基于3D打印的STEAM學習資源包設計開發

何灃燊++高佳平

摘 要 隨著桌面級3D打印機的普及，3D打印這項技術也逐步走進學校這個教育領域。STEAM教育打破各學科之間的界限，讓多學科教師合作進行綜合的教學，全面培養學生的各方面能力，在我國一些中小學通用技術、信息技術課中已經較為成熟地運用STEAM課堂的概念。通過調查研究，深入分析3D打印在我國基礎教育中應用及STEAM教育的現狀，對國內外現有的STEAM教育產品進行比較和分析，并通過案例及案例實驗的分析，探究基于3D打印的STEAM學習資源包的組成及設計開發的要點。

關鍵詞 3D打印；STEAM；學習資源包；信息技術；通用技術

中圖分類號：G436 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）14-0031-05

1 3D打印與教育領域

近些年來，隨著桌面級3D打印機的普及，3D打印技術也逐步走進學校，走進教育領域。許多研究者越加關注3D打印在教育中起的作用：《2015年地平線報告（基礎教育

版）》認為，3D打印技術將在未來2～3年大范圍普及[1]；而在新修訂的全國高中信息技術課程標準中，“三維設計與創意”作為選修模塊之一加入其中。這也印證了3D打印技術已經正式成為教育領域的一分子。

3D打印應用到教育領域的優勢

1）化抽象為具體。很多抽象的事物對于缺乏認知與想象的學生而言是難以理解的，而3D打印技術的作用正是將這些事物以可見、可觸的方式呈現給學生，幫助學生理解與掌握。

2）培養學生的設計思維與創新能力。學生在學習和使用3D打印技術時，需先對建模物體進行設計；完成初步的設計后，再通過3D建模技術進行設計的實現；在建模的過程中，不斷對模型進行修改（同樣是設計的過程），經過不斷的設計、修改、實現的迭代過程，得到最終的作品。根據戴爾的經驗之塔理論，被稱之為“設計的經驗”，屬于學生“做的經驗”，這種經驗（或稱思維模式）為培養學生解決實際問題的能力打下基礎，并促進他們創新能力的進一步提高[2]。

3D打印在教學中應用的現狀 筆者根據大量觀察與了解，認為現在我國中小學里3D技術的應用可以分為三類。

1）3D打印技術學習課程。學會如何建模和使用打印機是3D打印的基礎。許多初高中目前都在開設相關興趣課程供學生學習，并由中學里的計算機教師進行指導。課程的學習以3D建模軟件的學習為主，并結合一些輔助建模的軟件，如123D系列、Mesh Mixer等，從多個方面教會學生設計、建造模型。

2）以3D打印技術為技術支撐的創客課程。以3D打印技術、Arduino開源硬件、電子技術、編程等理工科技術為基礎，將多種技術融合進行創造發明，比如3D打印的機器人、四軸飛行器、智能手環等，以培養學生的動手能力與創造力為主。

3）基于3D打印技術的STEAM課程。引入3D打印技術作為STEAM教育的支撐，使注重實踐、注重動手、注重過程的STEAM教育如虎添翼。如杭州市的采荷三小開設的3D 打印社團課，采用多學科融合的主題式教學方式，將課程教學分為“海底總動員”“玩具制作”和“生活小幫手”三個主題。教師通過設置特定的教學情境，引導學生探索問題的解決方法，并讓學生自己動手設計，制作3D模型，結合其他軟硬件，最終完成一件能夠解決問題的作品，培養學生的探究與工程設計能力[3]。

3D打印在教學中存在的問題

1）3D打印技術（建模、打印機等）的學習在教學中的比重過大。技術的應用建立在熟練掌握的基礎上，因此，學生要花較多的時間來進行建模軟件的學習。這需要占用大量的課時，意味著在一些綜合性課程中留給學生進行后期活動的時間非常少，并且將極大地影響教學目標的達成。如何平衡3D打印的教學內容在綜合性課程中的比重（如使用簡單易懂的建模工具，教師輔助等），是開發這類課程時需慎重考慮的。

2）應用方式的選擇。據對3D打印相關企業工作人員訪談和對一些中小學目前3D打印機使用情況的調查發現，大多數中小學將3D打印機用于興趣課程和創客制作，結合其他科目教學的應用較少，3D打印機成為學校教學工作中可有可無的設備，甚至鎖在辦公室里閑置（據《很多學校3D打印機在睡大覺 行業培訓迫在眉睫》，http：//news.

