得到最终的作品。根据戴尔的经验之塔理论，被称之为“设计的经验”，属于学生“做的经验”，这种经验（或称思维模式）为培养学生解决实际问题的能力打下基础，并促进他们创新能力的进一步提高[2]。

3D打印在教学中应用的现状 笔者根据大量观察与了解，认为现在我国中小学里3D技术的应用可以分为三类。

1）3D打印技术学习课程。学会如何建模和使用打印机是3D打印的基础。许多初高中目前都在开设相关兴趣课程供学生学习，并由中学里的计算机教师进行指导。课程的学习以3D建模软件的学习为主，并结合一些辅助建模的软件，如123D系列、Mesh Mixer等，从多个方面教会学生设计、建造模型。

2）以3D打印技术为技术支撑的创客课程。以3D打印技术、Arduino开源硬件、电子技术、编程等理工科技术为基础，将多种技术融合进行创造发明，比如3D打印的机器人、四轴飞行器、智能手环等，以培养学生的动手能力与创造力为主。

3）基于3D打印技术的STEAM课程。引入3D打印技术作为STEAM教育的支撑，使注重实践、注重动手、注重过程的STEAM教育如虎添翼。如杭州市的采荷三小开设的3D 打印社团课，采用多学科融合的主题式教学方式，将课程教学分为“海底总动员”“玩具制作”和“生活小帮手”三个主题。教师通过设置特定的教学情境，引导学生探索问题的解决方法，并让学生自己动手设计，制作3D模型，结合其他软硬件，最终完成一件能够解决问题的作品，培养学生的探究与工程设计能力[3]。

3D打印在教学中存在的问题

1）3D打印技术（建模、打印机等）的学习在教学中的比重过大。技术的应用建立在熟练掌握的基础上，因此，学生要花较多的时间来进行建模软件的学习。这需要占用大量的课时，意味着在一些综合性课程中留给学生进行后期活动的时间非常少，并且将极大地影响教学目标的达成。如何平衡3D打印的教学内容在综合性课程中的比重（如使用简单易懂的建模工具，教师辅助等），是开发这类课程时需慎重考虑的。

2）应用方式的选择。据对3D打印相关企业工作人员访谈和对一些中小学目前3D打印机使用情况的调查发现，大多数中小学将3D打印机用于兴趣课程和创客制作，结合其他科目教学的应用较少，3D打印机成为学校教学工作中可有可无的设备，甚至锁在办公室里闲置（据《很多学校3D打印机在睡大觉 行业培训迫在眉睫》，http：//news.

163.com/15/0611/08/ARQJC5M500014SEH.html）。

3）课程资源设计难度偏大。结合3D打印的跨学科课程往往涉及多方面的知识，教师需要熟悉每个知识点，了解它们的特性，才可以将它们联结起来作为一个完整的课程。在教学中也要针对教学目标，设计跨学科的课程材料，还需考虑到课程中培养学生多方面的能力。

2 基于3D打印的STEAM教育

STEAM教育前身为美国于20世纪80年代提出的STEM教育，是Science（科学）、Technology（技术）、Engi-neering（工程）、Mathematics（数学）多学科融合的教育模式[4-5]。2006年，时任美国总统的布什公布以“通过发展科技与创新促进美国经济发展及提升国家竞争力”为主旨的《美国竞争力计划》（American Competitiveness Initiative，ACI），指出21世纪作为知识经济时代，国家教育目标之一是培养具有STEM素养的人才[6]。随后任美国总统的奥巴马全面推进这种教育模式，美国国内政府、学校、社会团体、专业组织等在各个层面纷纷开展了切实有效的工作。随后在原有的四学科基础上加入Arts（人文）学科，多学科融合得到STEAM教育。

我国的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》在战略主题中明确提出：坚持能力为重；优化知识结构，丰富社会实践，强化能力培养；着力提高学生的学习能力、实践能力、创新能力，教育学生学会知识技能，学会动手动脑，学会生存生活，学会做事做人，促进学生主动适应社会，开创美好未来。STEAM教育打破各学科之间的界限，让多学科教师合作进行整体教学，全面培养学生各方面的能力，在我国一些中小学的通用技术、信息技术课中已经引入STEAM课堂的概念。国内的一些开发厂商也相继推出STEM、STEAM实验套件、科普玩具等产品。endprint

丹麦的乐高集团早在1986年就与麻省理工学院合作，研发机器人和相关课程，随后推出一批涉及科学、技术、数学、设计、社会学等学科的学习工具和学习方案，也是目前市场上较完整的STEAM学习套件。但受限于乐高积木本身的结构、材料的特性，学生利用颗粒方块创作的成品与现实生活中的物品存在很明显的差距。香港的METAS则与主流的STEAM教学方式不同，以电子积木套件为基础，希望通过简单拼装到Scratch编程的应用来培养学生的创新能力。

