3D打印技術(shù)在STEAM教育中的應(yīng)用探討

劉蓮花，張　濤，戴艷紅

(河北政法職業(yè)學(xué)院，河北 石家莊 050061)

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3D打印技術(shù)在STEAM教育中的應(yīng)用探討

劉蓮花，張濤，戴艷紅

(河北政法職業(yè)學(xué)院，河北 石家莊 050061)

在“中國制造2025”和“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的時代背景下，3D打印技術(shù)如沐春風(fēng)，煥發(fā)出勃勃生機。將3D打印技術(shù)植入STEAM教育中，從3D打印課程建設(shè)、3D打印與創(chuàng)新教育融合、基于3D打印的STEAM教育整合三個層面遞進，探索構(gòu)建“STEAM+3D”的跨學(xué)科教育模式，培育學(xué)生的工匠精神、提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

3D打印技術(shù)；STEAM 教育

3D打印(3D Printing)，即增材制造技術(shù)，是首先在計算機中構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字三維模型，然后通過軟件分層離散技術(shù)和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)用車、銑、刨、鉆、磨等通用的模具加工方式不同，3D打印技術(shù)是將產(chǎn)品的數(shù)字模型進行逐層切片，通過對材料處理并逐層疊加，層層累積，直到將整個模型疊加成型，故也稱之為數(shù)字化增材制造技術(shù)。由于使用3D打印技術(shù)能夠省去模具開發(fā)的高昂費用，極大優(yōu)化研發(fā)流程、降低研發(fā)成本，使得制造獨特性高的產(chǎn)品時間縮短，3D打印技術(shù)逐漸成為技術(shù)創(chuàng)新的利器，在工業(yè)設(shè)計、建筑、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。除了上述領(lǐng)域外，3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域中的作用也日益凸顯。當(dāng)前，以技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動教育創(chuàng)新已經(jīng)成為高等教育人才培養(yǎng)的共識，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育必將融入人才培養(yǎng)全過程，作為創(chuàng)新型技術(shù)代表的3D打印技術(shù)也要通過走入課堂發(fā)揮其創(chuàng)新和顛覆性作用。2015年2月，工信部出臺的《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃》進一步明確了加快3D打印技術(shù)在我國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用的重要性。

STEAM教育的前身是STEM教育。STEM就是Science(科學(xué))、Technology(技術(shù))、 Egineering(工程)和Maths(數(shù)學(xué))的教育。在國家競爭力的比較中，獲得STEM學(xué)位的人數(shù)成為一個重要的指標。后來，美國政府又提出在STEM教育中引入了Arts(藝術(shù))教育，使得技術(shù)與工程教育和藝術(shù)人文教育融合成為學(xué)校文化的一部分，這被稱為STEAM教育[1]。STEAM教育不是幾個學(xué)科領(lǐng)域知識的簡單疊加，而是將這些學(xué)科整合到一種教學(xué)范式中，把零碎知識變成相互聯(lián)系的統(tǒng)一整體，倡導(dǎo)由問題解決驅(qū)動的跨學(xué)科理科教育，是一種趨于能力和智慧疊加的多學(xué)科融合的教育模式。由此可見，STEAM教育是一種新型的創(chuàng)新教育應(yīng)用體系，有效實施STEAM教育模式能夠培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的問題解決能力、創(chuàng)造力、批判性思維等素質(zhì)，提高一個國家的綜合競爭實力。

一、3D打印技術(shù)與STEAM教育的融合

踐行STEAM 教育需實現(xiàn)多個學(xué)科的融合，這就需要多維度的頂層設(shè)計、創(chuàng)新教育模式和教育理念，3D打印技術(shù)為STEAM教育的實現(xiàn)提供了可能。(一)3D打印技術(shù)為STEAM教育提供了豐富的課程教學(xué)資源

STEAM教育的資源庫建設(shè)應(yīng)秉承開放共享的教學(xué)理念，將 3D 設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新、機器人、通用技術(shù)等資源架構(gòu)到統(tǒng)一的開放教育應(yīng)用平臺，形成良好的共建共享機制。有研究顯示，3D打印技術(shù)作為一種課程教學(xué)資源，能夠培養(yǎng)學(xué)生問題解決、協(xié)作、溝通和批判性思維的能力，對學(xué)生的參與和學(xué)習(xí)有積極的影響。

(二)3D打印技術(shù)為STEAM教育搭建了技術(shù)平臺

STEAM教育融合多個學(xué)科，這就需要依靠增強現(xiàn)實技術(shù)等信息技術(shù)為其搭建一個跨學(xué)科的虛實結(jié)合的教學(xué)平臺。3D打印技術(shù)能夠為學(xué)生創(chuàng)設(shè)虛實一體、虛實融合的教學(xué)情境，實現(xiàn)教學(xué)、設(shè)計、技術(shù)、媒體和商業(yè)的融合，成為STEAM教育實現(xiàn)的必不可少的技術(shù)基礎(chǔ)。