163.com/15/0611/08/ARQJC5M500014SEH.html）。

3）課程資源設計難度偏大。結合3D打印的跨學科課程往往涉及多方面的知識，教師需要熟悉每個知識點，了解它們的特性，才可以將它們聯結起來作為一個完整的課程。在教學中也要針對教學目標，設計跨學科的課程材料，還需考慮到課程中培養學生多方面的能力。

2 基于3D打印的STEAM教育

STEAM教育前身為美國于20世紀80年代提出的STEM教育，是Science（科學）、Technology（技術）、Engi-neering（工程）、Mathematics（數學）多學科融合的教育模式[4-5]。2006年，時任美國總統的布什公布以“通過發展科技與創新促進美國經濟發展及提升國家競爭力”為主旨的《美國競爭力計劃》（American Competitiveness Initiative，ACI），指出21世紀作為知識經濟時代，國家教育目標之一是培養具有STEM素養的人才[6]。隨后任美國總統的奧巴馬全面推進這種教育模式，美國國內政府、學校、社會團體、專業組織等在各個層面紛紛開展了切實有效的工作。隨后在原有的四學科基礎上加入Arts（人文）學科，多學科融合得到STEAM教育。

我國的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》在戰略主題中明確提出：堅持能力為重；優化知識結構，豐富社會實踐，強化能力培養；著力提高學生的學習能力、實踐能力、創新能力，教育學生學會知識技能，學會動手動腦，學會生存生活，學會做事做人，促進學生主動適應社會，開創美好未來。STEAM教育打破各學科之間的界限，讓多學科教師合作進行整體教學，全面培養學生各方面的能力，在我國一些中小學的通用技術、信息技術課中已經引入STEAM課堂的概念。國內的一些開發廠商也相繼推出STEM、STEAM實驗套件、科普玩具等產品。endprint

丹麥的樂高集團早在1986年就與麻省理工學院合作，研發機器人和相關課程，隨后推出一批涉及科學、技術、數學、設計、社會學等學科的學習工具和學習方案，也是目前市場上較完整的STEAM學習套件。但受限于樂高積木本身的結構、材料的特性，學生利用顆粒方塊創作的成品與現實生活中的物品存在很明顯的差距。香港的METAS則與主流的STEAM教學方式不同，以電子積木套件為基礎，希望通過簡單拼裝到Scratch編程的應用來培養學生的創新能力。

STEAM的學習產品與3D打印結合，既為STEAM教育中學生創新創作提供了技術支持，提供了更自由的創作方式，又加速了3D打印教育應用服務支持體系的成長，為3D打印的教育應用提供了能充分體現3D打印技術優勢和獨特性的支持資源[7]。將新的技術與原有的正在發展的創新教育模式結合，為技術找到新的應用方式，為創新教育引進強大的技術工具。

3 基于3D打印的STEAM學習資源包組成

教學資源包的組成 學習資源是為教學的有效開展提供的素材等各種可被利用的條件，通常包括教材、案例、影視、圖片、課件等，也包括教師資源、教具、基礎設施等（據百度百科）。教學資源包通過一個包（package）的形式，向教師和學習者提供支持教學的各種資源。

如圖1所示，一般的教學資源包分為教師用的教材，包括文字的、多媒體的或教師提供的內容、教學活動指南（教師手冊）、問題情境、案例研究、資源列表等；學生用學材，包括學生活動指南、學生練習、評估。

