创客教育背景下3D打印与学科教学结合的探索

李静 朱玥

【摘 要】当前，创客教育在中小学被广泛推广，很多学校也已经启动了创客教育相关的项目。但当前大多数学校的创客教育都是以校本课程或社团等相对孤立的形式开展的，尚未建立与具体学科的关联与融合。这样的现状不仅不利于建立创客教育持久的生命力，还不利于将创客教育精神迁移融入到学科学习中。基于此，本文章选取3D打印为切入点，探索如何实现3D打印与学科学习间的双向促进，为后续创客教育与学科融合提供思路。

【关键词】3D打印;创客教育;学科教学;小学数学

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）19-0-02

一、创客教育理念

（一）创客教育的理念

1.创客教育的内涵

在何克抗教授的《创客教育与创新教育》一文中讲述了国内外有关创客教育的内涵。关于创客教育的内涵的表述，在西方具有代表性的时马丁尼和斯塔哲的表述，而在国内具有代表性的是祝智庭教授的表述。两个表述中都以“在创造中学习”和“基于创造的学习”为核心，而祝智庭教授强调我国的创客教育主要培养具有创新意识、创新思维和创新能力的创新人才[1]。

2.培养学生动手能力、实际解决问题的能力

孙江山等学者认为3D打印教学是基于创造的做中学，能够使学生从做中学和学中做，增强其创新精神和实践能力[2]。在基于建构主义理论下，3D打印能够给学生创造一种教育环境，让其自主发现和探索知识，并对知识进行自主建构。王美等学者在其团队研究的“3D打印创意工作室”特色课中，以学科整合的方式，激发了学生的学习兴趣，并且提高了学生的动手能力和实际解决问题的能力[3]。

3.培养创新人才

何克抗教授认为创新思维和创新意识对创新人才的培养起到至关重要的作用，而创新能力是将其思维和意识具体化为实物的能力，这三者对于创新人才缺一不可[1]。3D打印的教学主要秉承了创客教育的教育理念，而创客教育的教育理念是基于体验教育、项目教学法、创新教育、DIY等理念而提出的[4]。这些理论基础都是以学生为中心，在实际问题的解决中，培养学生的创新思维和创新意识。

二、3D打印技术是落实创客教育理念的重要工具

（一）3D打印技术

3D打印技术，学名为“快速形成技术”，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。它主要的原理是通过电脑控制，把“打印材料”一层层叠加起来，形成最终的实物[5]。

（二）国内外相关研究

1.国外

在2012-2013年之间，英国教育部曾以21个学校作为试点开展了3D打印技术与STEM学科融合的试点项目，旨在探索3D打印技术促进教学的创新，通过将3D打印技术作为教育教学的工具或教学的主体内容，促进学科间融合的同时让学生在创造中学习[6]。1993年，美国国防部门资助了一项名为“明尼苏达星战”的非盈利教育项目，该项目旨在通過提供系列课程与丰富的环境，让学生以工程师的身份参与到火箭的设计与建造中，以此促进学生技能的发展，培养学生对科学与数学学习的兴趣[7]。

2.国内

相对于国外来说，国内的3D打印技术起步得比较晚，但我们国家也在积极地开展3D打印技术在教育发面的探索。如教育部颁布的《教育部教育装备研究与发展中心2019年工作要点》中指出应密切关注3D打印等高新技术设备的发展动态，积极探索其在教育教学应用的适宜性、实效性研究。由此，许多学校也开展了与3D打印相关的课程，推动3D打印进一步走进课堂。

在小学数学方面，陕西省榆林高新区的榆林高新第五小学的魏园园老师将3D制品应用到《圆柱的体积》这一课的教学中，让学生亲自动手体验到了圆柱体积转化为长方体体积来计算的这个过程，启发学生深度参与到学习中，帮助学生理解原本通过画图展示起来较为复杂的知识，并通过3D打印技术培养了学生的空间感和3D思维[8]。

3.总结

由国内外相关研究可以发现3D打印技术有助于落实创客教育理念，利用3D打印技术可以将学生的思维通过学生自己的设计来转化为实物，并且在这个过程中学生的动手能力、实践能力也得到了锻炼。3D打印技术与学科结合的意义在于可以化抽象为具象，帮助学生加深对学习内容的理解，激发学生对学科学习的兴趣，锻炼学生的思维，培养学生的创新能力。

三、3D打印与学科教学结合的设计原则与策略

（一）原则与策略

1.原则

（1）综合性

综合性体现在两个方面。一是3D打印与学科教学结合时要统整学生的生活世界与科学世界，关注学生作为“整体的人”的发展;二是3D打印要与多种学科教学有机结合，构建综合性课程。