(三)3D打印技術(shù)為STEAM教育的融合提供了強大的創(chuàng)新理念

STEAM 教育與創(chuàng)新教育融合，才能全面推動學(xué)生創(chuàng)新能力、高階思維能力的培養(yǎng)，彌補STEAM教育中工程教育的不足。基于3D打印技術(shù)的“創(chuàng)客空間”建設(shè)，基于真實的工程問題解決，能夠有效改變學(xué)生在 STEAM 中習(xí)得的內(nèi)容和學(xué)習(xí)的方式，成為推動STEAM教育模式改革的切入點和突破口[2]。

綜上所述，STEAM教育強調(diào)學(xué)生的設(shè)計能力、批判性思維和解決問題的能力，將3D打印技術(shù)嵌入STEAM 教育能夠使知識可視化，催生創(chuàng)客式的教學(xué)新樣態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生的科技素養(yǎng)和數(shù)字素養(yǎng)，從而為教育科技創(chuàng)新提供平臺，推動智慧教育的發(fā)展，實現(xiàn)平面教育到立體教育的轉(zhuǎn)變。

二、“STEAM+3D”教育模式的實施

STEAM教育的實施是一個漸進的過程，將3D打印技術(shù)植入STEAM教育中，構(gòu)建“STEAM+3D”教育模式可以嘗試從以下三個層面遞進。

(一)促進3D打印技術(shù)課程建設(shè)

這是“STEAM+3D”模式實施的基礎(chǔ)層面，也就是首先要將3D打印技術(shù)成功引入課堂，創(chuàng)新教育模式。通過在相關(guān)專業(yè)開設(shè)3D打印課程，提升學(xué)生對3D打印的認識，幫助學(xué)生營造真實的問題情境，完成模型制造，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，促進學(xué)生高階思維能力的發(fā)展和創(chuàng)新；3D打印技術(shù)還可作為教學(xué)輔助工具，彌補傳統(tǒng)模擬教學(xué)設(shè)備的不足，打造虛實結(jié)合的教育創(chuàng)新應(yīng)用平臺，培養(yǎng)學(xué)生的視覺空間能力；利用3D打印的模型創(chuàng)建的創(chuàng)新性特點也可以用于培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新、探索能力；在一些和3D打印技術(shù)聯(lián)系緊密的專業(yè)，例如三維動畫設(shè)計專業(yè)、藝術(shù)設(shè)計專業(yè)等，可將學(xué)生的設(shè)計直接打印成精細模型，可直接應(yīng)用于結(jié)構(gòu)裝配、外形驗證，作為設(shè)計效果評價工具，改革教學(xué)評價模式。通過開設(shè)3D打印課程，在教育領(lǐng)域推廣并應(yīng)用3D打印技術(shù)，顛覆傳統(tǒng)的教育思維，用3D技術(shù)推動創(chuàng)新型的三維教育模式的實施[3]。

(二)將3D打印技術(shù)與創(chuàng)新教育融合

“STEAM+3D”教育模式實施的第二層面是創(chuàng)設(shè)良好的實踐基礎(chǔ)。創(chuàng)新教育與STEAM密不可分，創(chuàng)新教育是實施 STEM教育的一種重要方式。3D打印技術(shù)可以將學(xué)生的創(chuàng)意快速轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品，因此利用3D打印技術(shù)建設(shè)創(chuàng)客空間能夠為STEAM教育實施提供堅實的實踐基礎(chǔ)[4]。具體實施中，可將學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)的學(xué)生、教師組織起來建設(shè)技術(shù)社團或協(xié)會，在創(chuàng)客空間中打造技術(shù)創(chuàng)新和學(xué)習(xí)交流的氛圍，并以點帶面逐步建立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作室，形成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作室可向社會，比如中小學(xué)開展多層次的技術(shù)服務(wù)、教育服務(wù)，使創(chuàng)新能力與服務(wù)能力相輔相成，共同提高。同時，與一些3D打印企業(yè)、職業(yè)教育集團公司進行校企合作，拓展創(chuàng)客實踐活動的領(lǐng)域，為多學(xué)科的融合奠定基礎(chǔ)。

(三)基于3D打印技術(shù)的STEAM教育整合

擁有了良好的課程教學(xué)和實踐基礎(chǔ)，就可以進行STEAM教育的整合。

1. 做好學(xué)科專業(yè)整合規(guī)劃

STEAM教育目的在于幫助學(xué)生突破單一學(xué)科的知識體系的束縛，鍛煉學(xué)生的跨學(xué)科思維和實踐能力。具體實施時，可與企業(yè)或職業(yè)教育集團進行合作，整合校內(nèi)專業(yè)資源，開發(fā)適合本學(xué)校發(fā)展的“STEAM+3D”教育模式，也就是通過情境設(shè)計，借助3D打印技術(shù)打破學(xué)科界限，通過集體智慧，解決一系列實際問題，提高學(xué)生的創(chuàng)造力、批判性思維能力。筆者所在的學(xué)校是一所綜合性院校，通過對專業(yè)進行整合，我們規(guī)劃了“STEAM+3D”的學(xué)科整合模式，如圖1所示。

