STEAM教育理念下小學3D打印教學實踐探究

喻蓉蓉

【摘 要】STEAM教育作為一種培養未來綜合性人才的教育模式和教學趨勢，已經在國際上掀起了一股STEAM教育熱潮。3D打印作為一種融合多學科領域的新興技術手段，為STEAM教育的發展提供了良好的技術平臺。通過3D打印技術課程的設置與教學實踐活動，將STEAM教育理念根植于教育教學改革之中，以期最大程度上實現各學科交叉融合，培養具有綜合科技素養和深度創新能力的人才。

【關鍵詞】3D打印;STEAM;教學實踐;學科融合

近年來，國際社會興起的STEAM教育熱潮，受到了廣大教育者的廣泛關注和支持。2017年2月，教育部頒布《義務教育小學科學課程標準》，明確提出STEM是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，旨在以科學、技術、工程與數學四門科學的有機融合來培養學生的創新意識和創新能力。由此可以看出，我國對跨學科教育教學的重視和認可。

3D打印作為一種新興技術，在工業設計、建筑、航空航天、醫療等各學科領域發揮了重要作用。隨著“桌面級”3D打印機的普及，3D打印技術也逐漸走進教育領域，走進學校。目前，3D打印技術在基礎教育領域還處于起步階段，有關該技術在基礎教育領域的深入研究也相對較少。因此，關于如何讓其發揮應有的教育價值，仍是值得研究和探討的問題。

3D打印技術與STEAM教育的共通性

將STEAM教育與素質教育相結合，并應用于小學教學中具有十分重要的意義，但在實際的教學過程中，STEAM教育理論往往找不到切實的執行方案，在具體的實施中缺乏有效的技術支撐平臺。3D打印技術憑借自身的特點與STEAM教育在理念上存在諸多共通性，有助于STEAM教育的推廣和實踐。

1.3D打印技術基本要求與STEAM教育理念相契合

STEAM教育理念改變了傳統的教育理念和思維方式，以多學科整合的教學方式，注重過程和實踐，以真實問題為導向，強調知識與能力并重，倡導做中學，引導人們探索新型的教學方式[1]。

3D打印作為一個跨學科領域的技術，需要多個學科，如科學、數學、物理、地理、美術，甚至工程等領域的知識支撐。因此，教育者需要有比較高的綜合理論素養，還需要靈活掌握3D打印技術的操作技巧，才能帶領學生進行融合多學科知識的創意設計，在實際操作中有效解決學生的問題或為其提供有效的問題解決方案。

2.3D打印技術的作用與STEAM教學宗旨相契合

STEAM教育旨在培養學生的問題解決能力、團隊合作能力、設計能力和實踐創新能力，從而培養具有綜合科技素養和創新能力的人才[2]。

3D打印技術作為一種教學資源和輔助工具，可以培養學生觀察、分析、操作、交流、創造、體驗、分享等多方位的能力，幫助學生掌握數字化創造的基本技能，進行創意設計，提升綜合素養、實踐操作能力以及團隊合作意識，培養學生的創新實踐能力。

3.3D打印技術的實施過程與STEAM教學策略相契合

STEAM教育通過借助基于設計的學習、基于項目的學習和探究性學習等學習方式，培養學習者解決實際問題的能力[3]。

3D打印技術課程都是基于現實中真實問題的設置，以個人或者小組為單位完成該項任務，以解決實際問題為導向，重視學生設計思維的培養，留給學生開闊的創作空間，激發學生發散性思維，讓學生主動融入其中，獲得綜合能力的提升。

3D打印技術在教學過程中的探索與實踐

STEAM教育理念強調多學科融合，鼓勵學生以多維度、多視角的方式學習新知，3D打印為STEAM教育的實現提供了可能。本文正是基于多學科融合的STEAM教育理念，并結合我校信息化環境，將3D打印技術引進課堂，作為我校的特色課程，進行了深入研究，以期為學校課程建設提供一定的參考。

1.3D打印課程教學設計與實踐

在教學分析的基礎上，以STEAM教育理念為指導，充分考慮各學科之間的融合，同時考慮學生基礎能力，在橫向整合，即跨學科整合模式的同時，注重縱向整合，即學生的認知水平。隨著學生年齡的增加，不斷增加知識廣度和深度，逐步提高學生的綜合素養和實踐能力。以下通過幾個課堂教學設計實例，體現各學科的橫向整合和縱向整合。

（1）與語文、數學、信息技術學科的融合

以“3D名片”課堂教學設計為例。3D名片的設計比較簡單，適合剛開始接觸3D打印的三年級學生，該年齡段的學生雖然已經具備一定的語言能力和思維能力，但較四、五年級的學生還有一定差距。因此，為該年齡段學生設置3D名片教學內容。將姓名打印成3D名片，將學生姓名等基本信息通過立體的形式呈現，是一種培養自我意識的過程，名片設置大小和參數，有助于學生對數學度量單位的理解由抽象轉為具體。后期還可以再進行古詩詞的3D打印教學，增強學生對文學的興趣。

