3D打印技術在STEAM教育中的應用與實踐探究

王蕾

[摘? ?要]隨著3D打印技術的不斷成熟，世界各國積極將3D打印技術引入教育領域，為教育事業帶來了新的發展契機。北京市第一中學立足3D打印課程，以初中綜合實踐課為切入點，積極組織學生參加STEAM競賽活動，通過多種方式將3D打印技術應用于STEAM教育中，著力提升學生的信息素養、創新意識和創新能力，促進學生的全面發展。

[關鍵詞]3D打印技術;STEAM教育;信息素養

教育部發布的《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》提出，鼓勵中小學探索STEAM教育、創客教育等新教育模式，使學生具有較強的信息意識與創新意識，養成數字化學習習慣。《普通高中課程方案和語文等學科課程標準（2017年版）》中，3D打印被納入《17-1834普通高中通用技術課程標準》和《17-1847普通高中信息技術課程標準》兩大文件。為此，北京市第一中學立足3D打印課程，以初中綜合實踐課為切入點，通過多種方式將3D打印技術應用于STEAM教育，提升學生的信息素養、創新意識和創新能力，促進學生全面發展。

一、把想象變成現實，培養創新思維能力

自2014年起，學校開設了3D打印校本課程，教學內容融合了三維軟件建模、3D打印創作、VR虛擬現實等，旨在培養學生的合作、創新和實踐動手能力。學生將自己的想法通過應用軟件設計出來，在指導教師的幫助下進行打印、加工，最終呈現出一件件充滿創意的作品。

在“東城區3D打印設計作品展”中，學生們的作品是用3D打印制作出的學校沙盤模型。為了節省空間并便于管理，學生們進行了大膽設想，將教室設計成可以翻轉折疊的模塊，使用時打開，用畢則收起。更有趣的是，學生們還設計了一個運用了磁懸浮原理的教學樓體模型，當地震等突發事件發生時，教室可以像工具箱一樣平鋪展開，使樓體不至于立刻坍塌，為學生快速撤離現場爭取時間，以避免踩踏事故，減少人員傷亡和財產損失。

基于STEAM教育的3D打印課程，使學生親歷了從想象到圖紙再到實物制作的全過程，極大地激發了學生的創新思維。3D打印課堂為學生提供了展現非凡創造力的機會，使學生逐漸能夠打通“想象—虛擬—實體”三者之間的鴻溝，完成探索、思考和操作實現的完整過程，為學生開辟了一種全新的思維通道[1]。

二、結合綜合實踐課程，提高知識運用能力

綜合實踐活動課程是從學生的真實生活和發展需要出發，從生活情境中發現問題，并轉化為活動主題，通過探究、服務、制作、體驗等方式，培養學生綜合素質的跨學科的實踐性課程。STEAM教育與綜合實踐活動課程存在許多共性，都注重跨學科學習，注重知識的綜合運用，注重強調以學生為主體的學習方式[2]。為此，學校以綜合實踐活動課為切入點，全面開展STEAM教育。

1.探秘青銅器

“探秘青銅器”是學校初中綜合實踐課中的一個課題，約8課時，歷時兩個月。為了更好地實現課程目標，在設計教學時結合了STEAM教育的理念，要求學生動手設計并制作出屬于自己的“青銅特色”的生活用品。在這個階段，學生遇到了很大的困難。中國古代青銅器的鑄造有塊范法和失蠟法兩種基本方法，此外還有分鑄法、焊接法等工藝。無論哪一種方法，學生實施起來都有很大的難度。這時，大家想到了應用3D打印技術設計并打印出青銅器模型。

學生經過小組討論確定了器型及器物功能，并進行了設計圖的繪制，對器型長、寬、高數據的設定為3D建模做好了準備。前期的三維建模相對簡單，在塑形的過程中，學生很容易實現空間的想象，直觀地體驗直角坐標系中物體的建立過程，會對三維數據和結構有更深刻的認識。學生對“線生成面，面生成體”的原理有一個接受的過程，但只要實際操作幾次后就將這一過程內化了。這種內化正是個體空間感形成的一種方式，有利于后續平面及立體幾何的學習。學生在觀察中發現，3D打印的過程實際上是一種立體繪制，是將熔解后的材料依據預先建立的坐標數據重塑的過程，涉及多種化學和物理交織的成型方法，最常見的是“熔積成型”和“激光燒結”，當然還有更多的堆疊技術，這些對材料的選擇及熱熔方法的探討會讓學生對物質的物理、化學性質產生更多的興趣[3]。

2.傳統文化之簪釵、宮燈、射藝

學校初二年級的綜合實踐課程以傳承傳統文化為大主題，由學生自主選擇題目進行研究性學習。學生分組自定了三個主題：簪釵文化、宮燈文化及射藝文化。簪釵文化研究小組探索新時代女子審美及成人禮文化，考察并傳承傳統發簪的設計與制作，開發符合新時代氣質的新式發簪。宮燈文化研究小組從燈文化入手，探究如何在生活中更好地傳承中國傳統燈飾文化，研發集聚宮燈氣質的新式生活產品。射藝文化研究小組通過新式弓箭與新射藝文化活動的研發，繼承和發揚傳統射藝文化中“君子修德”的文化精髓。

