基于STEM理念的小学3D打印教学探索

陈燕纯

【摘要】将STEM教育理念融入小学3D打印课堂中能够激发学生学习的兴趣，培养学生的创造性思维，提升学生的设计能力、问题解决能力和团队协作能力。因此，本文先阐述STEM教育理念的内涵，说明小学3D打印课程教学的现状，再分析STEM对小学3D打印教学的意义，最后提出基于STEM理念的小学3D打印教学的活动设计流程，融合科学、技术、数学、工程四个范畴，设计3D打印教学案例活动。

【关键词】3D打印;STEM;学科融合

一、STEM教育理念的内涵

STEM分别代表着科学、技术、工程和数学四门独立的学科领域，但STEM教育并不局限于四个独立学科的学习，它更关注的是四个学科之间的整合，强调学生的实践参与过程，及解决实际问题的能力。其次，我们应该认识到，STEM教育的范畴在不断地延伸。如2013年8月，中国第一届中小学STEAM教育创新论坛在浙江温州中学举办，STEAM中的“A”即艺术（Arts）。因此，STEM教育旨在通过跨学科学习的方式，发展学生的批判性思维、团队协作能力和问题解决能力。

二、3D打印课程教学的现状

3D打印技术火遍全球，它是以数字模型文件为基础，通过逐层喷射可黏合材料制成实物模型的技术。这一技术的创新及应用将颠覆传统制造业，使众多领域发生深远变革。在教育领域，有趣的3D打印课程走进校园，为教学实践带来了创新的思路和方法，成为学校特色课程的一大亮点。目前，很多学校的3D课程教学仅仅停留在对建模软件的使用操作层面，虽然也能产出一些精美的设计作品，但缺乏对学生的真实体验和参与式过程，学生的设计思维、团队协作能力和问题解决能力难以得到提升。

三、STEM对小学3D打印教学的意义

（一）激发学生的探索欲望

3D打印技术帮助学生将创意想法变成现实，极大地吸引着学生的兴趣。融入STEM教育理念的3D打印教学，从真实的问题情境出发，学生在情境中思考问题的解决办法，并尝试运用3D打印设计将想法实物化，激发学生的探索欲望。

（二）提升学生的设计能力和问题解决能力

3D打印教学重视培养学生的设计思维，指导学生设计出创意作品。融入STEM教育理念的3D打印教学，强调跨学科知识的融合与主动建构知识，这要求学生在设计作品的过程中，能够从科学、技术、工程和数学等多个学科去分析问题，并主动建构出解决问题的创意模型，迭代优化3D创意设计作品，从而提升学生的设计能力和问题解决能力。

（三）培养学生的STEM素养

融入STEM教育的3D打印教学，选取生活中的真实情境问题来设计教学内容，关注学生的学习过程性的实践体验。学生在学习中获取得情感体验、跨学科技能和解决问题的能力，比结果更重要。教学过程注重引导学生对科学、技术、工程和数学的知识建构，关注学生的体验经历，培养学生的STEM素养，即科学素养、技术素养、工程素养与数学素养等。

四、小学3D打印教学融入STEM教育理念的活动设计

（一）基于STEM理念的小学3D 打印教学设计流程

笔者将STEM理念应用于小学3D打印教学新模式的探索，通过对课程教学流程再造，优化与调整课堂教学过程。通过课程的学习，引导学生积极思考、乐于实践，形成批判性思维、反思与评价行为，形成责任担当、关怀、分享等品质，培养学生的沟通协作、创新创造和解决问题的能力。基于STEM理念的小学3D打印教学过程如图1所示，教学环节包括：1.创设情境，提出问题;2.分析问题，制定方案;3.三维建模，融合创新;4.分享评价，迭代完善。

（二）《设计登山必备神器》教学案例

笔者以“设计登山必备神器”为例，学生使用3D One软件设计一款登山神器，通过STEM分析探究，从科学、技术、工程和数学等角度考虑作品设计，在设计登山神器的活动中，掌握3D One软件的基本实体、移动、吸附功能等命令工具，同时激发学生的创造性思维，提高学生的设计能力、问题解决能力和团队协作能力。

（1）环节1：创设情境，提出问题

教学的第一个环节是创设情境，提出问题。新课程强调以人为本，回归生活，注重发展的教育理念。在教学中，创设真实的问题情境要注意两点：一是情境要从学生的生活实践出发，基于学生的认知背景;二是要重视学生的情感体验，用情感激发学生的学习欲望。这样才能形成有意义的学习。