STEAM教育產品 國內外教具、玩具、電子廠商已經推出各式各樣的STEM＼STEAM實驗套件或科普、教育游戲和玩具。如美國的Little bits，提供模塊化電子積木系統（表1），各種顏色的電子模塊通過防錯的磁性吸合方式可以搭建出各種電子模型。通過積木化的方式，降低了動手制作的能力要求，卻提高了學生創造發揮的可能性。

Little bits Smart Home kit套件內容如下。

1）BITS MODULES：1*USB Power，1*sound trigger，1*MP3 Player，1*threshold，1*light sensor，1*bright led，1*IR Transmitter，1*number，1*button，1*split，1*temperature sensor，1*servo，1*synth speaker，1*

cloudBit?。

2）ACCESSORIES：1*screwdriver，1*Servo Accesso-ries，1*USB Power Adapter+Cable，6*Shoes，2*mounting boards，1*AC Switch。

又如丹麥的樂高（Lego），作為國際知名的玩具品牌，1980年成立樂高教育，為全世界的教師和學生提供內容豐富、具有挑戰性、趣味性和可操作性的學習工具和教學解決方案。樂高與美國麻省理工學院（MIT）合作開發并于2013年發布第三代機器人LEGO MINDSTORMS EV3，其教育版內容包括：EV3 Brick*1，Large Motor*2，Medium Motor*

1，Touch Sensor*2，Color Sensor*1，Ultrasonic Sensor*

1，Rechargeable DC Battery*1，LEGO Bricks 541pcs；EV3

PROGRAMMER APP（iOS/Android），EV3 programming soft-

ware（PC/Mac），Robot Commander App，Building instruc-

tions，User guide（PC/MAC），EV3 Mindstorms Firmware download（PC/MAC），Advanced Users-Developer Kits（PC/MAC）。

近年來國內的一些廠商也開始推出STEAM學習的產品，如添翼模型STEM教育科普玩具，提供整套的學習套件：

1）電子元件，包括驅動馬達齒輪箱、7號開關電池盒；

2）作業器材，包括強力雙面膠、90 mm光軸、橡膠軸套、M2.5螺栓螺套、LED七彩燈珠、雙頭杜邦連接線；

3）全套機器人肢體部件拼裝指南。

通過對這些已有產品的分析，會發現這些產品可以說都是比較成熟的商品，但如果將它們投入課堂教學，會有一定的缺陷。幾乎現有的所有產品都是以“客戶能夠使用”的原則來設計指南或說明，缺乏教學情境，也沒有供教師使用的資源。另外，各自也有一些產品特點導致的限制。例如：樂高的機器人套件，其開發環境非開源，且硬件只能與樂高積木拼接；Little bits本身只是模塊組，創造一個作品還需其他很多資源的支持；至于國產的添翼模型STEM教育科普玩具，則更像一個個獨立、專屬的模型，幾乎不能進行開放性的創作。

在創客教育中，一般教學資源包的學材和教材之外，還包括支持學生創作的“創材”。而源自美國創客運動（Maker Movement）的STEAM教育，旨在從小培養學生動手、創新、綜合運用科學知識的能力[4]，在設計開發STEAM學習的資源時，除了要包含完整支持學生學習、教師教授的資源外，還要提供豐富全面的創作材料。而且出于成本的考慮，這些創作材料的理想狀態應是可替代、復用的材料。而市場上現有的STEAM學習產品，大多是針對某個主題學習設計，采用的部件由開發商設計，不可替代和不可復用（見圖2）。

基于3D打印的STEAM學習資源包 STEAM教育的學習方式多為探究式學習，學習的內容也不是固定的知識點，而是拓展到了學生在探究過程中接觸到的所有內容。所以沒有任何一個STEAM學習資源包能涵蓋主題學習中“所有的”知識，一個好的STEAM學習資源包為教師和學生提供的應是完成學習所需的“基礎知識”，以及獲得更多相關知識的方向和方法（見圖3）。endprint

