基于STEAM的高中3D打印校本课程设计与教学实践研究

摘 要：随着3D打印技术的普及，越来越多的学校开设3D打印课程，希望通过课程的开展实现学生创造力的培养。文章基于STEAM教育理念，对高中3D打印校本课程进行课程设计，探索通过课程教学培养学生创新思维的方法；针对普通高中进行3D打印校本课程的教学实践并反思，挖掘课程开展的策略与建议。

关键词：STEAM；3D打印校本课程；课程设计；教学实践

作者简介：张成，南京大学附属中学教师。（江苏 南京 210008）

中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2018）25-0033-03

美国新媒体联盟发布的《地平线报告》（The Hori-zon Report）从 2013 年起连续三年提到，3D 打印（3D Printing）将成为教学的主要技术，并指出未来 2～3年内3D打印将走进教学。[1]正如报告所说，近两年国内越来越多的中学引进3D打印技术和设备，探索开展3D打印日常教学，但目前国内设计成熟且适合高中生学习的3D打印课程比较缺乏。本文即在STEAM教育理念的指导下，对高中3D打印校本课程进行课程设计，同时开展教学实践，不断反思，以期提高教学质量。

一、STEAM教育理念

STEAM教育源于发达国家，原型为STEM课程，是为了提高学生对理工科知识的兴趣而建立的。STEM教育通过整合Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Mathematics（数学）领域内容指引教学和学习的途径和方法，它并不是这四门课程知识的简单叠加，而是要将多学科的内容交叉融合形成有机整体，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。随着STEM教育的出现以及教育实践研究的开展，艺术（Arts）课程也被添加到STEM中，形成STEAM教育。STEAM课程是关于科学、技术、工程、艺术和数学的课程，具体来说，STEAM课程不仅仅是提倡学习科学、技术、工程、艺术和数学这五个学科的知识，其倡导的是一种新的教学或学习方式，该课程的特色就是让学习者自己动手完成他们感兴趣的项目或是在生活中完成他们需要解决的问题。[2]

STEAM教育主要是以基于项目和基于问题的学习为主，注重跨学科项目设计，这是一种以建构主义为指导的教学设计模式。STEAM教育以多学科整合的教学方式，注重過程和实践，以真实问题为向导，强调知识与能力并重，倡导“做”中“学”；强调创新思维和能力的培养，注重知识的跨学科迁徙及其与学习者之间的关联。

二、3D打印课程

本文以3DOne打印技术为依托，对高中3D打印校本课程开展课程设计及教学实践研究。该课程基于STEAM教育思想，采用项目学习的形式进行课程设计和教学实践。

3D打印是利用塑料或树脂等可粘连的原料进行层层打印形成物件的增材制造技术，它的工作原理是将3D打印机与计算机连接，通过设计辅助软件进行数字建模，再将数字信息传输给打印机，利用打印机中的丝状、粉状或是液体状的材料以逐层堆叠的方式制作出产品。3D打印课程是以该技术为基础开展的课程，学生可以利用3D建模软件将自己的设计画出来，最后通过打印机打出实物，让创意变成实物，让抽象的概念具体化、形象化。目前，国内3D建模软件有多种，包括3ds Max、Rhino、123D Design、3DOne等，本文选择3DOne设计软件开展教学。

3DOne是一款专为中小学生开发打造的3D设计软件。该软件界面简洁、功能强大、易于上手，尤其是软件整合了常用的实体造型和草图绘制命令，简化了操作界面和工具栏，可以让初次接触3D打印的学生通过简单的“积木拼搭”完成3D设计，大大激发了学生的学习兴趣和热情。

三、3D打印校本课程设计与教学实践

1. 基于STEAM的课程教学基本思想和课程目标。基于STEAM的3D打印课程教学的基本思想包括“做中学”和“项目学习”。美国著名教育家杜威认为，“做中学”即从生活经验中积累知识、从实际活动中进行学习，在情景化的教学场所中，让学生通过亲身体验，在不断地观察、实验、探究、创作中解决真实问题。而项目学习（PBL）是一套系统的教学方法，它是以解决真实、负责的问题为目的，对项目任务进行精心设计、探究、实施的过程。在这个过程中，学生能够进行设想、验证、完善、创造出某种东西，从而培养创新能力和动手操作能力。这两种思想其实是共通的，项目学习即是学生实现做中学的一种教学形式。

基于STEAM的3D打印课程定位为一门综合课程，教学内容不止单一的建模设计步骤，而应将编程、科学、技术、艺术及数学问题有机融合，让学生在实际生活中发现问题，通过项目学习分解问题，利用3D打印技术将解决思路可视化，最终解决问题，培养学生的创新能力，提高学生的核心素养。

2. 课程设计。高中生自我意识进一步增强且求知欲旺盛，逻辑思维能力进一步发展，对生活中遇到的各种问题有自己的想法，希望通过自己的创意解决问题，3D打印课程正是这一过程的媒介。高中3D打印课程依托校本课程展开，以项目为主线，依据生活中发现的问题，分小组开展各自的项目，通过3DOne软件设计自己的作品，最后展示作品，解决问题，完成项目报告。课程由基础知识和多个项目组成，包括桌面书立设计、拎袋护手设计、理线盒设计等，每个项目分三个课时完成。第一课时展示学生生活中遇到的问题，比如高中生课本与资料较多，在桌面上堆放散乱，找起来也比较困难，设计工具收纳整理，分小组开展头脑风暴，完成项目报告草图设计，利用3DOne软件画出设计。教师在讨论阶段提供各方面理论知识支撑，包括物理、数学、科技等，在制作阶段帮助学生解决软件操作疑惑，将软件中各功能讲解融入学生的需求。第二课时完成作品制作并完善，将艺术教育融入其中，对作品的美感加以强调。第三课时打印出作品并展示，完成项目报告。通过一个完整的项目完成过程，让学生真实参与，把学习到的物理、数学等知识用到实际的问题解决中，同时注重作品的美观性。另外，做项目的过程中，学生的团队合作意识也能增强。

