STEM教育理念下3D打印課程的教學設計與實施

黃廷勛 周健

【摘要】STEM教育理念為是培養工程技術人才的重要手段，本文以“運動小車的設計與制作”為例分享本團隊在STEM教育理念下進行3D打印課程教學的設計思路與實施過程，以期為同類教育提供一些經驗。

【關鍵詞】STEM教育;3D打印;課程設計;任務教學

引言

STEM教育是目前較流行的一種教育模式，它通過創設工程情境，讓學習者順應項目實施流程，自主完成工程任務。它強調學習者在創設的工程情境中，結合自身及團隊所擁有的多方知識解決情境中的問題，幫助學習者融合跨學科知識，構建新的知識體系，是培養學習者解決問題能力，協作能力和實踐創新能力的直接途徑。

我國是世界上工程教育規模最大的國家之一，然而工程師的數量和質量卻有待提高。2013年麥肯錫測算數據顯示，工程師在我國市場的需求數量將有大幅增長，2020年該類人才缺口預計將達2200萬。STEM課程資源的開發與實施無疑對我國培養工程技術人才有正面作用。

一、國內外研究現狀

2012年1月，美國聯邦商業部發布了題為《美國競爭力與創新力》的報告，報告數據顯示肩負創新使命、推動經濟發展的人力資本多數來自STEM領域。2012年德國聯邦教育與研究部在其調查報告《MINT展望——MINT事業與推廣指南》中指出“保證勞動力的數量和質量是聯邦政府活動的重心”。

2016年，我國教育部印發的《教育信息化“十三五”規劃》指出“有條件的地區要積極探索信息技術在‘眾創空間、跨學科學習（sTEM教育）、創客教育等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養、創新意識和創新能力，養成數字化學習習慣，促進學生的全面發展，發揮信息化面向未來培養高素質人才的支撐引領作用”。2018年5月15日，中國教育科學研究院正式牽頭，啟動“中國STEM教育2029行動計劃”。

目前，國內沿海城市學校紛紛建立學校教育創客空間，通過借助創客空間實施一定規模的STEM教育，上海、北京先后成立了STEM教育云中心，江蘇、浙江先后召開了全省STEM（STEAMl教育大會。我國STEM教育研究也呈現出逐漸繁榮的態勢。

我校于2015年成立了“3D打印創客社團”。社團成立初期，社團沒有培訓設備，教師們積極想辦法，克服困難，迎難而上，創造培訓條件。兩位指導教師自費購買了一臺3D打印機及配套耗材，借用學校計算機實驗室進行社團培訓。在極簡陋的條件下師生們共同學習、培訓、討論、研究，收到了較好的培訓成果。2016年12月社團選派了4名學生參加廣州市青少年3D打印創意設計大賽，獲得中學組三等獎1名。2018年我校配備了“創客實驗室”，社團依托該實驗室進行規劃、組織及培訓。2018年12月社團選派了5名優秀學生參加廣州市中小學生3D打印設計大賽，其中三人進入決賽，獲得中學組一等獎1名、二等獎2名的好成績。

二、基于設計的跨學科四層STEM理論框架

經過4年的摸爬滾打，筆者及團隊積累了一定的經驗，并著手3D打印社團的STEM課程資源開發。筆者及團隊在課程資源開發中的設計思路與理論框架主要參考James A.Beane的“主題一概念一活動”的課程統整理念，制定出包括學科內容層、跨學科概念層、教學設計層、學習目標層的理論框架。

學科內容層面，本團隊所開發的3D打印課程主要以任務為導向，每個任務都充分融合科學（s）、技術（T）、工程（E），數學（M）等多學科（sTEM）內容，讓學生在完成各項任務的過程中，實現知識的融合。

跨學科概念層面，在凝練學科間的核心概念的同時，通過細化分解、橫向聯結將相關聯的知識進行融合，實現跨越。

教學設計層面，通過環環相扣的形式，引導學生自主學習。教學過程的核心是基于主題情境設置相應任務，要求學生完成，學生在設計和制作的過程中，需融合多種知識，構建系統的知識體系，并結合真實世界的設計和加工條件，制作出成品。

學習目標層面，該教學過程，可使學生在教師引導下自主學習新知識，融合并構建知識體系，此外，真實的設計與制作也能讓學生在條件限制下想辦法解決所遇困難，培養學生解決問題能力、協作能力和實踐創新能力。同伴間互評與反饋，也會為學生提供新思路，促使其深入學習形成良性循環，切實提高教育教學效率。