圖1 “STEAM+3D”跨學(xué)科整合教學(xué)模式圖

2.創(chuàng)建課程教學(xué)模式

基于3D 打印的STEAM 課程教學(xué)模式，應(yīng)遵循“問題提出—分析問題—設(shè)計模型—打印模型—模型驗證并修改—最終產(chǎn)品”的項目教學(xué)過程。首先提出一個有待解決的問題，比如讓學(xué)生根據(jù)圖1所示進行城市規(guī)劃設(shè)計，學(xué)生就要綜合運用各學(xué)科知識進行問題的分析，設(shè)計一個解決問題的模型方案，然后通過3D打印技術(shù)將模型實現(xiàn)，再將模型應(yīng)用于實際工作環(huán)境進行模型的測試和驗證，從而發(fā)現(xiàn)模型的缺陷，針對發(fā)現(xiàn)的缺陷或問題，學(xué)生繼續(xù)進行問題解決和再次模型設(shè)計，并且打印出來繼續(xù)測試驗證，如此循環(huán)，直至問題或項目的最終解決，得到一個滿意的項目產(chǎn)品。可以看出，引入 3D 打印技術(shù)后的STEAM教學(xué)流程，整個課程變成一個項目，學(xué)生必須在每一個環(huán)節(jié)都開動腦筋、查找資料、相互討論，模型打印并驗證，構(gòu)成一個幾乎完全主動的學(xué)習(xí)環(huán)境。

3. 加強基于3D 打印技術(shù)的開放式教學(xué)資源建設(shè)

教學(xué)資源建設(shè)是實現(xiàn)教育系統(tǒng)變革的基礎(chǔ)，是教學(xué)過程中的重要載體。STEAM 教育創(chuàng)新應(yīng)用需要重點建設(shè)學(xué)科資源庫、開放課程庫和管理信息庫，其中3D打印技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在開放課程庫的建設(shè)上，可將3D打印技術(shù)和工程設(shè)計整合到科學(xué)、數(shù)學(xué)、人文藝術(shù)的核心理論知識實踐體驗中，在相關(guān)的學(xué)習(xí)情境里，培養(yǎng)問題解決、協(xié)作、溝通和批判性思維的基本技能。例如，3D打印制造商3D系統(tǒng)公司開發(fā)了一種STEAMtrax課程，就是一個可通過主題式故事情境設(shè)計，借助3D打印技術(shù)增強的科學(xué)實驗工具包，它能為學(xué)習(xí)者提供自主探究和動手實驗的學(xué)習(xí)機會，建構(gòu)核心科學(xué)理論知識和應(yīng)用技能。

三、結(jié)束語

將3D打印技術(shù)引入到STEAM 教育中，具有創(chuàng)新性與跨學(xué)科性特點，必將顛覆傳統(tǒng)教學(xué)模式，使得創(chuàng)意設(shè)計能夠落地，從而提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力，提高學(xué)生的協(xié)作能力和核心競爭力，最終促進學(xué)生的高質(zhì)量創(chuàng)業(yè)、就業(yè)。

[1] 王娟，吳永和.“互聯(lián)網(wǎng)+”時代STEAM教育應(yīng)用的反思與創(chuàng)新路徑[J].遠程教育雜志，2016，(2)：90-97.

[2] 傅搴,王辭曉．當(dāng)創(chuàng)客遇上STEAM教育[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2014，(10):37-42.

[3] 黎加厚．三維打印技術(shù)的發(fā)展對教育的啟迪[J]．中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2013，27(1):1-5 .

[編校：楊琴]

The Application of 3d Printing Technology in STEAM Education

LIU Lianhua,ZHANG Tao,DAI Yanhong

(Hebei Professional College of Political Science and Law，Shijiazhuang Hebei 050061)

Under the background of the "Made in China 2025" and "Popular Entrepreneurship and Innovation",the 3 d printing technologies grow and proper. In this paper,the 3 d printing technology is put into STEAM education. And from the progressive development of such three aspects as the 3 d printing course construction,3 d printing and innovation education integration,STEAM education integration based on 3 d printing,it explores the construction of "STEAM + 3 d" interdisciplinary education mode,cultivates students' spirit,and improves the students' creative ability.

3d Printing Technology；STEAM Education

2016-08-14

劉蓮花(1961- )，女，河北涿鹿人，教授，研究方向為經(jīng)濟法、教學(xué)管理。

本文為2016年河北省社會科學(xué)發(fā)展研究課題、民生調(diào)研專項課題“3D打印技術(shù)在高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中的應(yīng)用研究”(編號：201601018)階段性研究成果。

G434

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1671-9654(2016)03-024-03