3. 教学实践。下文以“拎袋护手”为例，介绍教学实施的过程。

第一课时重在设计，主要由情境导入、小组讨论、设计制作三个部分组成。

（1）情境导入。日常生活中我们经常在超市购物，但每次把购物袋拎回家都会非常头疼，每每手掌都被勒得通红，有没有什么方式能够让拎购物袋不在费劲？请各小组展开讨论，设计个性的拎袋护手。

（2）小组讨论。教师提供相关的理论知识，包括数学空间几何图形的相关知识、圆环的性质、物理压强的相关知识，小组讨论中如果还需要其他知识，可以随时上网查找。在设计的过程中，教师在思路上积极引导，护手的设计首先应该确定形状，要符合人体手掌弯曲，同时应该增大拎袋与手掌的接触面积，才能减少拎袋对手掌产生的压力。

（3）设计制作。在讨论的过程中，引导学生填写项目报告，记录提出的各种需求和问题，然后绘制草图，把想要设计的拎袋护手先画出来，小组成员共同讨论修改。设计快的项目组可以先一步打开3DOne软件开始制作。

第二课时完成作品建模，主要分为3D软件制作和完善两个部分。一是3D软件制作。根据前一节课的设计，利用3DOne软件进行设计制作。教师提供相关软件功能使用的微视频，包括圆环制作、减运算等，学生在遇到操作困难时，可以直接利用微视频学习。根据设计出现的其他问题，教师提供技术支持；二是完善。小组讨论，完善作品的设计，包括边缘的圆角、倒角设计，使作品更美观实用。

第三课时打印作品并展示。因为3D打印比较耗时，课前应将小组作品利用3D打印机打印出来，课上由各小组推荐同学进行展示说明，其他小组提出看法和建议，将建议在项目报告中做好记录。小组对项目作品开展自评，并做记录，结合小组互评记录，对项目完成情况进行反思总结。

4. 教学效果与反思。笔者2017年下半年在普通高中一年级开设了3D打印校本课程，在课程项目学习过程中学生兴趣很高，小组讨论过程非常热烈，大家在团队合作的过程中对已经学习的物理知识和数学空间几何知识做了巩固加深。同时，在设计作品过程中兼顾作品艺术性，通过关联各种知识点，最终完成自己的作品设计，并通过3D打印机将设计转变为现实。与此同时，反思校本课程的开展情况，笔者认为，可以从项目甄选和微课制作等方面加以改进。

基于STEAM理念的高中3D打印校本课程的开展需要以项目教学为依托，同时项目的来源应该取自学生的真实生活。来源于学生生活中的各种项目情境能让他们产生共鸣，发现问题的症结所在。通过项目团队讨论、合作，跨学科知识的梳理，找到解决问题的思路，设计出自己的作品，从而解决生活中的小问题。

基于STEAM理念的3D校本课程具有知识与资源的跨界性，其中学生所需建构的知识往往不只是一个学科，其融合了科学、数学、物理、化学、艺术等多个学科知识，需要学生不断地进行跨界思考，这种情况下需要教师做好充足的知识储备，同时需要选择一种适合学生根据自己需要开展学习的教学手段。微课正是这样一种适合不同学生根据自己计划需求开展学习的教学手段，教师在课前准备好各学科知识的资料或知识点的微课，为学生在做项目的过程中做好知识储备，让不同的学生能够根据自己的需求随时学习相关知识。

综上所述，基于STEAM教育理念开展的3D打印课程，大大激发了学生的学习热情和实践积极性，让学生将自己的创意变成现实。在这一过程中，学生的科学、技术、工程、数学和艺术的综合素养得以提高。3D打印课程教学不仅仅是让学生学习建模，更重要的是利用3D打印技术解决生活中的问题，这就需要教师在课程设计过程中，更多的思考如何通过课堂教学把学生培养成有创造力的设计者。

参考文献：

[1] New Media Consortium.（2013）.Horizon Report：2013？K-12？education edition. Austin，TX：New Media Consortium[EB/OL].http：//www.nmc.org/pd-f/2013 - horizon-report-k12.pdf.（2013-06-20）[2015-11-12].

[2] 鐘柏昌，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.

[3] 李小涛，高海燕，邹佳人，万昆.“互联网+”背景下的STEAM教育到创客教育之变迁[J].远程教育杂志，2016，（1）：28-36.

[4] 余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，（4）：13-22.

[5] 钟丽霞，胡钦太，胡小勇.3D打印技术的教学创新应用研究：案例与趋势[J].基础教育信息化，2016，（6）：41-45.

[6] 杜威.民主主义与教育[M].北京：人民教育出版社，1990.

[7] 巴克教育研究所.项目学习教师指南——21世纪的中学教学法（第2版）[M].北京：教育科学出版社，2008.

责任编辑 黄 晶