基于STEAM的高中3D打印校本課程設計與教學實踐研究

□張 成

美國新媒體聯盟發布的 《地平線報告》 （The Hori-zon Report）從 2013年起連續三年提到，3D打印 （3D Printing）將成為教學的主要技術，并指出未來 2～3年內3D打印將走進教學。[1]正如報告所說，近兩年國內越來越多的中學引進3D打印技術和設備，探索開展3D打印日常教學，但目前國內設計成熟且適合高中生學習的3D打印課程比較缺乏。本文即在STEAM教育理念的指導下，對高中3D打印校本課程進行課程設計，同時開展教學實踐，不斷反思，以期提高教學質量。

一、STEAM教育理念

STEAM教育源于發達國家，原型為STEM課程，是為了提高學生對理工科知識的興趣而建立的。STEM教育通過整合Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Mathematics（數學）領域內容指引教學和學習的途徑和方法，它并不是這四門課程知識的簡單疊加，而是要將多學科的內容交叉融合形成有機整體，倡導問題解決驅動的跨學科教育，旨在培養學生的問題解決能力、團隊合作能力、設計能力和實踐創新能力。隨著STEM教育的出現以及教育實踐研究的開展，藝術 （Arts）課程也被添加到STEM中，形成STEAM教育。STEAM課程是關于科學、技術、工程、藝術和數學的課程，具體來說，STEAM課程不僅僅是提倡學習科學、技術、工程、藝術和數學這五個學科的知識，其倡導的是一種新的教學或學習方式，該課程的特色就是讓學習者自己動手完成他們感興趣的項目或是在生活中完成他們需要解決的問題。[2]

STEAM教育主要是以基于項目和基于問題的學習為主，注重跨學科項目設計，這是一種以建構主義為指導的教學設計模式。STEAM教育以多學科整合的教學方式，注重過程和實踐，以真實問題為向導，強調知識與能力并重，倡導 “做”中 “學”；強調創新思維和能力的培養，注重知識的跨學科遷徙及其與學習者之間的關聯。

二、3D打印課程

本文以3DOne打印技術為依托，對高中3D打印校本課程開展課程設計及教學實踐研究。該課程基于STEAM教育思想，采用項目學習的形式進行課程設計和教學實踐。

3D打印是利用塑料或樹脂等可粘連的原料進行層層打印形成物件的增材制造技術，它的工作原理是將3D打印機與計算機連接，通過設計輔助軟件進行數字建模，再將數字信息傳輸給打印機，利用打印機中的絲狀、粉狀或是液體狀的材料以逐層堆疊的方式制作出產品。3D打印課程是以該技術為基礎開展的課程，學生可以利用3D建模軟件將自己的設計畫出來，最后通過打印機打出實物，讓創意變成實物，讓抽象的概念具體化、形象化。目前，國內3D建模軟件有多種，包括 3ds Max、Rhino、123D Design、3DOne等，本文選擇3DOne設計軟件開展教學。

3DOne是一款專為中小學生開發打造的3D設計軟件。該軟件界面簡潔、功能強大、易于上手，尤其是軟件整合了常用的實體造型和草圖繪制命令，簡化了操作界面和工具欄，可以讓初次接觸3D打印的學生通過簡單的 “積木拼搭”完成3D設計，大大激發了學生的學習興趣和熱情。

三、3D打印校本課程設計與教學實踐

1.基于STEAM的課程教學基本思想和課程目標。基于STEAM的3D打印課程教學的基本思想包括 “做中學”和 “項目學習”。美國著名教育家杜威認為，“做中學”即從生活經驗中積累知識、從實際活動中進行學習，在情景化的教學場所中，讓學生通過親身體驗，在不斷地觀察、實驗、探究、創作中解決真實問題。而項目學習 （PBL）是一套系統的教學方法，它是以解決真實、負責的問題為目的，對項目任務進行精心設計、探究、實施的過程。在這個過程中，學生能夠進行設想、驗證、完善、創造出某種東西，從而培養創新能力和動手操作能力。這兩種思想其實是共通的，項目學習即是學生實現做中學的一種教學形式。

基于STEAM的3D打印課程定位為一門綜合課程，教學內容不止單一的建模設計步驟，而應將編程、科學、技術、藝術及數學問題有機融合，讓學生在實際生活中發現問題，通過項目學習分解問題，利用3D打印技術將解決思路可視化，最終解決問題，培養學生的創新能力，提高學生的核心素養。