登山是大家都熟悉的一项运动，但很多人都不懂得科学登山的方法，以致于在登山中容易受伤。因此，在学习3D One的基本实体、移动和吸附功能等命令工具时，笔者从学生熟悉的登山运动出发，播放“54岁登山膝盖险报废”这一真实的新闻报道，激发学生的同理心，从而主动去探索和发现问题：如何设计一款合适的登山神器，才能够减轻膝盖承受的重力，减少膝盖磨损，让登山无伤。

（2）环节2：分析问题，制定方案

教学的第二个环节是分析问题，制定方案。STEM教育旨在培养学生的跨学科素养，学会综合运用科学、技术、工程和数学等多学科知识去解决问题。而有效的提問可以驱动学生积极主动地参与到学习过程中，分析和探索问题的解决方案。

在本环节中，笔者借助STEM探究单，如图2所示，从科学、技术、工程和数学等多学科的角度，分别提出设计登山神器会遇到哪些问题？比如，从科学的角度提问：登山时，肢体是如何运动的？科学登山有哪些技巧呢？从工程的角度提问：要减少登山杖与地面的冲击力，应该如何改进登山杖的结构呢？由此驱动学生的深度学习。学生通过思考、分析和资料搜索，绘制设计草图，确定问题的解决办法，制订跨学科解决方案。在此过程中，培养学生的创造性思维和STEM素养。

（3）环节3：三维建模，融合创新

教学的第三个环节是三维建模，融合创新。此环节的教学任务是指导学生将制定的方案落地，学生需掌握3D One的基础技术知识，再根据设计方案，进行建模，将想法转化为三维实体。在创新设计的过程中，学生需要考虑到设计的外观、尺寸和结构等问题，在实践中学会对知识的融合创新应用，提升STEM素养。当然，学生可以通过3Done社区的线上资源寻求更多的技术支持，满足产品设计的个性化技术需求。

在《设计登山必备神器》的教学中，首先，通过教师的示范演示，学生学习3D One软件基本实体、实体的移动、实体的缩放以及实体之间的吸附功能。演示实体移动功能，掌握点到点移动和动态移动的操作技巧及使用区别。演示实体的放大缩小功能，掌握均匀缩放（等比缩放）和非均匀缩放（非等比缩放）的使用。演示吸附功能的使用，让学生更明白吸附功能比移动有更加精确的对齐。接着，学生根据绘制的草圖和制定的方案，进行融合创新设计，重点关注登山杖的结构、高度和形状。最后，还能借助3D One线上资源获取更多的技术方法，实现产品的个性化设计。在本环节中，重点培养学生的技术素养、工程素养和数学素养。

（4）环节4：分享评价，迭代完善

教学的第四个环节是分享评价，迭代完善。评价的主要目的是激励学生热爱学习，既关注学生的学习结果，更重视学生学习过程表现出来的情感与态度。因此，在本环节，评价是多元的，体现在教师评价、学生互评和自我评价;评价又是多方位的，体现在STEM素养评价、小组协作默契度、作品难度和学习过程积极性程度等。在此，教师要做两件事情：一是为学生搭建成果展示与经验交流平台。小组协作分工，共同对作品进行展示和分享，主要阐述作品的设计思想、难点问题解决方法、收获和反思。二是通过教师评价，及时反馈学习过程中存在的问题与不足。最后，鼓励学生根据评价反馈，对作品进行迭代完善。同时，将作品分享到3D One共享空间，在全国范围内进行现在的展示交流。

笔者将STEM理念融入小学3D打印教学活动，让学生从真实的问题情境出发，经历了“发现问题、分析问题、制定方案、解决问题和迭代修正”的问题解决过程，激发学生的探索欲望，提升学生的设计能力和问题解决能力，培养学生的STEM素养。

参考文献：

[1]张悦颖.小学STEM教育实践路径与方法[M].上海科技教育出版社，2017.

[2]林旖柔，王朋娇，张帆.STEAM背景下小学3D打印课程教学设计模式构建研究[J].软件，2020，41（2）：288-293.

[3]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（8）：82-86.

[4]李莉.STEM教育视野下培养学生批判性思维的实践研究[J].科学大众（科学教育），2018（3）.

责任编辑  杨  杰