三、3D打印課程《運動小車的設計與制作》的教學設計與實施

（一）課程的教學內容與目標分析

3D打印課程《運動小車的設計與制作》是我校3D打印社團開展的一個STEM綜合實踐主題課，如表1所示，是本團隊結合STEM課程理念，根據課程設計框架制定的教學內容及目標分析。

（二）課程的教學設計與實施

STEM教學理念下的課程通過不同學科的視域透視“運動小車的設計與制作”項目中所涉及的多種問題，形成不同學科的能力要求，培養學生的探究能力、自主學習能力、協作能力、解決問題能力及設計能力，提高學生的核心素養與創新思維能力，增強教育教學的有效性。具體的教學設計與實施如圖l所示。

（1）學生確定“運動小車的設計與制作”的主題，通過網絡檢索學習小車造型、結構等相關內容，初步形成解決問題的能力。

日常生活中我們經常可以見到汽車，學生對汽車也比較熟悉，但汽車種類繁多，真正要將其設計制作出來，對于學生還是有一定的難度，所以我們選擇該主題。學生接到該任務，首先以小組為單位通過網絡及書籍找出各類車輛的造型及結構等相關信息，這一過程可以激發學生學習興趣，培養其自學檢索能力，鍛煉其解決問題能力。組員在相互交流和分享查閱信息的同時，也是一種思想和學習的融合過程，大家要在不同的意見中統一思想，對于學生來說，是一種很好的鍛煉。

（2）學生在教師的引導下提取知識點，如動能、傳動、車重計算、阻力計算、測量工具的使用等。通過自主學習及小組交流，融合跨學科知識，構建自己的知識體系。

制作運動小車涉及多個跨學科知識點，學生很難準確地提取各類知識點并自主學習，因此教師的引導很有必要。小車運動涉及的動能包括太陽能、電能、風能等知識;所需傳動涉及帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等知識;各種零件的測量涉及直尺、游標卡尺、千分尺等測量工具的使用。在教師的引導下，學生可以明確知道自己所需學習的一系列跨學科知識點，進行精準學習，高效學習。

（3）學生通過前期的自主學習及小組討論，明確本組作品的設計方案初稿。學生經過這一系列的探究能夠培養其科學探索能力及自主學習能力。

這一環節學生們既能發揮奇思妙想創造自己想要的造型，又要根據現實情況求同存異、統一小組思想最終定出本組的設計方案。學生們通過思想火花的碰撞，不斷鞏固學習，強化記憶，還能通過知識的投射效應進一步拓展新知識，并進行融合，構建自己的知識體系。

（4）學生通過建模、切片、優化、打印、組裝等步驟制作出成品，該過程幫助學生強化設計能力，實操能力，并鍛煉其綜合實踐能力。

這一環節學生開始實操，面對現實情況，許多天馬行空的想法需要根據現實情況進行調整，優化設計一方面能強化學生的操作技巧，另一方面也提升了他們的綜合實踐能力。如圖2所示，學生們多次優化后，制作出來的運動小車成品。為了讓作品更美觀，學生們還為自己的作品上色，如圖3所示。

（5）學生以小組為單位進行作品展示與評價，并通過多種形式收集反饋信息，最終提高表達能力，溝通能力，提升解決問題能力。

作品展示是教師在教學中有意營造的激勵環境。各小組充分展示自己的產品，說明自己的設計思路及制作流程，并在同伴間相互評價反饋，迭代完善產品，以競爭方式促進共同提高。展示中，學生們提高了語言表達能力，品嘗到成功的喜悅，找到了自信，更激發了不斷進步的欲望，自主學習的積極性得到了進一步提高，解決問題能力得以升華。同時筆者還要求學生們使用微信等社交平臺進行作品展示，收集身邊人的意見和建議，這些多元化的展示與評價不但可以提高學生的參與度，還能為學生提供新思路，促使其深入學習形成良性循環，切實提高教育教學效率。

四、總結與思考

“運動小車的設計與制作”是本團隊開展的STEM教育理念下3D打印課程的其中一個課程設計，從目前的教學效果來看，在融合跨學科知識，構建新的知識體系、培養學生解決問題能力、協作能力和實踐創新能力，提高教育教學的有效性方面都取得較好的效果，學生參與熱情也比較高。但該課程開展的時間尚短，尚有不足，日后筆者及團隊還需通過更多的教學及反饋數據不斷完善其相關內容，繼續探索更好的STEM教育理念引導式課程資源及有效的學習途徑。根據職業教育要求，提升教學質量，提高教學效率，為后續教學提供資源參考，并促進教學質量的全面提高，促使學生綜合職業能力全面發展。