基于 STEAM 项目式学习的 3D 打印课程实践研究

池梦茹

【摘要】深化教育教学改革使教学联系实践，努力摆脱长期的重理论轻实践现象，一直是教育工作者研究的热点及难点。STEAM教育就是一種项目式的学科渗透与整合的创新的教学方式。本文针对高中生动手能力及逻辑思维能力较为成熟的优势，通过项目化的学习，以构建“3D校园”这一学生熟悉的场景为切入点来设计适合在高中阶段开展的STEAM课程。

【关键词】3D打印  STEAM教育  高中  项目式学习

【中图分类号】G63 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）05-0177-02

一、注重过程和各学科基本素养提升的课程目标

《3D物联网校园》以国家新课程标准为指导，融合了STEAM学科知识，由3D设计与物联网电子创意两大模块构成，具有跨学科学习、合作学习、项目学习的特点。通过本课程的开设与学习，让学生真正在做中学，不仅掌握3D建模指令及电子创意的相关知识，更重要的是通过在具体的项目案例的完成中充分挖掘学生的潜能，达到培养学生的高阶思维能力的目标，提高学生的创造能力、协作能力、问题解决能力和动手实践能力，从而提升学生各个学科的基本素养。

通过学习3D设计培养学生的空间想象能力，并理解基于数字技术进行三维设计的基本思想与方法。能够使用建模软件及切片软件设计并打印三维模型，体验利用数字技术进行三维设计的过程与基本设计方法的运用。通过Arduino的物联网电子创意的学习，学生能综合利用科学、技术、工程、艺术与数学学科的相关知识，掌握从创意设计到作品形成的创作过程。

二、STEAM项目式学习的课程设计

所谓项目式学习，即学生通过一段时间对真实的、复杂的问题进行探究，并从中获得知识和技能。项目设计时不仅需要关注学生的学习目标，同时也需要考虑项目真实性、持续性、挑战性。一般项目式学习的环节有提出问题、规划方案、解决问题和评价反思几个操作。《3D物联网校园》课程就是按照这样的方式来进行设计。教师提出项目任务，如现阶段传统教室的优缺点，未来智慧教室的发展趋势，组织学生一起讨论交流，启发学生思考项目任务的设想，最终确定项目的目标和任务。随后通过基本任务模板为学生搭建项目式学习的脚手架，选择探究主题，明确探究任务，制定主题探究计划。由学生制订项目工作计划，确定工作步骤和程序，教师在此过程适当提醒帮助。学生实施计划，收集资料，开展主题探究，分析、总结资料，制作作品，最后不同组间进行展示与评价。教师需要预定展示作品的时间，进行成果展示，进行多元化评价。

在让学生进行正式的项目式学习前，学生的能力与往常的习惯可能会降低项目式学习的效率，在高中阶段，学生额外时间做项目又尤为宝贵，因此，教师需要在常态化教学中强化学生项目式学习的能力，让学生熟悉项目式学习的方式更需要学生掌握一些基础知识，在授课过程教师也需要进行传统的讲授，为学生日后更好进行项目式学习做准备。

在常态课程设计上主要分为两大模块，一部分为3D设计，着重于校园的外观、结构及布局;另一部分为Arduino电子创意及物联网模块学习，这是3D物联网校园的核心，为静态的模型校园提供动态智能控制效果。在两个模块的学习中都是按照项目式学习来设计，在课程中提出问题，让学生来设计解决并对自己的作品进行评价和反思。甚至在项目实施中，专门准备了一间空教室，将这个教室的装修设计和智能化改造作为项目交给学生。如此项目变得更加真实和具体。这个教室将按照学生的设计来布置，让学生在真实的实践中获取成就感，激发他们的学习动力。

3D课程分为四大专题：专题一主要讲授3D原理及硬件打印机的使用，为后期进行打印提供经验，同时提高学生的学习兴趣，包括初识3D打印、3D打印机原理及操作学习、3D建模软件Sketchup初识、测试模型的建立，涉及学科有技术与工程。专题二主要帮助学生熟练SKETCHUP软件的基本操作，在操作中渗透STEAM教育，如拼图中的数学原理、排箫中的发声原理，包括课程拼图制作、排箫、印章涉及数学，技术、物理、艺术等学科。专题三主要帮助学生掌握SKETCHUP软件的高级操作，让学生注意建模过程中的一些细节问题。包括课程孔明球、手机支架、六角亭、设计工程与技术学科。专题四通过学生实际调研，提供校园图片，航拍视频，让学生自主实践，为实际挑战项目，涉及工程、技术、数学、艺术等学科，学生能够利用所学设计校园的3D模型。内容包括（1）校园小模型：路灯，展示牌。（2）校园建筑模型（分组）。（3）根据本校的模型结合自己的学习生活，设计学校的功能区域。