（2）與美術、語文、科學、信息技術學科的融合

以“漂亮的燈”教學設計為例。通過對人類利用光源的歷史進程的講解，使學生掌握光學的基本科學知識。通過中國古代燈具的圖片資料、外國及現代燈具的欣賞，讓學生感受各國的藝術設計風格，從審美的視角出發，使用3D打印筆繪制形狀各異的燈，感受燈的功能美與裝飾美，進而發展形象思維，培養學生的造型表現能力。該課程可根據學生的年齡，把握各學科的縱向深度，逐步提升學生的綜合能力。

（3）與科學、語文、美術、數學、信息技術學科的融合

以“立體的橋”教學設計為例。該課程適合高年級學生的學習，通過對橋梁的種類學習，了解基本的物理力學常識，橋梁的工程設計模式。通過對中國古代著名橋梁和現代橋梁的認識，感受建筑藝術的美。在數學方面，了解橋梁模型和實際橋梁的比例、角度、視圖等知識。讓學生從審美與實際應用的角度出發，使用3D打印軟件繪制橋梁模型，培養學生發散思維和工程設計能力。

通過對古今中外著名橋梁的圖片或視頻的欣賞，從不同的角度去觀察橋梁的立體構造，了解橋梁的種類和基本結構。然后，讓學生以小小橋梁設計師的身份，在建模軟件中，以小組為單位，設計屬于自己項目組獨特風格的橋梁。高年級學生各方面思維和知識儲備均有所加強，在兼顧橋梁創意想法外，還應考慮橋體的結構和平衡，在小組合作討論出一個總體方案后，進行分工協作，設計橋體的各個零部件。以小組合作方式完成一個大的項目，有助于培養學生團結合作的意識。3D打印一座“真正”的橋梁，結構件的設計比較復雜，要充分考慮到構件結構和尺寸的匹配問題，每一個連接點都很重要，不能產生任何疏忽，否則會導致橋梁模型的失衡。學生經過不斷地嘗試與修改，才能筑起一座橋梁。

3D打印技術課程采用項目式的探究型學習方法，基于現實中真實問題，通過創設情境，引出問題，進而引導學生個人或小組展開討論、合作完成任務。最后，運用3D打印機打印作品，將虛擬的、抽象的三維視圖轉化為現實中三維真實物體。不僅能加深學生對3D打印技術的認識，同時也能加強學生對自我創造能力的肯定，獲得一種成就感。

2.3D打印課程教學實踐效果

（1）在拓展學生知識能力方面

在3D打印教學過程中，時刻體現著STEAM的教育思想，由于融合了科學、語文、數學、美術、信息技術等多門科學知識，將所學知識加以結合應用，拓寬了學生的知識體系。另外，通過3D打印技術可以把一些抽象、復雜的知識設計成具體的實物模型，從而呈現出清晰直觀的視覺效果，提升了學生空間思維能力和實踐操作能力。

（2）在激發學生創造性思維方面

3D打印技術教學是一種項目學習方式，對于項目的實施過程完全持開放的態度，學生針對某個任務可以不拘泥于某種形式，充分地發揮空間想象力和創造力。也就是說，學生在3D建模過程中，可以從不同的角度去構建自己的“自由王國”。因此，可以最大程度上激發學生創造性思維，培養創新型人才。

（3）在營造學習氛圍和學習體驗方面

3D打印技術本身就是一種新穎的教學資源，蘊藏著極其廣闊的知識，學生可以自由地在其中汲取。學生在學習的過程中，不會感覺枯燥無味，時刻能感覺到學習的樂趣。在實際的教學過程中，學生之間、師生之間的互動充足，課堂氣氛活躍。學生通過抽象思維、空間思維實現具體物質的呈現，獲得輕松而富有成就感的學習體驗。

3D打印技術作為一種創新工具，為STEAM教育提供了豐富的教學資源和技術平臺，將STEAM教育引入3D打印技術教育過程中，打破傳統的教學模式的束縛，將各學科領域知識有機結合為一體。教師不僅可以根據學生能力，自由加載設計不同難度的課程，而且可以給予學生開闊的思維創作空間，培養學生感知能力與空間想象能力。積極開展3D打印教學實踐，推動STEAM教育理念的具體實施，有助于培養21世紀具有綜合科技素養和創新能力的人才。

鄭賢. 基于STEAM的小學《3D打印》課程設計與教學實踐研究[J]. 中國電化教育，2016（8）：82-86.

鐘柏昌，張麗芳. 美國STEM教育變革中“變革方程”的作用及其啟示[J]. 中國電化教育，2014（4）：18-24.

傅騫，劉鵬飛. 從驗證到創造——中小學STEM教育應用模式研究[J]. 中國電化教育，2016（4）：71-78.