STEM理念下培養學生創造力的3D打印課程實踐研究

梁志紅

［摘? ? ? ? ? ?要］? 培養創新型人才是新時代育人的使命，而STEM教育理念融入3D打印課程是提高學生創造力的有效途徑。在STEM教育理念下，構建以“迭代”3D模型設計為核心、“逆向”問題探究設計為輔助的3D打印教學流程，通過情境引入、問題探究、模型設計、作品打印和分享評價等環節，構建培養學生創造力的3D打印課程教學范式，收到了良好的效果，希望對同行有一些借鑒意義。

［關? ? 鍵? ?詞］? STEM理念；3D打印課程；實踐研究；教學設計

［中圖分類號］? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文獻標志碼］? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文章編號］? 2096-0603（2024）04-0057-04

一、問題提出

創新是民族發展的動力源泉，我國要實現從“中國制造”向“中國智造”的轉變，創新人才的培養是核心所在，教育要重點關注如何激發和培養學生的創造力。“創造力是根據一定目的，運用一切已知信息，產生出某種新穎、獨特、有社會價值或個人價值的產品的智力品質[1]。”3D打印課程著眼于培養學生的科學精神與創造實踐能力，通過把想象和設計變成現實的造物過程，具有培養創造力的天然優勢。STEM教育是科學、技術、工程、數學等多學科融合的綜合教育，是多學科交叉融合付諸教學實踐的一種嘗試與思考，以整合的教學方式培養學生掌握知識和技能，并能靈活遷移解決真實世界的問題[2]。近年來，教育研究者逐漸將其應用到STEM教育中，以此提高個體創造力。那么，STEM理念如何助力3D打印課程？又如何更好地培養青少年的創造力？本研究基于SETM理念設計3D打印課程教學設計，以《口罩防勒扣》為例，以期為基于STEM理念開展3D打印教學提供參考。

二、STEM教育理念與3D打印課程的概念界定

（一）STEM教育理念

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的簡稱，其強調多學科的交叉融合。STEM教育將四門學科有機結合，形成一個整體，以更好地培養學生的創造精神與實踐操作能力[3]。STEM教育，最初是美國為了提高全球科技競爭力所提出的創新型人才培養戰略。截至目前已超過30年，逐漸成為當今國際人才培養的新興教育理念。教育部于2016年在《教育信息化“十三五”》中明確提出要求——條件允許的地區，應該積極探索跨學科學習（STEAM教育）這種新教學模式的應用[4]。

（二）3D打印課程

3D打印技術是一種快速成型技術，以數字模型文件為基礎，運用金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印技術讓抽象問題更容易得到解決，可以激發學生對科學、數學尤其是工程和設計創意的興趣，帶來實踐與理論、知識與思維、現實與未來三方面的相互結合[5]。

（三）STEM理念助力3D打印課程的價值實現

1.促進跨學科融合

促進學科融合是STEM理念助力3D打印課程最大的特點。3D打印課程本身與多個學科有著千絲萬縷的聯系，無論是建模過程還是3D打印過程，都涉及多學科的知識，如數學知識、工程技術知識、科學知識等等。STEM理念下的3D打印教學打破了單一學科的界線，符合智能時代跨學科學習的需求[6]。在3D打印學習過程中，學生自然而然地運用了多學科知識、綜合性技能輔助自己構建模型，在滿足學習學習欲望的同時極大地激發了創造力。

2.提高學習活動的趣味性

學習活動的趣味性是STEM理念助力3D打印的一大特點。興趣是保持學生持續有效學習的關鍵，與現實生活緊密聯系的項目任務設定，讓3D打印課程迎合了學生的學習興趣。相對于其他軟件3Done建模軟件界面簡潔、功能強大、簡單易操作。學生可以快捷、輕松地完成簡單創意制作，通過“搭積木”的方式迅速完成模型建立，并且將制作成的模型通過3D打印機轉換成實物，在此過程中學生始終保持著較高的積極性，極大地激發了學生的學習興趣。

3.增加問題解決的挑戰性

STEM教育理念強調學生學習與生活實踐的結合，同樣強調教師在設計STEM項目時，應該設計基于生活的真實情景，讓學生在參與教學過程中了解所學知識與生活的聯系，提高他們將知識遷移到實際生活的能力。基于真實情景的問題解決對于學生而言是一個挑戰，而不再局限于課堂，問題的挑戰性進一步增加。本3D打印教學涉及兩個維度的挑戰，一個維度是真實問題的挑戰，另一個維度是小組間競爭的挑戰。

