基于STEAM教育理念的3D打印+Arduino課程設計探索和實踐

王曉東

【摘 要】近年來，STEAM教育理念及其課程資源得到了國內教育界的普遍關注，在校內外教育培訓機構的助推下，掀起了一股STEAM研究和應用熱潮。本文基于STEAM教育理念（價值取向）分析探討了如何利用3D打印+Arduino這一信息技術教育載體，培養青少年的創新意識、實踐能力和團隊協作精神。

【關鍵詞】STEAM；教育理念；3D打印；Arduino

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2018）31-0058-01

一、研究背景

2017年12月，寧夏科技館被國家教育部授予第一批全國中小學生研學實踐教育基地。在項目資金資助下，支持基地單位在青少年教育活動、課程資源開發、教師培訓等方面開展公益性校外青少年科技教育活動。寧夏科技館根據教育部《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》精神，基于STEAM教育理念開發了3D打印+Arduino青少年科技教育活動（課程）。此項課程主要目的是培養青少年的創新精神、實踐能力和跨學科知識技能綜合應用能力。

二、STEAM教育理念介紹

1.STEAM的起源和內涵。

STEAM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art），數學（Mathematics）五個英文單詞的縮寫，是集科學、技術、工程、藝術，數學于一體的新教育理念（如圖一）。STEAM是從STEM教育計劃演變而來的，是由美國政府主導的一項教育計劃，它不是5門學科的簡單疊加，而是強調多學科的跨界融合，以培養學生綜合應用多種知識解決實際問題的能力為目標，是一種創新型、復合型、實踐型人才的培養模式。

2.STEAM的教育目標（價值取向）。

美國政府之所以推出STEAM教育理念，更多的是出于國家戰略的考量，在信息時代和知識經濟時代的大背景下，搶占科技創新戰略制高點，為國家培養跨學科交叉復合型人才。這與我國教育改革倡導的素質教育在理念層面是一致的，為此，2015年9月，教育部發布《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》，提到了未來五年對教育信息化的規劃，其中明確提到要“探索STEAM教育、創客教育等新教育模式”。

STEAM教育理念的價值取向是通過其教育目標來實現的。面向新時代，國際間的科技競爭其實是科技人才的競爭，青年興則國家興，青年強則國家強。我們研究STEAM教育理念的目的在于吃透其精神實質，走“中國化”的素質教育道路，培養具有社會主義核心價值觀，富有創新精神，關心社會經濟發展，善于應用多學科知識理論，發現、分析、解決現實和未來科技發展的新一代創新人才。

（1）創新精神。創新是知識經濟時代的一個顯著標志，是一個民族進步的靈魂，國家興旺發達的不竭動力。STEAM教育理念及其課程體系的可貴之處在于通過精心設計的教學環境和課程資源，引導學生通過跨學科知識的遷移，對生產、生活中的現實問題，以工程和技術的思維，提出新的解決思路和方法，這是創新人才最基本的核心素養。

（2）科學精神。現代科學與技術正在醞釀著新的突破，必將引發人類未來的生產方式、生活方式和社會結構發生重大變革。正因為如此，科學（Science）位于STEAM教育理念之“首要位置”，足見人們對其重視程度。STEAM教育理念不僅關注科學知識本身，更關注學習參與者探索精神、實證精神和批判精神的培養。

（3）人文精神。人文精神的核心就是“以人為本”，關心個體成長與社會發展、自然環保、公平正義的和諧統一。STEAM教育理念注重科學精神與人文精神的和諧統一，追求每一個教育參與者的個性、天賦、才能都能得到均衡全面發展，因為STEAM教育理念本身是開放和包容的。

（4）團隊精神。團隊精神是大局意識、協作精神和服務精神的集中體現，核心是團隊合作，協同創新。基于STEAM教育理念的課程一般采用小班分組授課模式，在教師引導下，啟發團隊完成項目、課題或任務的過程中，高度關注小組成員之間的溝通、協作和互動，從小培養青少年的合作意識和奉獻精神。

三、3D打印技術有助于培養學生的設計、創意和藝術素養

1.3D打印技術介紹。

3D打印（3DP）即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。該技術被廣泛應用在軍事、建筑、醫學、設計、制造等多個領域。3D打印被譽為“第三次工業革命的重要生產工具”，《中國制造2025》和德國“工業4.0”中，也都把3D打印作為重要的支柱技術之一。