STEAM的学习产品与3D打印结合，既为STEAM教育中学生创新创作提供了技术支持，提供了更自由的创作方式，又加速了3D打印教育应用服务支持体系的成长，为3D打印的教育应用提供了能充分体现3D打印技术优势和独特性的支持资源[7]。将新的技术与原有的正在发展的创新教育模式结合，为技术找到新的应用方式，为创新教育引进强大的技术工具。

3 基于3D打印的STEAM学习资源包组成

教学资源包的组成 学习资源是为教学的有效开展提供的素材等各种可被利用的条件，通常包括教材、案例、影视、图片、课件等，也包括教师资源、教具、基础设施等（据百度百科）。教学资源包通过一个包（package）的形式，向教师和学习者提供支持教学的各种资源。

如图1所示，一般的教学资源包分为教师用的教材，包括文字的、多媒体的或教师提供的内容、教学活动指南（教师手册）、问题情境、案例研究、资源列表等；学生用学材，包括学生活动指南、学生练习、评估。

STEAM教育产品 国内外教具、玩具、电子厂商已经推出各式各样的STEM＼STEAM实验套件或科普、教育游戏和玩具。如美国的Little bits，提供模块化电子积木系统（表1），各種颜色的电子模块通过防错的磁性吸合方式可以搭建出各种电子模型。通过积木化的方式，降低了动手制作的能力要求，却提高了学生创造发挥的可能性。

Little bits Smart Home kit套件内容如下。

1）BITS MODULES：1*USB Power，1*sound trigger，1*MP3 Player，1*threshold，1*light sensor，1*bright led，1*IR Transmitter，1*number，1*button，1*split，1*temperature sensor，1*servo，1*synth speaker，1*

cloudBit?。

2）ACCESSORIES：1*screwdriver，1*Servo Accesso-ries，1*USB Power Adapter+Cable，6*Shoes，2*mounting boards，1*AC Switch。

又如丹麦的乐高（Lego），作为国际知名的玩具品牌，1980年成立乐高教育，为全世界的教师和学生提供内容丰富、具有挑战性、趣味性和可操作性的学习工具和教学解决方案。乐高与美国麻省理工学院（MIT）合作开发并于2013年发布第三代机器人LEGO MINDSTORMS EV3，其教育版内容包括：EV3 Brick*1，Large Motor*2，Medium Motor*

1，Touch Sensor*2，Color Sensor*1，Ultrasonic Sensor*

1，Rechargeable DC Battery*1，LEGO Bricks 541pcs；EV3

PROGRAMMER APP（iOS/Android），EV3 programming soft-

ware（PC/Mac），Robot Commander App，Building instruc-

tions，User guide（PC/MAC），EV3 Mindstorms Firmware download（PC/MAC），Advanced Users-Developer Kits（PC/MAC）。

近年来国内的一些厂商也开始推出STEAM学习的产品，如添翼模型STEM教育科普玩具，提供整套的学习套件：

1）电子元件，包括驱动马达齿轮箱、7号开关电池盒；

2）作业器材，包括强力双面胶、90 mm光轴、橡胶轴套、M2.5螺栓螺套、LED七彩灯珠、双头杜邦连接线；

3）全套机器人肢体部件拼装指南。

通过对这些已有产品的分析，会发现这些产品可以说都是比较成熟的商品，但如果将它们投入课堂教学，会有一定的缺陷。几乎现有的所有产品都是以“客户能够使用”的原则来设计指南或说明，缺乏教学情境，也没有供教师使用的资源。另外，各自也有一些产品特点导致的限制。例如：乐高的机器人套件，其开发环境非开源，且硬件只能与乐高积木拼接；Little bits本身只是模块组，创造一个作品还需其他很多资源的支持；至于国产的添翼模型STEM教育科普玩具，则更像一个个独立、专属的模型，几乎不能进行开放性的创作。

在创客教育中，一般教学资源包的学材和教材之外，还包括支持学生创作的“创材”。而源自美国创客运动（Maker Movement）的STEAM教育，旨在从小培养学生动手、创新、综合运用科学知识的能力[4]，在设计开发STEAM学习的资源时，除了要包含完整支持学生学习、教师教授的资源外，还要提供丰富全面的创作材料。而且出于成本的考虑，这些创作材料的理想状态应是可替代、复用的材料。而市场上现有的STEAM学习产品，大多是针对某个主题学习设计，采用的部件由开发商设计，不可替代和不可复用（见图2）。