三、STEM理念下的3D打印課程教學流程

教學流程指一套獨特的教學結構和體現教學活動的邏輯操作順序，需要合理處理教學過程諸要素的相互關系、確定展開教學步驟的時間流程。STEM理念下的3D打印課程教學設計流程始終著眼于學生創造力的培養與提高，流程共分5個步驟，分別是情境引入、問題探究、模型設計、作品打印和分享評價，每個步驟都有各自對應的教師活動和學生活動。該流程的核心是“模型設計”，即3D模型的迭代設計；在“問題探究”步驟上，本研究采用逆向思維的問題探索設計方式；另外，在STEM理念的指導下，本研究還添加了“分配STEM學科角色”可選擇性步驟。具體教學流程如圖1所示。

（一）情境引入

教師活動：創設情境，引入需要解決的問題。教學情境指教師在教學過程中營造的情感氛圍，也指具有一定情感氛圍的教學活動。教學情境的創設有一定的原則：第一，情境的真實性。第二，情節的關鍵性。第三，情境問題的教育性和成長性。教師還需要引導學生發現問題。

學生活動：需要根據教師創設的情境，找出關鍵點，提出問題，并且回顧舊知、查閱資料，盡可能構思問題解決的方案。

（二）分配STEM學科角色

創設情境引入問題后，學生回顧舊知識并且查閱資料進行問題的初步探索，此時學生對于問題的解決有了大致的構思。教師需要組織學生進行小組討論，按照科學、技術、工程和數學四門學科分配小老師的角色，1～2人負責一門學科。

（三）問題探究——“逆向的問題探究設計”

逆向思維是將常見的已成定論的事物或觀點反過來思考的一種思維方式。在3D打印教學中，為了達到預期的學習效果，倒過來思考，從評價往上推回到學習目標，使學生不僅知道學習目標，還知道達成學習應該做到什么。逆向的問題探究設計具體步驟如圖2所示。

1.明確學習目標

教師需要公布明確的學習目標，并且引導學生厘清學習目標，使學生的學習活動始終朝著學習目標進行，時刻提醒學生集中注意力，提高學習效率。

2.確定學習依據

學習依據，即學生學習效果評價的方式、方法以及評價指標。教師需要選擇3D打印教學中可評估或者可測量的學習結果作為學習依據，例如評價量規，并且及時展示給學生，幫助學生理清學習依據。

（四）模型設計——“3D模型迭代設計”

迭代設計是一種概念、原型設計、測試和評價的循環。3D打印模型的設計不可能一蹴而就，多次循環的迭代優化是模型設計的必經之路。本研究3D模型迭代設計可以細化為5個小步驟。分別是小組討論、二維三視圖繪制、三維立體建模、組間探討和選擇性步驟的作品打印。“3D打印模型的設計”這一步驟中的幾個小步驟在實際的教學過程中，可以隨時循環，無論進行到哪一步，只要時間允許，就可以回頭重新設計。3D模型迭代設計具體步驟如圖3所示。

1.二維三視圖繪制

依據需要解決的問題，聯系3D打印的學習目標，小組討論，構思繪制目標模型的二維三視圖。

2.三維立體建模

完成二維三視圖后，在教師提供的導學案的幫助下，學習自主進行三維立體建模，完成建模后再組間探討，產生新的思路，重新優化設計。

（五）作品打印

教師活動：提供切片處理的資料，例如，導入、導出切片軟件的文件格式以及模型切片的操作步驟；完成切片后，指導學生以小組為單位完成3D模型的打印。

（六）分享評價

教師活動：組織各個小組依次進行學習成果的匯報，并且給予正面、合理的評價。

學生活動：小組作品匯報展示，匯報內容主要有作品設計理念、小組成員角色分工、迭代設計的過程、三維建模過程等；另外，各個小組還需多元化評價反饋，在自我評價和評價其他小組的基礎上及時梳理記錄，評價完成后對自己的作品進行美化完善。

四、STEM理念下的3D打印課程教學設計案例

以自編課題《口罩防勒扣》為例，通過以3Done建模軟件為依托的教學流程設計與實施，培養學生的設計和動手實踐能力。長時間戴口罩會導致耳朵負擔過重，甚至出現磨破皮的問題。圍繞口罩帶勒耳朵的問題，展開了三輪迭代學習活動，從長度、厚度、舒適度、可調節度等多個問題開展探究學習。將STEM理念融入信息技術學科，運用3Done建模軟件進行三維模型的構建。通過體驗、觀察等方法，逐步發現問題，并在問題解決的過程中培養學生的協作能力，提高其問題解決能力與動手實踐能力。

