基于STEAM教育理念的3D打印+Arduino课程设计探索和实践

王晓东

【摘 要】近年来，STEAM教育理念及其课程资源得到了国内教育界的普遍关注，在校内外教育培训机构的助推下，掀起了一股STEAM研究和应用热潮。本文基于STEAM教育理念（价值取向）分析探讨了如何利用3D打印+Arduino这一信息技术教育载体，培养青少年的创新意识、实践能力和团队协作精神。

【关键词】STEAM；教育理念；3D打印；Arduino

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【文章编号】2095-3089（2018）31-0058-01

一、研究背景

2017年12月，宁夏科技馆被国家教育部授予第一批全国中小学生研学实践教育基地。在项目资金资助下，支持基地单位在青少年教育活动、课程资源开发、教师培训等方面开展公益性校外青少年科技教育活动。宁夏科技馆根据教育部《中小学综合实践活动课程指导纲要》精神，基于STEAM教育理念开发了3D打印+Arduino青少年科技教育活动（课程）。此项课程主要目的是培养青少年的创新精神、实践能力和跨学科知识技能综合应用能力。

二、STEAM教育理念介绍

1.STEAM的起源和內涵。

STEAM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art），数学（Mathematics）五个英文单词的缩写，是集科学、技术、工程、艺术，数学于一体的新教育理念（如图一）。STEAM是从STEM教育计划演变而来的，是由美国政府主导的一项教育计划，它不是5门学科的简单叠加，而是强调多学科的跨界融合，以培养学生综合应用多种知识解决实际问题的能力为目标，是一种创新型、复合型、实践型人才的培养模式。

2.STEAM的教育目标（价值取向）。

美国政府之所以推出STEAM教育理念，更多的是出于国家战略的考量，在信息时代和知识经济时代的大背景下，抢占科技创新战略制高点，为国家培养跨学科交叉复合型人才。这与我国教育改革倡导的素质教育在理念层面是一致的，为此，2015年9月，教育部发布《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》，提到了未来五年对教育信息化的规划，其中明确提到要“探索STEAM教育、创客教育等新教育模式”。

STEAM教育理念的价值取向是通过其教育目标来实现的。面向新时代，国际间的科技竞争其实是科技人才的竞争，青年兴则国家兴，青年强则国家强。我们研究STEAM教育理念的目的在于吃透其精神实质，走“中国化”的素质教育道路，培养具有社会主义核心价值观，富有创新精神，关心社会经济发展，善于应用多学科知识理论，发现、分析、解决现实和未来科技发展的新一代创新人才。

（1）创新精神。创新是知识经济时代的一个显著标志，是一个民族进步的灵魂，国家兴旺发达的不竭动力。STEAM教育理念及其课程体系的可贵之处在于通过精心设计的教学环境和课程资源，引导学生通过跨学科知识的迁移，对生产、生活中的现实问题，以工程和技术的思维，提出新的解决思路和方法，这是创新人才最基本的核心素养。

（2）科学精神。现代科学与技术正在酝酿着新的突破，必将引发人类未来的生产方式、生活方式和社会结构发生重大变革。正因为如此，科学（Science）位于STEAM教育理念之“首要位置”，足见人们对其重视程度。STEAM教育理念不仅关注科学知识本身，更关注学习参与者探索精神、实证精神和批判精神的培养。

（3）人文精神。人文精神的核心就是“以人为本”，关心个体成长与社会发展、自然环保、公平正义的和谐统一。STEAM教育理念注重科学精神与人文精神的和谐统一，追求每一个教育参与者的个性、天赋、才能都能得到均衡全面发展，因为STEAM教育理念本身是开放和包容的。

（4）团队精神。团队精神是大局意识、协作精神和服务精神的集中体现，核心是团队合作，协同创新。基于STEAM教育理念的课程一般采用小班分组授课模式，在教师引导下，启发团队完成项目、课题或任务的过程中，高度关注小组成员之间的沟通、协作和互动，从小培养青少年的合作意识和奉献精神。

三、3D打印技术有助于培养学生的设计、创意和艺术素养

1.3D打印技术介绍。

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。该技术被广泛应用在军事、建筑、医学、设计、制造等多个领域。3D打印被誉为“第三次工业革命的重要生产工具”，《中国制造2025》和德国“工业4.0”中，也都把3D打印作为重要的支柱技术之一。