基于3D打印的STEAM学习资源包 STEAM教育的学习方式多为探究式学习，学习的内容也不是固定的知识点，而是拓展到了学生在探究过程中接触到的所有内容。所以没有任何一个STEAM学习资源包能涵盖主题学习中“所有的”知识，一个好的STEAM学习资源包为教师和学生提供的应是完成学习所需的“基础知识”，以及获得更多相关知识的方向和方法（见图3）。endprint

基于3D打印的STEAM教育，其本质还是STEAM教育，3D打印技术是作为工具技术引入的。需要注意的是，一项新技术的引入，在教学时对学生和教师都提出新的要求，包括理解新的技术和应用新的技术。但不应“功高盖主”，对新技术的学习和掌握应该是辅助对原来课程的学习，而不应在课程中占据过多的比例，把原来的STEAM主题变成对3D打印技术的学习。因此，在引入3D打印的STEAM学习资源包中，3D打印技术的学习材料（包括简单的原理、适用的建模软件和演示等）是必不可少的，但需针对原来STEAM教育的主题进行设计。例如：选择既满足主题学习中3D打印建模精度，学生和教师又能很快掌握并灵活应用的3D建模软件；提供丰富的主题相关的3D打印模型文件，供教师和学生从认识、参照开始，逐步掌握主题相关的3D打印建模技巧。

除了3D打印的相关资源的引入，基于3D打印的STEAM学习资源包中的其他成分也应进行优化。在平衡原有资源和3D打印制品的成本、效果之后，一些原有的资源可以被3D打印的制品替代，其他的资源也应和3D打印技术配合，更好地达到STEAM教育的目的。

4 基于3D打印的STEAM学习资源包案例

为了对基于3D打印的STEAM学习资源包的成分进行实验调查，笔者设计并制作“船”主题的3D打印STEAM学习资源包。该主题学习活动流程为：主题引入→观看航海史纪录片→学生探究学习感兴趣的船→从曹冲称象的故事引入排水量和浮力关系的探究实验→引入船模制作→通过3D打印制作船体→设计船模的动力系统→探究学习轮船防锈并应用到船模上。

资源包内容

1）“船”主题的3D打印STEAM学习资源包清单。

①學生学习材料：教学演示视频纪录片《世纪航路》，学生问卷《航海史的梳理》，学生实验报告《浮力与排水量》，防锈措施的探究报告。

②教师教学材料：教学活动指南，资源包清单，可参考《航海与船模》教案，问卷评价表，多媒体课件，包括3D打印建模教程（视频+PPT）、电子部件组装教程（PPT）、探究浮力与排水量关系实验演示视频、主题教学Prezi课件。

③3D打印资源：3D建模软件ProE，3D打印机，ABS打印材料，展示用3D打印船模型Demo，船模型文件（.stl格式）。

④其他创作材料：四通道遥控器*1（接收器、遥控器），5号电池盒*2，马达*2，螺旋桨*2，6 cm铁轴*2，（10齿轮、28冠齿）*4，白色三通*4，塑料框架*1，多孔铁片*2，开关*1，垫片、螺丝、电线若干，各色油漆笔、油性笔等。

⑤工具：螺丝刀（一套），尖嘴钳，250 ml量筒*2，试管*1，带刻度移液管*1。

2）多学科融合的主题各维度学习目标。

S（科学）：掌握轮船的发展，浮力与排水量的关系，3D打印技术的原理和应用，金属防锈的原理，作用力与反作用力，能量转换定律。

T（技术）：3D建模，金属防锈的措施。

E（工程）：3D打印船模组装航行，工程设计的模式，电路的组装，机械传动（齿数与转速）。

A（人文）：世界航海史与中国航海史，船的种类与结构，船体造型设计，船体上色。

M（数学）：掌握立体图形的结构特点、会看三视图，实验数据的记录和处理，模型零件的尺寸与组装比例计算。

资源包在主题STEAM教学中的作用 以“船”为主题的STEAM课程，不单单是为了让学生做个船模，更重要的是多学科知识的贯穿融合。

1）教师教材。

①资源包引入教学情境。船主题的引入时，一句“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海”引起学生对造船远航的积极性。将诗歌与实践结合，是对学生情意态度、审美、文化素养的综合培养。引入3D打印进行船模制作时，将3D打印机与漫画中的超现实工具进行类比，激发学生对3D打印技术的兴趣。

②资源包中提供了完整的教学指南。教学指南对于整个主题教学活动的流程及重要细节都有详细的说明。某些担任单一学科的教师，即使其他相关学科的教学经验比较薄弱，也可以根据教学指南的指导，有序、合理地开展主题教学活动。

