基于STEM理念的小學3D打印教學探索

陳燕純

【摘要】將STEM教育理念融入小學3D打印課堂中能夠激發學生學習的興趣，培養學生的創造性思維，提升學生的設計能力、問題解決能力和團隊協作能力。因此，本文先闡述STEM教育理念的內涵，說明小學3D打印課程教學的現狀，再分析STEM對小學3D打印教學的意義，最后提出基于STEM理念的小學3D打印教學的活動設計流程，融合科學、技術、數學、工程四個范疇，設計3D打印教學案例活動。

【關鍵詞】3D打印;STEM;學科融合

一、STEM教育理念的內涵

STEM分別代表著科學、技術、工程和數學四門獨立的學科領域，但STEM教育并不局限于四個獨立學科的學習，它更關注的是四個學科之間的整合，強調學生的實踐參與過程，及解決實際問題的能力。其次，我們應該認識到，STEM教育的范疇在不斷地延伸。如2013年8月，中國第一屆中小學STEAM教育創新論壇在浙江溫州中學舉辦，STEAM中的“A”即藝術（Arts）。因此，STEM教育旨在通過跨學科學習的方式，發展學生的批判性思維、團隊協作能力和問題解決能力。

二、3D打印課程教學的現狀

3D打印技術火遍全球，它是以數字模型文件為基礎，通過逐層噴射可黏合材料制成實物模型的技術。這一技術的創新及應用將顛覆傳統制造業，使眾多領域發生深遠變革。在教育領域，有趣的3D打印課程走進校園，為教學實踐帶來了創新的思路和方法，成為學校特色課程的一大亮點。目前，很多學校的3D課程教學僅僅停留在對建模軟件的使用操作層面，雖然也能產出一些精美的設計作品，但缺乏對學生的真實體驗和參與式過程，學生的設計思維、團隊協作能力和問題解決能力難以得到提升。

三、STEM對小學3D打印教學的意義

（一）激發學生的探索欲望

3D打印技術幫助學生將創意想法變成現實，極大地吸引著學生的興趣。融入STEM教育理念的3D打印教學，從真實的問題情境出發，學生在情境中思考問題的解決辦法，并嘗試運用3D打印設計將想法實物化，激發學生的探索欲望。

（二）提升學生的設計能力和問題解決能力

3D打印教學重視培養學生的設計思維，指導學生設計出創意作品。融入STEM教育理念的3D打印教學，強調跨學科知識的融合與主動建構知識，這要求學生在設計作品的過程中，能夠從科學、技術、工程和數學等多個學科去分析問題，并主動建構出解決問題的創意模型，迭代優化3D創意設計作品，從而提升學生的設計能力和問題解決能力。

（三）培養學生的STEM素養

融入STEM教育的3D打印教學，選取生活中的真實情境問題來設計教學內容，關注學生的學習過程性的實踐體驗。學生在學習中獲取得情感體驗、跨學科技能和解決問題的能力，比結果更重要。教學過程注重引導學生對科學、技術、工程和數學的知識建構，關注學生的體驗經歷，培養學生的STEM素養，即科學素養、技術素養、工程素養與數學素養等。

四、小學3D打印教學融入STEM教育理念的活動設計

（一）基于STEM理念的小學3D 打印教學設計流程

筆者將STEM理念應用于小學3D打印教學新模式的探索，通過對課程教學流程再造，優化與調整課堂教學過程。通過課程的學習，引導學生積極思考、樂于實踐，形成批判性思維、反思與評價行為，形成責任擔當、關懷、分享等品質，培養學生的溝通協作、創新創造和解決問題的能力。基于STEM理念的小學3D打印教學過程如圖1所示，教學環節包括：1.創設情境，提出問題;2.分析問題，制定方案;3.三維建模，融合創新;4.分享評價，迭代完善。

（二）《設計登山必備神器》教學案例

筆者以“設計登山必備神器”為例，學生使用3D One軟件設計一款登山神器，通過STEM分析探究，從科學、技術、工程和數學等角度考慮作品設計，在設計登山神器的活動中，掌握3D One軟件的基本實體、移動、吸附功能等命令工具，同時激發學生的創造性思維，提高學生的設計能力、問題解決能力和團隊協作能力。