2.課程設計。高中生自我意識進一步增強且求知欲旺盛，邏輯思維能力進一步發展，對生活中遇到的各種問題有自己的想法，希望通過自己的創意解決問題，3D打印課程正是這一過程的媒介。高中3D打印課程依托校本課程展開，以項目為主線，依據生活中發現的問題，分小組開展各自的項目，通過3DOne軟件設計自己的作品，最后展示作品，解決問題，完成項目報告。課程由基礎知識和多個項目組成，包括桌面書立設計、拎袋護手設計、理線盒設計等，每個項目分三個課時完成。第一課時展示學生生活中遇到的問題，比如高中生課本與資料較多，在桌面上堆放散亂，找起來也比較困難，設計工具收納整理，分小組開展頭腦風暴，完成項目報告草圖設計，利用3DOne軟件畫出設計。教師在討論階段提供各方面理論知識支撐，包括物理、數學、科技等，在制作階段幫助學生解決軟件操作疑惑，將軟件中各功能講解融入學生的需求。第二課時完成作品制作并完善，將藝術教育融入其中，對作品的美感加以強調。第三課時打印出作品并展示，完成項目報告。通過一個完整的項目完成過程，讓學生真實參與，把學習到的物理、數學等知識用到實際的問題解決中，同時注重作品的美觀性。另外，做項目的過程中，學生的團隊合作意識也能增強。

3.教學實踐。下文以 “拎袋護手”為例，介紹教學實施的過程。

第一課時重在設計，主要由情境導入、小組討論、設計制作三個部分組成。

（1）情境導入。日常生活中我們經常在超市購物，但每次把購物袋拎回家都會非常頭疼，每每手掌都被勒得通紅，有沒有什么方式能夠讓拎購物袋不在費勁？請各小組展開討論，設計個性的拎袋護手。

（2）小組討論。教師提供相關的理論知識，包括數學空間幾何圖形的相關知識、圓環的性質、物理壓強的相關知識，小組討論中如果還需要其他知識，可以隨時上網查找。在設計的過程中，教師在思路上積極引導，護手的設計首先應該確定形狀，要符合人體手掌彎曲，同時應該增大拎袋與手掌的接觸面積，才能減少拎袋對手掌產生的壓力。

（3）設計制作。在討論的過程中，引導學生填寫項目報告，記錄提出的各種需求和問題，然后繪制草圖，把想要設計的拎袋護手先畫出來，小組成員共同討論修改。設計快的項目組可以先一步打開3DOne軟件開始制作。

第二課時完成作品建模，主要分為3D軟件制作和完善兩個部分。一是3D軟件制作。根據前一節課的設計，利用3DOne軟件進行設計制作。教師提供相關軟件功能使用的微視頻，包括圓環制作、減運算等，學生在遇到操作困難時，可以直接利用微視頻學習。根據設計出現的其他問題，教師提供技術支持；二是完善。小組討論，完善作品的設計，包括邊緣的圓角、倒角設計，使作品更美觀實用。

第三課時打印作品并展示。因為3D打印比較耗時，課前應將小組作品利用3D打印機打印出來，課上由各小組推薦同學進行展示說明，其他小組提出看法和建議，將建議在項目報告中做好記錄。小組對項目作品開展自評，并做記錄，結合小組互評記錄，對項目完成情況進行反思總結。

4.教學效果與反思。筆者2017年下半年在普通高中一年級開設了3D打印校本課程，在課程項目學習過程中學生興趣很高，小組討論過程非常熱烈，大家在團隊合作的過程中對已經學習的物理知識和數學空間幾何知識做了鞏固加深。同時，在設計作品過程中兼顧作品藝術性，通過關聯各種知識點，最終完成自己的作品設計，并通過3D打印機將設計轉變為現實。與此同時，反思校本課程的開展情況，筆者認為，可以從項目甄選和微課制作等方面加以改進。

基于STEAM理念的高中3D打印校本課程的開展需要以項目教學為依托，同時項目的來源應該取自學生的真實生活。來源于學生生活中的各種項目情境能讓他們產生共鳴，發現問題的癥結所在。通過項目團隊討論、合作，跨學科知識的梳理，找到解決問題的思路，設計出自己的作品，從而解決生活中的小問題。

基于STEAM理念的3D校本課程具有知識與資源的跨界性，其中學生所需建構的知識往往不只是一個學科，其融合了科學、數學、物理、化學、藝術等多個學科知識，需要學生不斷地進行跨界思考，這種情況下需要教師做好充足的知識儲備，同時需要選擇一種適合學生根據自己需要開展學習的教學手段。微課正是這樣一種適合不同學生根據自己計劃需求開展學習的教學手段，教師在課前準備好各學科知識的資料或知識點的微課，為學生在做項目的過程中做好知識儲備，讓不同的學生能夠根據自己的需求隨時學習相關知識。

綜上所述，基于STEAM教育理念開展的3D打印課程，大大激發了學生的學習熱情和實踐積極性，讓學生將自己的創意變成現實。在這一過程中，學生的科學、技術、工程、數學和藝術的綜合素養得以提高。3D打印課程教學不僅僅是讓學生學習建模，更重要的是利用3D打印技術解決生活中的問題，這就需要教師在課程設計過程中，更多的思考如何通過課堂教學把學生培養成有創造力的設計者。