2.3D打印技術對培養學生綜合素養的意義。

英國著名教師戴夫懷特曾經說過：如果你能抓住學生的想象力，你就能抓住他們的注意力。3D打印及其技術可以讓枯燥的課程變得生動起來，它是一種同時擁有視覺和觸覺的學習方式，具有很強的誘惑力，它是實現學生創新、創造、創意和想象的重要載體。學生應用三維建模軟件設計打印作品的過程，這是“創意物化”的過程，是其設計能力、創意能力、空間想象力、美學、立體幾何和信息技術綜合應用的結果，有助于學生綜合素養的養成。

四、Arduino開發平臺有助于培養學生電子和信息技術素養

1.Arduino硬件開發平臺介紹。

Arduino是一款便捷靈活、簡單易上手的開源電子開發平臺，包含硬件（Arduino開發板）和軟件（Arduino開發環境）。自問世以來，得到了國內電子發燒友、創客和STEAM教育機構的大力推崇。由于Arduino具有開源、跨平臺、易上手的特點，越來越多的專業硬件開發者已經或開始使用Arduino來開發他們的項目或產品。

2.Arduino開發平臺對培養學生綜合素養的意義。

利用Arduino開發平臺，指導學生進行項目開發，不僅可以培養學生的編程能力，還可以培養學生的電路設計能力、連接能力以及電子產品（模型）的制作能力。利用Arduino平臺的強大功能，引導學生創造出各種各樣具有實際應用價值的新產品，為青少年提供了發揮想象力和創造力的實驗和開發平臺。學生利用該平臺完成各種具體任務的過程，其實就是鍛煉培養其發現問題、研究問題、解決問題的過程，進而有助于學生創新能力的培養。

五、3D打印+Arduino青少年科技教育活動（課程）介紹

在長期的青少年科技教育實踐中，我們不僅關注STEAM教育與中國素質教育的自然融合，更關注如何設計并實施基于STEAM教育理念具有中國特色的青少年科技教育課程資源。下面，以STEAM課程《關愛生命 健康家居——家用生活環境監測機器人》為例，與大家一起探討分析。

1.課程開發背景。

近年來，國家對環境保護的力度不斷加大，環保問題已是全民、全社會、全人類共同面臨的永恒課題。作為專業從事青少年科普教育的機構，要積極引導青少年關注我們生存的大環境（全球氣候、中國環保現狀、寧夏當地環保現狀）和小環境（家庭、辦公室、教室、大型公共場所空氣質量）的現狀和發展態勢及其相互關系，利用現代科學技術手段觀測測量重要環境技術參數（如溫度、濕度、光照、粉塵含量、氧氣含量、甲醛含量等），進而培養青少年保護環境，從小樹立人與自然和諧相處，節約資源，低碳環保的生活方式和價值觀。

2.家用生活環境監測機器人的基本功能。

當前，人類社會正在從信息時代向人工智能時代過渡，各種智能家居和人工智能產品正在走入人們生活的方方面面，正在改變著我們的生產、生活和溝通方式。啟發學生自主設計一款智能家用生活環境監測機器人，該機器人具備人機語音交互、短信交互、指令交互等多種交互方式，可自動監測收集家庭生活環境的主要參數（如溫度、濕度）等，并提醒家庭成員及時改善室內空氣質量，倡導健康環保的生活方式。

3.STEAM教育理念在本課程中的體現。

STEAM教育理念提倡多學科融合，在具體的探究性實踐活動（任務）中，培養學生的多學科知識、技能的綜合應用，進而培養青少年的創新意識和實踐動手能力。本活動方案（課程）以信息技術、電路和機械為主，但也涉及其他學科，如大氣、環保和數學等學科。STEAM教育理念在本課程中的具體體現如下：

六、結語

一個成功的STEAM教育方案或課程體系，通常需要經過方案策劃、課程設計、教學實施、教學評估和教學反饋等5個階段，本文僅就基于STEAM教育理念的3D打印+Arduino課程設計進行了淺顯的理論分析和實踐探索，還需結合當前教育改革和素質教育的大背景，與時俱進，不斷迭代更新課程資源，探索具有科技館特色的STEAM教育課程體系。

參考文獻

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