基于3D打印的STEAM教育，其本質還是STEAM教育，3D打印技術是作為工具技術引入的。需要注意的是，一項新技術的引入，在教學時對學生和教師都提出新的要求，包括理解新的技術和應用新的技術。但不應“功高蓋主”，對新技術的學習和掌握應該是輔助對原來課程的學習，而不應在課程中占據過多的比例，把原來的STEAM主題變成對3D打印技術的學習。因此，在引入3D打印的STEAM學習資源包中，3D打印技術的學習材料（包括簡單的原理、適用的建模軟件和演示等）是必不可少的，但需針對原來STEAM教育的主題進行設計。例如：選擇既滿足主題學習中3D打印建模精度，學生和教師又能很快掌握并靈活應用的3D建模軟件；提供豐富的主題相關的3D打印模型文件，供教師和學生從認識、參照開始，逐步掌握主題相關的3D打印建模技巧。

除了3D打印的相關資源的引入，基于3D打印的STEAM學習資源包中的其他成分也應進行優化。在平衡原有資源和3D打印制品的成本、效果之后，一些原有的資源可以被3D打印的制品替代，其他的資源也應和3D打印技術配合，更好地達到STEAM教育的目的。

4 基于3D打印的STEAM學習資源包案例

為了對基于3D打印的STEAM學習資源包的成分進行實驗調查，筆者設計并制作“船”主題的3D打印STEAM學習資源包。該主題學習活動流程為：主題引入→觀看航海史紀錄片→學生探究學習感興趣的船→從曹沖稱象的故事引入排水量和浮力關系的探究實驗→引入船模制作→通過3D打印制作船體→設計船模的動力系統→探究學習輪船防銹并應用到船模上。

資源包內容

1）“船”主題的3D打印STEAM學習資源包清單。

①學生學習材料：教學演示視頻紀錄片《世紀航路》，學生問卷《航海史的梳理》，學生實驗報告《浮力與排水量》，防銹措施的探究報告。

②教師教學材料：教學活動指南，資源包清單，可參考《航海與船模》教案，問卷評價表，多媒體課件，包括3D打印建模教程（視頻+PPT）、電子部件組裝教程（PPT）、探究浮力與排水量關系實驗演示視頻、主題教學Prezi課件。

③3D打印資源：3D建模軟件ProE，3D打印機，ABS打印材料，展示用3D打印船模型Demo，船模型文件（.stl格式）。

④其他創作材料：四通道遙控器*1（接收器、遙控器），5號電池盒*2，馬達*2，螺旋槳*2，6 cm鐵軸*2，（10齒輪、28冠齒）*4，白色三通*4，塑料框架*1，多孔鐵片*2，開關*1，墊片、螺絲、電線若干，各色油漆筆、油性筆等。

⑤工具：螺絲刀（一套），尖嘴鉗，250 ml量筒*2，試管*1，帶刻度移液管*1。

2）多學科融合的主題各維度學習目標。

S（科學）：掌握輪船的發展，浮力與排水量的關系，3D打印技術的原理和應用，金屬防銹的原理，作用力與反作用力，能量轉換定律。

T（技術）：3D建模，金屬防銹的措施。

E（工程）：3D打印船模組裝航行，工程設計的模式，電路的組裝，機械傳動（齒數與轉速）。

A（人文）：世界航海史與中國航海史，船的種類與結構，船體造型設計，船體上色。

M（數學）：掌握立體圖形的結構特點、會看三視圖，實驗數據的記錄和處理，模型零件的尺寸與組裝比例計算。

資源包在主題STEAM教學中的作用 以“船”為主題的STEAM課程，不單單是為了讓學生做個船模，更重要的是多學科知識的貫穿融合。

1）教師教材。

①資源包引入教學情境。船主題的引入時，一句“長風破浪會有時，直掛云帆濟滄海”引起學生對造船遠航的積極性。將詩歌與實踐結合，是對學生情意態度、審美、文化素養的綜合培養。引入3D打印進行船模制作時，將3D打印機與漫畫中的超現實工具進行類比，激發學生對3D打印技術的興趣。

