STEAM教育理念下小学3D打印教学实践探究

喻蓉蓉

【摘 要】STEAM教育作为一种培养未来综合性人才的教育模式和教学趋势，已经在国际上掀起了一股STEAM教育热潮。3D打印作为一种融合多学科领域的新兴技术手段，為STEAM教育的发展提供了良好的技术平台。通过3D打印技术课程的设置与教学实践活动，将STEAM教育理念根植于教育教学改革之中，以期最大程度上实现各学科交叉融合，培养具有综合科技素养和深度创新能力的人才。

【关键词】3D打印;STEAM;教学实践;学科融合

近年来，国际社会兴起的STEAM教育热潮，受到了广大教育者的广泛关注和支持。2017年2月，教育部颁布《义务教育小学科学课程标准》，明确提出STEM是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，旨在以科学、技术、工程与数学四门科学的有机融合来培养学生的创新意识和创新能力。由此可以看出，我国对跨学科教育教学的重视和认可。

3D打印作为一种新兴技术，在工业设计、建筑、航空航天、医疗等各学科领域发挥了重要作用。随着“桌面级”3D打印机的普及，3D打印技术也逐渐走进教育领域，走进学校。目前，3D打印技术在基础教育领域还处于起步阶段，有关该技术在基础教育领域的深入研究也相对较少。因此，关于如何让其发挥应有的教育价值，仍是值得研究和探讨的问题。

3D打印技术与STEAM教育的共通性

将STEAM教育与素质教育相结合，并应用于小学教学中具有十分重要的意义，但在实际的教学过程中，STEAM教育理论往往找不到切实的执行方案，在具体的实施中缺乏有效的技术支撑平台。3D打印技术凭借自身的特点与STEAM教育在理念上存在诸多共通性，有助于STEAM教育的推广和实践。

1.3D打印技术基本要求与STEAM教育理念相契合

STEAM教育理念改变了传统的教育理念和思维方式，以多学科整合的教学方式，注重过程和实践，以真实问题为导向，强调知识与能力并重，倡导做中学，引导人们探索新型的教学方式[1]。

3D打印作为一个跨学科领域的技术，需要多个学科，如科学、数学、物理、地理、美术，甚至工程等领域的知识支撑。因此，教育者需要有比较高的综合理论素养，还需要灵活掌握3D打印技术的操作技巧，才能带领学生进行融合多学科知识的创意设计，在实际操作中有效解决学生的问题或为其提供有效的问题解决方案。

2.3D打印技术的作用与STEAM教学宗旨相契合

STEAM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，从而培养具有综合科技素养和创新能力的人才[2]。

3D打印技术作为一种教学资源和辅助工具，可以培养学生观察、分析、操作、交流、创造、体验、分享等多方位的能力，帮助学生掌握数字化创造的基本技能，进行创意设计，提升综合素养、实践操作能力以及团队合作意识，培养学生的创新实践能力。

3.3D打印技术的实施过程与STEAM教学策略相契合

STEAM教育通过借助基于设计的学习、基于项目的学习和探究性学习等学习方式，培养学习者解决实际问题的能力[3]。

3D打印技术课程都是基于现实中真实问题的设置，以个人或者小组为单位完成该项任务，以解决实际问题为导向，重视学生设计思维的培养，留给学生开阔的创作空间，激发学生发散性思维，让学生主动融入其中，获得综合能力的提升。

3D打印技术在教学过程中的探索与实践

STEAM教育理念强调多学科融合，鼓励学生以多维度、多视角的方式学习新知，3D打印为STEAM教育的实现提供了可能。本文正是基于多学科融合的STEAM教育理念，并结合我校信息化环境，将3D打印技术引进课堂，作为我校的特色课程，进行了深入研究，以期为学校课程建设提供一定的参考。

1.3D打印课程教学设计与实践

在教学分析的基础上，以STEAM教育理念为指导，充分考虑各学科之间的融合，同时考虑学生基础能力，在横向整合，即跨学科整合模式的同时，注重纵向整合，即学生的认知水平。随着学生年龄的增加，不断增加知识广度和深度，逐步提高学生的综合素养和实践能力。以下通过几个课堂教学设计实例，体现各学科的横向整合和纵向整合。

（1）与语文、数学、信息技术学科的融合

以“3D名片”课堂教学设计为例。3D名片的设计比较简单，适合刚开始接触3D打印的三年级学生，该年龄段的学生虽然已经具备一定的语言能力和思维能力，但较四、五年级的学生还有一定差距。因此，为该年龄段学生设置3D名片教学内容。将姓名打印成3D名片，将学生姓名等基本信息通过立体的形式呈现，是一种培养自我意识的过程，名片设置大小和参数，有助于学生对数学度量单位的理解由抽象转为具体。后期还可以再进行古诗词的3D打印教学，增强学生对文学的兴趣。