Arduino电子创意课程也分为四大专题：专题一主要讲授Arduino原理及使用，为后期实践提供经验，同时提高学生的学习兴趣，内容包括初始Arduino、输入输出控制、LED、按钮，主要涉及技术学科。专题二主要帮助学生熟练软硬件的操作，了解传感器的原理，接线方式及编程控制，课程内容包括面包板使用、线路图的连接、旋钮、按钮、光敏等传感器的使用，主要涉及技术与物理学科。在学生学习一定成果后布置阶段性任务，让学生之间形成团队合作，集思广益，就物联网校园进行头脑风暴，形成作品的初步方案，并就可行性，及后期实施步骤做前期准备。专题三主要帮助学生掌握了解更多的库文件，拓展学生视野，为作品进行拓展。主要内容包括语音识别扩展版、物联网扩展板、特殊传感器的使用（PH传感器，指纹识别传感器）。专题四综合利用学生掌握的技能让学生进行自主实践完成升级版智能教室制作，如制作教室助手、黑板清洁器、噪音检测器等。

三、点线面结合的课程实施方案

项目式学习不同于传统的课堂式教学，不是为了完成知识传递的学习模式，而是学生根据实际问题，了解熟悉掌握运用知识，因此项目式学习有时需要更长的时间，本校以一学年选修课为周期进行项目式学习探究，教师在过程中需要时刻的指导和督促。教师在项目式学习过程中，第一，要做好项目规划：综合考虑学生知识技能背景，设定项目目标并给出驱动问题。第二，提供关键性指导：就学生的调研方法、采访技巧、数据分析、知识解惑进行专题指导等。第三，促进或协助学生做好管理：方案制作过程中给予团队管理、时间管理、专家引进、修正建议等。第四，教师要给予积极反馈：给学生提供展示创造机会并给予反馈、提供评估。

本课程在面上通过学校的STEAM选修课程针对高一学生开设。选修时间为一学年，每周两节课共计60课时。选修课面对全段学生通过大面积的课堂教学和活动，学生进行设计和建模不断锻炼动手能力，学会简单的物品建模和设计以及简单的Arduino电子电路搭建;在线上对社团学生以自主学习和教师的课外指导的方式开展。通过课余时间根据项目要求在创客功能室学习制作。这部分学生是对课程充满兴趣爱好的学生，他们愿意花更多的时间深入学习。针对他们要更多地去引导他们学习传感器使用，开展以智能教室、物联网为主题的项目学习，为“3D校园”画龙点睛;在点上从社团学生以及全校学生中进一步筛选出能力特别突出、有特长的学生参加学校的STEAM挑战赛相关内容，优胜的同学再参加省市安排的3D设计以及创客作品比赛。这部分针对比赛内容，结合课程进行学习探索。真正实现学以致用，为用而学。

四、课程评价与反思

评价体系的建立有利于提高学生完成任务的积极性，通过多元化的评价也利于教师能够反思每次项目式学习任务中的不足点，本着对发展学生创新精神和实践能力有利的原则在整个课程学习和项目制作中，多维度、多方面考核学生。评测条目可以包括学习态度、专注度、参与度、兴趣度、合作力、创造力、实践力、研究力、执行力、领导力。评价的主体可以是评价公开展示的学生作品，如将作品在全校的宣传场所展示，或者学生用视頻面向全校做汇报。评价者可以包括校长、教师、家长、同学等所有看到作品的人;评价的作品不再仅仅是总结性评价的内容，还更加强调学生在项目学习中的过程性表现，如小组讨论的材料、项目半成品以及总结的材料。所以项目的多元评价理念更加明确，评价方式更加公开，甚至权威。

展示工作和作品是项目式课程教学的重要组成部分。 在展示的时候，学生必须解释，为了达到最终结果，他们所经历的思考过程。在这个过程中，学生不仅会表达他们的激情，同时也会向他们的同伴传达重要的知识。在观看和欣赏其他人的项目的时候，学生会创造性地激发对方。评价者和被评价者均可以从中学到很多东西。

反思任务中的不足，每一次设计项目式学习任务对教师来说都是莫大的考验，项目式学习任务很大一部分时间在于失败，学生在失败过程中容易放弃，使得项目没有办法朝着预定目标进行，因此教会学生正确评估自己就显得格外重要，并要突出强调迭代设计过程。在课程的教学中，教师要求学生上交任务完成情况，不是要学生简单地记录流水账，而是要教导学生反思自己发现了什么，做了什么或没做什么，并且提出新的想法，说明他们下一次怎么样才可以做得更好。

教师自己也应该坚持撰写日志或手记，根据学生对自己的自我反思和诚实度来评估学生。

参考文献：

[1]王娟，吴永和. “互联网+”时代STEAM教育应用的反思与创新路径[J]. 远程教育杂志，2016，v.35;No.233（2）：90-97.

[2]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——从基于项目的学习到创新能力的培养[J]. 远程教育杂志，2016，v.34;No.232（1）：28-36.

[3]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，No.136（4）：96-103.

[4]傅骞，王辞晓. 当创客遇上STEAM教育[J]. 现代教育技术，2014，v.24;No.162（10）：37-42.

[5]王萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育，2013，No.446（8）：83-87.