②資源包中提供了完整的教學指南。教學指南對于整個主題教學活動的流程及重要細節都有詳細的說明。某些擔任單一學科的教師，即使其他相關學科的教學經驗比較薄弱，也可以根據教學指南的指導，有序、合理地開展主題教學活動。

除了教學指南，資源包中提供了豐富的多媒體資源，包括《世紀航路》紀錄片、3D打印的相關課件、實驗演示視頻、主題教學的課件等，為主題教學提供了豐富的支撐。形式豐富的多媒體資源不但提高了學生學習興趣，而且拓展了學生的眼界見識。學生甚至可以在動手制作的過程中將其中的知識應用進去，活學活用，提高了學生的知識應用能力。

資源包中實體3D模型Demo的展示，讓學生有了直觀的、觀察的認識。根據戴爾的經驗之塔理論，這是屬于直接、具象的經驗。教師可以通過展示船模型，向學生講解其中的一些細節結構知識，給學生留下深刻的、具體的記憶。

③資源包里提供問卷、評估量表，能讓教師在活動過程中對學生的活動和實驗進行評估（形成性評價），及在主題教學后對學生的學習成果進行評價（總結性評價），以便教師對主題教學的教學過程及結果進行評價和總結。

2）學生學材。

①資源包中提供了學生任務指南，幫助學生了解整個主題課程活動方向，明確了他們在教學中需完成的基本任務。避免新的學習模式的引入對學生學習造成困擾。

②資源包中還包含開放的網絡資源指南。學生在課堂學習的基礎上，可以繼續在網上根據指南的導引，學習船的文化、歷史、結構等知識，為探究式學習提供完善的支持。

另外在教學生3D建模這一節中，由于船的構造與其他模型相比較為復雜，建模步驟數較多，學生在學習初期很難記住整個過程。資源包中的教學視頻在這一階段就起到重要的輔助作用，學生可以觀看教學視頻，對建模過程進行回顧，有利于教學進度的正常推進。

3）3D打印資源。如表1所示，在建模軟件的選擇上，筆者在比較、分析了大量建模軟件后，選擇ProE這款建模軟件作為資源包中3D建模的主要工具。endprint

在3D模型選擇與教程制作上，筆者也針對主題教學進行優化，力求以最少的學習時間，達到更佳的學習效果。

在船的模型的選擇上，筆者偏重于選擇那些學生熟悉的、比較典型的船造型，如帆船、明輪船、游艇、空氣動力船等。

在3D建模教學中，筆者盡量選擇那些簡單卻可以快速成型的特征功能，減少建模步驟數，減小學生的學習難度。

4）其他創作材料。在電子器件的選擇上，筆者選了模塊化、無裝飾外殼、可替代及復用的電子器件。

①模塊化。模塊化的動力系統、電力系統、遙控系統，減少學生在連接電子部件時遇到的阻力，將更多的精力投入根據不同造型的船模的特點進行的船模動力設計中。

②無裝飾。所有電子器件都無裝飾外殼，學生需通過3D打印裝飾部件或利用其他材料對船模進行美化裝飾。在動手的過程中，學生要兼顧船的美觀和功能，以此加深對美學和科學的理解。

③可替代及復用。在創作材料中，包含了大量可被3D打印部件替代的結構部件。在主題學習過程中，學生設計的船模是多樣的，部件的形式、尺寸均需學生進行設計制作。在迭代設計過程中，可替代和復用的材料大大降低了材料的成本。

5 總結

STEAM教育打破各學科之間的界限，全面培養學生各方面的能力。基于3D打印的STEAM學習資源包，引入創客這一模式，學生在使用該資源包時，需進行個人設計、制造、創新。建立做中學、學中做的模式，提升學生的設計能力、合作能力、問題解決能力和實踐創新能力[8-9]。

作為教學資源，在資源的組成上需要結合STEAM教育的特點，為教師的教授和學生的學習提供豐富的支撐資源。融入3D打印技術時，需從教師和學生的實際使用出發，使3D打印技術真正成為有效的教學工具，而非增加教師的工作壓力和學生的學習負擔。

參考文獻

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