Solid Learning Model在STEAM教育的應用研究

王雨峰　馮園

摘 要

隨著現代科學技術的發展，3D打印已經成為深受教育界歡迎的重要技術，被稱為創客教育的“三劍客”之一，基于3D打印技術形成的行塑學習模型（Solid Learning Model）也成為教學改革研究熱點。本文根據3D打印技術特點，通過對行塑學習模型的理論研究，結合3D打印技術在創客教育的應用，創設可供師生設計與參與的優質項目，為其提供深層次的體驗活動，探索行塑學習模型在STEAM教育中應用的有效途徑，推動“做中學、做中創”，極大激發師生學習熱情，實現跨學科創新學習與思考，進而培養其創新思維、空間想象及創造設計等綜合能力。

關鍵詞

3D打印技術;行塑學習;Solid Learning 教學;STEAM教育

中圖分類號： G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.046

0 引言

3D打印技術屬于快速成型技術的一種，建立在數字模型的基礎之上，通過把粉末狀塑料（常見有ABS和PLA材料）或金屬等材料，按模型參數逐層疊加，實現物體建構。3D打印技術具有快速制造、三維集成、完全再現及零廢棄的最優經濟性等特點，目前已經在航空航天、工業制造、機械加工、建筑、醫學、文化藝術等眾多領域取得重要應用。

隨著3D打印技術的快速發展，創客教育越來越受歡迎，進而促進STEAM教育理念發展及推廣。[1]2012年，基于3D打印技術的行塑學習模型（Solid Learning Model）由美國學者拉尼柯克.豪斯曼率先提出，該教學方法推動教育改革創新，讓教學變動更加直觀、生動而真實，促進師生更加及時有效互動，提供豐富的沉浸式學習和立體化的思維，有效培養創新精神。

1 核心概念

1.1 行塑學習模型（Solid Learning Model）

Solid Learning Model是在體驗式學習理論基礎之上的升級，通過把3D打印技術和數字制造技術引入傳統課堂，為學生提供了沉浸式學習，創造了個性化、交互性和情境性等豐富多彩的教學方式，激發師生學習熱情，提高學生參與度。

1.2 STEAM教育

STEAM教育指五個學科的融合教育，具體包括有科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）和藝術（Art）。該教育理念由美國人在20世紀80年代提出，得到奧巴馬的大力支持，在中小學得到廣泛應用推廣，對課程融合、綜合教育起到積極推動作用，為學生培養了動手實踐、改革創新及跨學科綜合運用能力。[2]

STEAM教育首先打破傳統學科教育的隔閡，強調跨學科知識融合，重視學生親自去體驗與實操的過程，旨在把知識運用到實踐中;其次，通過開展項目化學習過程，實現“做中學、做中創”，培養學生發現問題、分析問題及解決問題的能力;最后在學以致用的過程，培養學生的創新精神，促成實踐創新的教學目標。

2 理論依據

創新能力是一種創造新穎和適切工作的能力，本質上培養的是一種精神，具體包括探索未知、發現及挖掘新事物、主動學習并掌握新技術及新方法，在此基礎上做到靈活運用所學知識、創新思維、分析及解決現實生活真實問題。

創新能力的培養主要有三個因素：

1）教師直接或間接鼓勵行為的影響。教師支持鼓勵學生開展積極有效創新實踐，學生發揮個人主觀能動性，創新學習的過程。

2）培育主動學習、積極探索的學習氛圍，這是培育創新能力的重要因素。教師應高度關注并鼓勵學生主動參與的勇氣，讓學生在一個開放包容、多元化的學習環境中，可更好調動其學習熱情及創新能力。

3）創新需要有效交互性活動。傳統教學局限于教室空間，隨著現代信息技術發展，更多虛擬學習與3D技術都為創造交互學習環境做出重要貢獻。

行塑學習模式是一直高度沉浸時的學習方式，相比傳統教學，學生可以獲得更多參與機會，以培養創新能力。

1）個性化學習。傳統教學僅提供選擇空間，本質上屬于“被動式”的個性化教學;相比而已，行塑學習為學生提供更多可能性，借助3D打印技術讓任何設計可以快速變為現實，學習充滿立體感和深度感，讓學生更愿意去嘗試不同的個性化效果，由此推動個性化氛圍營造，激發學生學習興趣，提高其自信心，實現創新思維的培育。

2）交互性學習。社會建構主義理論認為，學習應該是學生與環境相互作用，相互影響的建構。教學過程是幫助學生學習掌握知識，解決關鍵問題的過程，而任何問題的真正解決離不開團隊的相互協作。行塑學習提供豐富的團隊協作任務，每一個項目的設計、制作都需要團隊相互支持，共同協商確定解決方案。最終實物成果也是方便相互學習，從二維升級到三維空間，創造更多交流空間，促進思維分享和行為互動。

3）情境學習。基于建構主義的認知理論，情境學習的當代學習理論最重要的核心，在做中學的效果是最好的。在情境中的實踐應用，有助于知識的創新與應用。行塑學習創造了真實豐富的情境，相比傳統的抽象知識的學習，通過設計實物模型將知識與動手實踐有機結合，促使學生獲得愉快的學習體驗，幫助學生革新思維去完成學習任務。

4）跨學科學習。行塑學習在提供感知沉浸學習的同時，對學生提出跨學科要求，需要綜合運用數學、藝術、工程、科學等多學科的知識，來綜合解決實際問題。從理論研究到設計、從三維模型到實物，整個過程都有利于培養學生的跨界能力，尤其是跨越學科邊界獲取延伸、拓展和遷移能力。