（2）学生中心原则

学生中心原则是指要以学生为中心，要认识到学生在学科教学中的主体地位，满足学生作为学习主体时产生的需求，同时也要让学生认识到自己作为主体的责权。教师对于学生的指导都必须建立在这个基础之上。

2.策略

（1）教学情境应该根据生活来创设

教师在教学过程中应该根据教学内容创设生动形象的具体场景，从而借助创设的情景将3D打印技术作为一种工具引入教学过程之中。有效的创设情境要从教学内容与生活密切联系的地方入手，利用学科知识在生活中的应用来创设情境，可以让学生利用所学到的学科知识来解决生活中的问题并切身体会到所学知识的重要性。

（2）重视学生的合作学习

3D打印技术与学科教学结合的时候往往处于一个较为复杂的情境中，因此学生在使用3D打印技术的时候经常需要合作以保障任务的完成。学生的合作学习必须建立在选择内容恰当、合作时间充裕、有明确目标的基础上的，并且需要教师适时地进行指导，学生之间也要积极地互相帮助。

（3）基于学生的自主探究进行指导

自主探究教学法是引导学生的自主学习以促使学生进行主动的知识建构的教学模式。在教学中激发学生对学习的兴趣，引导学生积极主动地去探索学习，启发学生独立思考，能够让学生学会发现问题解决问题的策略，促进学生理解基础知识、掌握基本技能、感悟学科思想。

（二）具体案例

《圆柱》系列课程教学以常规教学模式为基础，将数学课与3D课程结合，让学生在学习过圆柱的基础知识能够掌握圆柱的基本特征后学会运用3DOne打印软件，设计制作小木桶的各个组成部分的零件，最后再利用学生自己制作出的小木桶来合作探究圓柱的体积和容积相关的问题。这样让数学学习与真实情景中的问题结合，能够使数学与生活联系地更加紧密，学生也能够通过探究真实问题从而更透彻地理解知识，提高发现问题、探究问题和解决问题的能力，提高思维的创造性。下面以《圆柱》系列课程中的第4课《圆柱的表面积与体积》为例介绍思路。

1.从学生出发，创设真实情境，密切联系生活

课程以“小木桶”为线索将数学课程与3D课程串联起来开展教学活动。这种基于真实物体的探索为学生提供了一个包含待解决问题的真实情境，并且“小木桶”是生活中常见的物品，它让课程探究与实际生活密切联系了起来。

教师引导学生运用零件小组合作拼接木桶，让学生思考有关木桶的最多储水量的问题，并提出“木桶原理”（一只木桶盛水的多少，并不取决于桶壁上最高的那块木块，而恰恰取决于桶壁上最短的那块）与“新木桶原理”（如果把木桶放置在一个斜面上的时候，木桶装水的多少就取决于最长的一块板子的长度）来启发学生思考。

2.引导学生自主探究、合作学习

教师引导学生运用第3课运用3DOne软件设计打印出的“小木桶”的组成部分的零件，并通过自主思考与小组合作相结合的方式探究有零件组拼接而成的“小木桶”的体积和容积。通过“木桶原理”和“新木桶原理”来让学生理解最多储水量与木条之间的相互配合有关，由此培养学生的创造性思维和处理实际问题的能力。

四、结语

本文从创客教育理念与境遇、3D打印技术在国内外的发展现状以及以小学数学为例的教学设计思路三个方面探讨了3D打印技术应用于学科教学中的具体思路。3D打印技术是基于创客教育来应用到小学学科教学之中的，在学科教学中借助3D打印技术能够锻炼学生的实践能力，培养学生的设计思维、空间思维、创新思维以及操作技能，从而培养出能够适应时代发展需要的创新人才。

参考文献

[1]何克抗.论创客教育与创新教育[J].教育研究，2016，37（04）：12-24+40.

[2]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（04）：96-103.

[3]王美，王良辉，刘中晓，陈渊渊.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（08）：120-126.

[4]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（01）：14-21.

[5]童宇阳.3D打印技术在中小学教学中的应用研究[J].现代教育技术，2013，23（12）：16-19.

[6]首新，胡卫平，刘斌.3D打印融入中小学STEM教育项目的设计与教学——从国外融入3D打印的典型STEM教育项目谈起[J].基础教育，2017，14（04）：68-80.

[7]李青，王青.3D打印：一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志，2013，31（04）：29-35.

[8]榆林高新第五小学.新技术引领勤交流启智——高新五小3D技术与数学的深度融合课例在全国数字化交流活动中展示[EB/OL].https：//www.sohu.com/a/271647773_726210.

[9]郑贤.基于STEAM的小学《3D打印》课程设计与教学实践研究[J].中国电化教育，2016（08）：82-86.