這三個研究小組在研究的后期都不約而同地想到了利用3D打印技術進行創作。簪釵文化研究小組利用3D打印技術創作出了蘊含現代元素的古典發簪，這些精美獨特的發簪受到了同學們的喜愛，還吸引了教師和家長們。宮燈文化研究小組利用3D打印技術創作出了多款個性化宮燈，有按季節變換圖案的四季宮燈，有一直旋轉圖案的走馬燈……這些宮燈全部是由3D打印機制作的結構零部件組裝拼接而成的，無需模具和后期加工處理，可直接使用，將以往復雜、多線程的宮燈制作流程大大簡化了，并且作品也很精美。射藝文化研究小組利用3D打印技術制作了適合引入學校的安全弓箭，為了達到安全目標，學生們進行了三次改良。

綜合實踐活動課注重學生的探究過程，使學生在體驗動手制作“產品”的過程中，提升創造力和綜合運用跨學科知識解決問題的能力。而應用3D打印技術可以實現虛擬世界與實體世界的有機結合，使學生的創新能力和動手實踐能力得到訓練，將學生的創意、想象變為現實[4]，也使綜合實踐活動課程得到進一步優化。

三、鼓勵參與競賽活動，發展科學素養與團隊協作能力

STEAM教育鼓勵學生動手完成自己感興趣的并且和自己生活相關的項目，在過程中學習多學科知識，并使跨學科的綜合能力得到提升。除了課堂教學以外，學校還積極組織學生參加各級各類STEAM競賽。與學科類競賽的標準化考核相比，STEAM競賽的最大特點就是“不確定性”，而3D打印技術由于使用工具少、建模快、組裝式等特點在競賽中得到了廣泛應用。學生在競賽活動中既熟練掌握了3D打印技術，又提升了科學素養。

學生參與積極性最高的是“北京市中小學生科技創客活動”，2018年參賽的團隊取名為“我們開車不掛檔”，由高一年級的6名學生組成。在參賽過程中，六名成員協調合作、并肩作戰，發揮了無限的潛能與創造力。當團隊獨自設計的賽車構件及車殼利用3D打印技術得以呈現時，當經過集思廣益完成一輛炫酷的MEV機動電能車的拼裝時，隊員們體驗到了滿滿的成就感并更加自信。擔任團隊工程師的學生說道：“作為團隊工程師，我在此次比賽中收獲頗豐。現在我可以熟練地操作3D打印機，雖然在學習的過程中多次失敗，但還是希望能達到打印成型的那一刻。通過這次比賽，我看到了未來科技的走向，也看到了我的問題和漏洞，所以我決定向老師學習各種新技術，完善漏洞，為團隊再創輝煌。”

學生們通過參與STEAM競賽，不但提升了動手實踐、解決實際問題的能力，也培養了團隊協作能力。比賽結束后，作為團隊經理的學生感慨道：“從初冬時節的整裝待發到十二月份載譽而歸，在這一個月的時間里，我們收獲了友情，見證了奇跡。我至今依舊清晰地記得在那間小小的科技教室里，大家沒日沒夜地擺弄著3D打印機和打印材料，耳畔響起的是大家熱烈的討論聲。我能真實地看到大家在這輛小車上所傾注的心血。”

各級STEAM競賽活動豐富了學生的學習生活，拓寬了學生的視野。尤其是對一些在以往學科學習中很少獲獎的學生來說，在STEAM活動中體驗到的愉悅，用3D打印出成果后的興奮和滿足，以及班級、學校、家庭和社會對他們創作成果的肯定與贊賞，極大地鼓舞了他們，激發了他們的自信心和探究能力[5]。這些競賽活動進一步促進了學生像科學家一樣思考，像工程師一樣設計和實踐，發展了獨立思考和自主實踐的能力，全面提升了科學素養和團隊協作能力。

四、總結與反思

應用3D設計及3D打印技術，極大地拓寬了STEAM教育的思路。首先，學生在設計作品的時候，不再受標準化零件的限制，而是通過3D創意設計軟件定制更加個性化的零件。其次，在3D設計過程中，只有充分運用多學科知識才能實現精準打印，正貼合了STEAM教育培養學生跨學科思維和實踐能力的宗旨。同時，3D打印技術涉及的數理化知識不僅會使學生體會獲取的興趣、直接的觸感，更會為學生增加學習的動力[6]。

通過幾年的應用與實踐探究，學生們認識到STEAM活動中所要求的創造、設計、建構、發現、合作都可以通過3D打印技術來呈現。3D打印技術可以把學生天馬行空的創意打印出來，讓學生的創新思維和創造力得到釋放，真正做到讓創意、設計、制作、展示融入教學，極大地激發了學生創意實踐的積極性。以3D打印為載體進行STEAM教育，將科學、數學、技術、工程和藝術各個領域的知識很好地結合起來，對培養學生創新意識，提高學生解決實際問題的能力發揮著重要作用。

參考文獻

[1]丁焱.中小學開設3D打印課程的意義[J].中國現代教育裝備，2014（14）：84-85，88.

[2]吳積軍.STEAM教育與綜合實踐活動課程[N].中國財經新聞網，2019-01-19.

[3][6]李劍鳴，周競超.3D打印技術與學科融合中的應用與探索——以綜合實踐課《探秘青銅器》為例[J].課堂內外：教師版，2017（6）：76-77.

[4]蜂巢積木.3D打印在學校教育領域的運用[EB/OL].http：//baijiahao.baidu.com/s？id=1599429790617496491&wfr=spider&for=pc

[5]宋德智.STEAM教育對學生科學素養提升的調查報告[EB/OL].http：//ghb.xzedu.net.cn/27602/archives/407267.aspx

（責任編輯? 郭向和）