除了教学指南，资源包中提供了丰富的多媒体资源，包括《世纪航路》纪录片、3D打印的相关课件、实验演示视频、主题教学的课件等，为主题教学提供了丰富的支撑。形式丰富的多媒体资源不但提高了学生学习兴趣，而且拓展了学生的眼界见识。学生甚至可以在动手制作的过程中将其中的知识应用进去，活学活用，提高了学生的知识应用能力。

资源包中实体3D模型Demo的展示，让学生有了直观的、观察的认识。根据戴尔的经验之塔理论，这是属于直接、具象的经验。教师可以通过展示船模型，向学生讲解其中的一些细节结构知识，给学生留下深刻的、具体的记忆。

③资源包里提供问卷、评估量表，能让教师在活动过程中对学生的活动和实验进行评估（形成性评价），及在主题教学后对学生的学习成果进行评价（总结性评价），以便教师对主题教学的教学过程及结果进行评价和总结。

2）学生学材。

①资源包中提供了学生任务指南，帮助学生了解整个主题课程活动方向，明确了他们在教学中需完成的基本任务。避免新的学习模式的引入对学生学习造成困扰。

②资源包中还包含开放的网络资源指南。学生在课堂学习的基础上，可以继续在网上根据指南的导引，学习船的文化、历史、结构等知识，为探究式学习提供完善的支持。

另外在教学生3D建模这一节中，由于船的构造与其他模型相比较为复杂，建模步骤数较多，学生在学习初期很难记住整个过程。资源包中的教学视频在这一阶段就起到重要的辅助作用，学生可以观看教学视频，对建模过程进行回顾，有利于教学进度的正常推进。

3）3D打印资源。如表1所示，在建模软件的选择上，笔者在比较、分析了大量建模软件后，选择ProE这款建模软件作为资源包中3D建模的主要工具。endprint

在3D模型选择与教程制作上，笔者也针对主题教学进行优化，力求以最少的学习时间，达到更佳的学习效果。

在船的模型的选择上，笔者偏重于选择那些学生熟悉的、比较典型的船造型，如帆船、明轮船、游艇、空气动力船等。

在3D建模教学中，笔者尽量选择那些简单却可以快速成型的特征功能，减少建模步骤数，减小学生的学习难度。

4）其他创作材料。在电子器件的选择上，笔者选了模块化、无装饰外壳、可替代及复用的电子器件。

①模块化。模块化的动力系统、电力系统、遥控系统，减少学生在连接电子部件时遇到的阻力，将更多的精力投入根据不同造型的船模的特点进行的船模动力设计中。

②无装饰。所有电子器件都无装饰外壳，学生需通过3D打印装饰部件或利用其他材料对船模进行美化装饰。在动手的过程中，学生要兼顾船的美观和功能，以此加深对美学和科学的理解。

③可替代及复用。在创作材料中，包含了大量可被3D打印部件替代的结构部件。在主题学习过程中，学生设计的船模是多样的，部件的形式、尺寸均需学生进行设计制作。在迭代设计过程中，可替代和复用的材料大大降低了材料的成本。

5 总结

STEAM教育打破各学科之间的界限，全面培养学生各方面的能力。基于3D打印的STEAM学习资源包，引入创客这一模式，学生在使用该资源包时，需进行个人设计、制造、创新。建立做中学、学中做的模式，提升学生的设计能力、合作能力、问题解决能力和实践创新能力[8-9]。

作为教学资源，在资源的组成上需要结合STEAM教育的特点，为教师的教授和学生的学习提供丰富的支撑资源。融入3D打印技术时，需从教师和学生的实际使用出发，使3D打印技术真正成为有效的教学工具，而非增加教师的工作压力和学生的学习负担。

参考文献

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[3]王美，王良辉，刘中曉，等.基于3D打印技术的特色课程研究：以“3D打印创意工作室”课程为例[J].现代教育技术，2015，25（8）：120-126.

[4]傅骞，王辞晓.当创客遇上STEAM教育[J].现代教育技术，2014，24（10）：97-98.

[5]李雁冰.“科学、技术、工程与数学”教育运动的本质反思与实践问题：对话加拿大英属哥伦比亚大学Nashon教授[J].全球教育展望，2014（11）：3-8.

[6]陈丽翠，邹泽宇，薛柴萌.社会力量推动STEM教育发展：社会组织如何推进STEM教育：美国社会组织推进STEM教育概况[J].中国科技教育，2014（11）：8-13.

[7]孙江山，吴永和，任友群.3D打印教育创新：创客空间、创新实验室和STEAM[J].现代远程教育研究，2015（4）：96-103.

[8]祝智庭，孙妍妍.创客教育：信息技术使能的创新教育实践场[J].中国电化教育，2015（1）：14-21.

[9]钟柏昌，张丽芳.美国STEM教育变革中“变革方程”的作用及其启示[J].中国电化教育，2014（4）：18-24.endprint