2.3D打印技术对培养学生综合素养的意义。

英国著名教师戴夫怀特曾经说过：如果你能抓住学生的想象力，你就能抓住他们的注意力。3D打印及其技术可以让枯燥的课程变得生动起来，它是一种同时拥有视觉和触觉的学习方式，具有很强的诱惑力，它是实现学生创新、创造、创意和想象的重要载体。学生应用三维建模软件设计打印作品的过程，这是“创意物化”的过程，是其设计能力、创意能力、空间想象力、美学、立体几何和信息技术综合应用的结果，有助于学生综合素养的养成。

四、Arduino开发平台有助于培养学生电子和信息技术素养

1.Arduino硬件开发平台介绍。

Arduino是一款便捷灵活、简单易上手的开源电子开发平台，包含硬件（Arduino开发板）和软件（Arduino开发环境）。自问世以来，得到了国内电子发烧友、创客和STEAM教育机构的大力推崇。由于Arduino具有开源、跨平台、易上手的特点，越来越多的专业硬件开发者已经或开始使用Arduino来开发他们的项目或产品。

2.Arduino开发平台对培养学生综合素养的意义。

利用Arduino开发平台，指导学生进行项目开发，不仅可以培养学生的编程能力，还可以培养学生的电路设计能力、连接能力以及电子产品（模型）的制作能力。利用Arduino平台的强大功能，引导学生创造出各种各样具有实际应用价值的新产品，为青少年提供了发挥想象力和创造力的实验和开发平台。学生利用该平台完成各种具体任务的过程，其实就是锻炼培养其发现问题、研究问题、解决问题的过程，进而有助于学生创新能力的培养。

五、3D打印+Arduino青少年科技教育活动（课程）介绍

在长期的青少年科技教育实践中，我们不仅关注STEAM教育与中国素质教育的自然融合，更關注如何设计并实施基于STEAM教育理念具有中国特色的青少年科技教育课程资源。下面，以STEAM课程《关爱生命 健康家居——家用生活环境监测机器人》为例，与大家一起探讨分析。

1.课程开发背景。

近年来，国家对环境保护的力度不断加大，环保问题已是全民、全社会、全人类共同面临的永恒课题。作为专业从事青少年科普教育的机构，要积极引导青少年关注我们生存的大环境（全球气候、中国环保现状、宁夏当地环保现状）和小环境（家庭、办公室、教室、大型公共场所空气质量）的现状和发展态势及其相互关系，利用现代科学技术手段观测测量重要环境技术参数（如温度、湿度、光照、粉尘含量、氧气含量、甲醛含量等），进而培养青少年保护环境，从小树立人与自然和谐相处，节约资源，低碳环保的生活方式和价值观。

2.家用生活环境监测机器人的基本功能。

当前，人类社会正在从信息时代向人工智能时代过渡，各种智能家居和人工智能产品正在走入人们生活的方方面面，正在改变着我们的生产、生活和沟通方式。启发学生自主设计一款智能家用生活环境监测机器人，该机器人具备人机语音交互、短信交互、指令交互等多种交互方式，可自动监测收集家庭生活环境的主要参数（如温度、湿度）等，并提醒家庭成员及时改善室内空气质量，倡导健康环保的生活方式。

3.STEAM教育理念在本课程中的体现。

STEAM教育理念提倡多学科融合，在具体的探究性实践活动（任务）中，培养学生的多学科知识、技能的综合应用，进而培养青少年的创新意识和实践动手能力。本活动方案（课程）以信息技术、电路和机械为主，但也涉及其他学科，如大气、环保和数学等学科。STEAM教育理念在本课程中的具体体现如下：

六、结语

一个成功的STEAM教育方案或课程体系，通常需要经过方案策划、课程设计、教学实施、教学评估和教学反馈等5个阶段，本文仅就基于STEAM教育理念的3D打印+Arduino课程设计进行了浅显的理论分析和实践探索，还需结合当前教育改革和素质教育的大背景，与时俱进，不断迭代更新课程资源，探索具有科技馆特色的STEAM教育课程体系。

参考文献

[1]朱幼文.基于科学与工程实践的跨学科探究式学习——科技馆STEM教育相关重要概念的探讨[J].自然科学博物馆研究，2017.2（1）：5.

[2]陈继民.3D One 三维实体设计[J].中国科学技术出版社，2017.1（1）：4.

[3]宋楠.Arduino开发从零开始学[J].清华大学出版社，2014.（1）：3.