3 應用研究

3D打印技術應用包括3D設計建模和3D打印輸出兩個部分，3D打印輸出只是把創新設計的3D數字模型進行實體化的過程，而3D設計建模才是3D打印技術的關鍵環節。因此基于3D打印技術開展STEAM教育的核心是三維創意設計，即以三維軟件和3D打印機應用為主的課程。

1）3D打印的創造性

3D打印的創新首先在于使用的“墨水”不同。傳統打印使用的普通墨水（包括激光和噴墨打印）完成是平面的打印，而3D打印需要完成空間三維的打印，就必須使用不同的材料，常用有ABS和PLA。ABS樹脂全稱是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，英文名Acrylonitrile Butadiene Styrene，具有較高強度及韌性，易于加工成型，屬于熱塑型高分子材料;PLA再生塑料全稱是聚乳酸，英文名Polylactic acid，由于該材料使用是可再生的植物資源，由其淀粉原料加工而成，可在自然環境中實現生物見解，屬于環境友好材料。這些固體材料通過電腦程序控制，在打印頭中加熱變成液體后擠出，在空氣中迅速冷卻后又變成固體，像春蠶吐絲一樣通過層層堆積，最后由3D數字模型轉變化為3D固體模型，完成了3D打印任務。另外還有像普通塑料、尼龍、石蠟、食材、紙、水泥、金屬或陶瓷的粉末等都可以作為3D打印機的“墨水”。

在STEAM教育中，3D打印技術幫助師生把創意和想法變為現實，可用于各個學科的教學中，把具體知識點或問題轉變為生動、立體的3D打印作品，基于Solid Learning 教學，讓3D打印技術與各學科教學緊密聯系在一起。例如在基礎學科中，把語文、英語中典型人物、代表建筑打印成實物模型，幫助學生更好理解故事情節與人物感情;把數學中立體幾何模型打印出來，幫助學生更好學習了解三維空間的結構;把物理中抽象的磁場、電力結構圖形打印出來，把無形抽象的知識有形化;把化學中3D分子、原子模型，實現微觀粒子結構實體化;把生物中細胞、病毒、器官等打印出來，讓不能直接看到的內容樣本化;把歷史中有考古意義的古代器物復制出來，方便進一步的觀察和研究;把地理中真實的地勢圖和人口分布圖打印出來，幫助學生更直觀地分析地形及人口分布;把美術中藝術品打印出來，提升學生對美術作品鑒賞能力。[3]而在專業課程中，3D打印技術可以發揮更大的價值，比如在機器人制作課程中可打印自己設計出的機器人配件，根據自己的想象發明一臺新型機器人;在無人機維修課程，可以根據需要自行定制零部件，實現個性化創意作品。[4]

2）基于3D打印的行塑學習模型

隨著無人機、人工智能及大數據技術的快速發展，創客教育深受學生及家長的青睞，3D打印技術由快速成型、逆向工程和三維設計組成，已經成為創客教育重要組成部分，為學生的創新學習提供更多可能。因此，基于3D打印開展行塑學習教學，首先是創設項目情境，問題源自生活及實踐需要，有一定針對性，學生在教師引導下，以小組合作的方式，開展探究式學習，分析問題，查找資料，團隊交流協作，共同提出解決問題的方案，總結思考不斷改進，進而完成更好作品。整個教學過程中教師為引導，學生為主體，強調由學生親自操作，通過3D打印過程獲得最有效的學習體驗，幫助學生開展好自主化學習、組織豐富多彩的個性化及探究式學習，獲得分析及解決問題的能力，學會辯證思維，提高專業技能，提升創新創造能力等。[5]

為了促進資源共享，建立3D模型資源平臺，提供常用技術支持，比如2D轉3D、3D積木、3D浮雕等，讓三維建模變成簡單輕松的事情，讓設計的過程變得更加輕松愉悅;同時有助于思想碰撞，產生更多創意與優秀作品。

3）創新評價體系

教學模式的改革創新必然推動教學評價的創新，因此根據教學過程及思維層次制定合理評價體系。學校層面從學校整體創新環境、學生創新能力、創新學習特點、教師創新教學等方面來綜合評價學校創新指數。教師層面從教師師德、教學能力、教育創新、科研能力等方面綜合評價教師專業發展。學生層面從品德素養、學習素養、創新素養等方面綜合評價學生個體發展。

4 結束語

創客教育把信息技術融入傳統學科教學，創新開辟了新的教育園地。在3D打印技術能夠將電腦里的虛擬3D數字模型快速地打印出3D實物模型功能的支持下，行塑學習模型（Solid Learning Model）為STEAM教育提供了豐富實踐，從“思”到“造”再到“創”，讓學生的想象變為現實，讓其在主動參與創新與設計的過程中，充分發揮想象力與創造力，認真細致地分析所建造三維模型，利用3D打印機最終實現個性化作品創作，并反饋于現代教育與教學，不僅促進3D打印技術廣泛用于教育領域的各個學科，更是在新的教學理念下，為新時期教與學的改革提供示范與引領。

參考文獻

[1]高勇，劉娜.3D打印與三維創意設計課程牽引下的創新課程體系研究[J].中小學信息技術教育，2016（4）：20-22.

[2]傅騫，王辭曉.當創客遇上STEAM教育[J].現代教育技術，2014（10）：37-42.

[3]童宇陽.3D打印技術在中小學教學中的應用研究[J].現代教育技術，2013，23（12）：16-19.

[4]王雨峰，馮園.3D打印在無人機維修專業教學中的應用[J].職業，2018（33）：114-115.

[5]丁焱.3D打印技術在中小學創客教育及學科教育中的整合運用[J].教育與裝備研究，2018，34（03）：20-25.