（1）環節1：創設情境，提出問題

教學的第一個環節是創設情境，提出問題。新課程強調以人為本，回歸生活，注重發展的教育理念。在教學中，創設真實的問題情境要注意兩點：一是情境要從學生的生活實踐出發，基于學生的認知背景;二是要重視學生的情感體驗，用情感激發學生的學習欲望。這樣才能形成有意義的學習。

登山是大家都熟悉的一項運動，但很多人都不懂得科學登山的方法，以致于在登山中容易受傷。因此，在學習3D One的基本實體、移動和吸附功能等命令工具時，筆者從學生熟悉的登山運動出發，播放“54歲登山膝蓋險報廢”這一真實的新聞報道，激發學生的同理心，從而主動去探索和發現問題：如何設計一款合適的登山神器，才能夠減輕膝蓋承受的重力，減少膝蓋磨損，讓登山無傷。

（2）環節2：分析問題，制定方案

教學的第二個環節是分析問題，制定方案。STEM教育旨在培養學生的跨學科素養，學會綜合運用科學、技術、工程和數學等多學科知識去解決問題。而有效的提問可以驅動學生積極主動地參與到學習過程中，分析和探索問題的解決方案。

在本環節中，筆者借助STEM探究單，如圖2所示，從科學、技術、工程和數學等多學科的角度，分別提出設計登山神器會遇到哪些問題？比如，從科學的角度提問：登山時，肢體是如何運動的？科學登山有哪些技巧呢？從工程的角度提問：要減少登山杖與地面的沖擊力，應該如何改進登山杖的結構呢？由此驅動學生的深度學習。學生通過思考、分析和資料搜索，繪制設計草圖，確定問題的解決辦法，制訂跨學科解決方案。在此過程中，培養學生的創造性思維和STEM素養。

（3）環節3：三維建模，融合創新

教學的第三個環節是三維建模，融合創新。此環節的教學任務是指導學生將制定的方案落地，學生需掌握3D One的基礎技術知識，再根據設計方案，進行建模，將想法轉化為三維實體。在創新設計的過程中，學生需要考慮到設計的外觀、尺寸和結構等問題，在實踐中學會對知識的融合創新應用，提升STEM素養。當然，學生可以通過3Done社區的線上資源尋求更多的技術支持，滿足產品設計的個性化技術需求。

在《設計登山必備神器》的教學中，首先，通過教師的示范演示，學生學習3D One軟件基本實體、實體的移動、實體的縮放以及實體之間的吸附功能。演示實體移動功能，掌握點到點移動和動態移動的操作技巧及使用區別。演示實體的放大縮小功能，掌握均勻縮放（等比縮放）和非均勻縮放（非等比縮放）的使用。演示吸附功能的使用，讓學生更明白吸附功能比移動有更加精確的對齊。接著，學生根據繪制的草圖和制定的方案，進行融合創新設計，重點關注登山杖的結構、高度和形狀。最后，還能借助3D One線上資源獲取更多的技術方法，實現產品的個性化設計。在本環節中，重點培養學生的技術素養、工程素養和數學素養。

（4）環節4：分享評價，迭代完善

教學的第四個環節是分享評價，迭代完善。評價的主要目的是激勵學生熱愛學習，既關注學生的學習結果，更重視學生學習過程表現出來的情感與態度。因此，在本環節，評價是多元的，體現在教師評價、學生互評和自我評價;評價又是多方位的，體現在STEM素養評價、小組協作默契度、作品難度和學習過程積極性程度等。在此，教師要做兩件事情：一是為學生搭建成果展示與經驗交流平臺。小組協作分工，共同對作品進行展示和分享，主要闡述作品的設計思想、難點問題解決方法、收獲和反思。二是通過教師評價，及時反饋學習過程中存在的問題與不足。最后，鼓勵學生根據評價反饋，對作品進行迭代完善。同時，將作品分享到3D One共享空間，在全國范圍內進行現在的展示交流。

筆者將STEM理念融入小學3D打印教學活動，讓學生從真實的問題情境出發，經歷了“發現問題、分析問題、制定方案、解決問題和迭代修正”的問題解決過程，激發學生的探索欲望，提升學生的設計能力和問題解決能力，培養學生的STEM素養。

參考文獻：

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責任編輯? 楊? 杰