（2）与美术、语文、科学、信息技术学科的融合

以“漂亮的灯”教学设计为例。通过对人类利用光源的历史进程的讲解，使学生掌握光学的基本科学知识。通过中国古代灯具的图片资料、外国及现代灯具的欣赏，让学生感受各国的艺术设计风格，从审美的视角出发，使用3D打印笔绘制形状各异的灯，感受灯的功能美与装饰美，进而发展形象思维，培养学生的造型表现能力。该课程可根据学生的年龄，把握各学科的纵向深度，逐步提升学生的综合能力。

（3）与科学、语文、美术、数学、信息技术学科的融合

以“立体的桥”教学设计为例。该课程适合高年级学生的学习，通过对桥梁的种类学习，了解基本的物理力学常识，桥梁的工程设计模式。通过对中国古代著名桥梁和现代桥梁的认识，感受建筑艺术的美。在数学方面，了解桥梁模型和实际桥梁的比例、角度、视图等知识。让学生从审美与实际应用的角度出发，使用3D打印软件绘制桥梁模型，培养学生发散思维和工程设计能力。

通过对古今中外著名桥梁的图片或视频的欣赏，从不同的角度去观察桥梁的立体构造，了解桥梁的种类和基本结构。然后，让学生以小小桥梁设计师的身份，在建模软件中，以小组为单位，设计属于自己项目组独特风格的桥梁。高年级学生各方面思维和知识储备均有所加强，在兼顾桥梁创意想法外，还应考虑桥体的结构和平衡，在小组合作讨论出一个总体方案后，进行分工协作，设计桥体的各个零部件。以小组合作方式完成一个大的项目，有助于培养学生团结合作的意识。3D打印一座“真正”的桥梁，结构件的设计比较复杂，要充分考虑到构件结构和尺寸的匹配问题，每一个连接点都很重要，不能产生任何疏忽，否则会导致桥梁模型的失衡。学生经过不断地尝试与修改，才能筑起一座桥梁。

3D打印技术课程采用项目式的探究型学习方法，基于现实中真实问题，通过创设情境，引出问题，进而引导学生个人或小组展开讨论、合作完成任务。最后，运用3D打印机打印作品，将虚拟的、抽象的三维视图转化为现实中三维真实物体。不仅能加深学生对3D打印技术的认识，同时也能加强学生对自我创造能力的肯定，获得一种成就感。

2.3D打印课程教学实践效果

（1）在拓展学生知识能力方面

在3D打印教学过程中，时刻体现着STEAM的教育思想，由于融合了科学、语文、数学、美术、信息技术等多门科学知识，将所学知识加以结合应用，拓宽了学生的知识体系。另外，通过3D打印技术可以把一些抽象、复杂的知识设计成具体的实物模型，从而呈现出清晰直观的视觉效果，提升了学生空间思维能力和实践操作能力。

（2）在激发学生创造性思维方面

3D打印技术教学是一种项目学习方式，对于项目的实施过程完全持开放的态度，学生针对某个任务可以不拘泥于某种形式，充分地发挥空间想象力和创造力。也就是说，学生在3D建模过程中，可以从不同的角度去构建自己的“自由王国”。因此，可以最大程度上激发学生创造性思维，培养创新型人才。

（3）在营造学习氛围和学习体验方面

3D打印技术本身就是一种新颖的教学资源，蕴藏着极其广阔的知识，学生可以自由地在其中汲取。学生在学习的过程中，不会感觉枯燥无味，时刻能感觉到学习的乐趣。在实际的教学过程中，学生之间、师生之间的互動充足，课堂气氛活跃。学生通过抽象思维、空间思维实现具体物质的呈现，获得轻松而富有成就感的学习体验。

3D打印技术作为一种创新工具，为STEAM教育提供了丰富的教学资源和技术平台，将STEAM教育引入3D打印技术教育过程中，打破传统的教学模式的束缚，将各学科领域知识有机结合为一体。教师不仅可以根据学生能力，自由加载设计不同难度的课程，而且可以给予学生开阔的思维创作空间，培养学生感知能力与空间想象能力。积极开展3D打印教学实践，推动STEAM教育理念的具体实施，有助于培养21世纪具有综合科技素养和创新能力的人才。

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.

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.

傅骞，刘鹏飞. 从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J]. 中国电化教育，2016（4）：71-78.