（一）情境引入

教師活動：①播放視頻，引出問題。“戴口罩時間長了，耳朵不堪重負，經常被勒得發紅、發痛，有的甚至皮膚被磨破”引出本節課需要解決的生活難題——“如何解決戴口罩勒耳朵的問題？”②展示牛奶箱提手（生活中常見的物體），引導學生結合實際物體思考解決本節課的學習任務。③與學生一起確定本節課的挑戰任務——“解決口罩勒耳朵的問題”。④展示自己制作的口罩防勒扣。

學生活動：①觀看視頻，引發思考，尋找問題的解決方法。②針對需要解決的問題，結合牛奶箱提手，構思口罩防勒扣需要滿足的實際需要，明晰問題需求，并做文字記錄。

（二）分配STEM學科角色

4～5人為一個小組，針對挑戰任務“解決口罩勒耳朵的問題”，小組成員分配STEM學科角色。A學生負責科學方面的問題，例如口罩帶為什么會勒耳朵？如何設計才能避免該問題？B學生負責工程方面的問題，例如3D打印機的使用。C學生負責技術方面的問題，例如利用3Done軟件三維建模。D學生負責數學方面的問題，例如口罩防勒扣二維三視圖的繪制。E學生負責統籌規劃與記錄，協調各個步驟的循環進行。

小組成員按STEM對應的學科角色進行分工，并不是每個人只負責一門學科，而是每個人主要負責一門學科，在這一學科中該成員相對其他成員更有見解。對于核心問題的解決需要全組成員共同探討完成。

（三）問題探究

教師活動：教師展示本次3D打印教學活動的學習目標，引導學生理清學習目標。教師展示完成本次學習任務的學習依據，例如完成所有口罩防勒扣長度、厚度、舒適度、可調節度等多個問題的迭代設計，并且使用非常舒適，則視為挑戰成功，任務完成。教師可以以提問的方式檢查學生是否理解學習依據。

學生活動：學生理解記憶明確學習目標。小組討論，理清學習依據。

（四）模型設計

一輪設計：任務一“探究解決長度與厚度問題”

教師活動：組織學生進行小組體驗探究，尋找上述口罩防勒扣存在的問題。教師組織學生小組協作，繪制口罩防勒扣第一次改良的二維視圖。教師引導學生兩兩一組進行三維建模。教師提供口罩防勒扣的3Done軟件建模過程。

學生活動：小組合作體驗。4人分工合作，2人間互相佩戴，發現問題，第3人書面記錄，第4人機動，隨時發現其他組的不同佩戴方式。前兩人佩戴結束后，與后兩人互換任務分工，再次體驗。梳理總結口罩防勒扣存在的問題。根據不同頭圍大小的人進行佩戴，計算出“口罩防勒扣”的長度；根據“口罩薄厚程度，計算出其彎曲一定角度需要的力的大小，判斷是否適合人體佩戴。二維視圖繪制：學生組內協作，繪制第一次改良的口罩防勒扣。三維模型建模：組內再分組，兩人一組進行改良后的口罩防勒扣三維建模。

二輪設計：任務二“探究解決佩戴不舒適問題”

教師活動：組織學生進行小組體驗探究，尋找第一次改良的口罩防勒扣存在的問題。教師展示多種結構的小勾，對比分析引導學生使用單側開口的小勾。教師組織學生小組協作，繪制口罩防勒扣第二次改良的二維視圖。教師提供對基本實體進行加、減運算的案例，然后師生一起進行案例的實際操作。教師引導學生兩兩一組進行三維建模。

學生活動：小組合作體驗。4人分工合作，2人間互相佩戴，發現問題，第3人書面記錄，第4人機動，隨時發現其他組的不同佩戴方式。前兩人佩戴結束后，與后兩人互換任務分工，再次體驗。發現問題：長頭發的女生佩戴時頭發很容易夾在兩邊的小勾中；口罩防勒扣比較容易掉落，佩戴不方便。根據不同頭發的長度，判斷口罩防勒扣對于頭發以及頭型的適配度。二維視圖繪制：學生組內協作，繪制第二次改良的口罩防勒扣。學生與教師一起進行實踐案例的操作。三維模型建模：學生組內再分組，兩人一組進行改良后的口罩防勒扣三維建模。

三輪設計：任務三“探究解決一扣多人用問題”

教師活動：組織學生進行小組討論，針對第二次改良的口罩防勒扣進行再探究。教師明確任務：探究解決一扣多人用問題。教師引導問題解決的思路。教師利用廢舊口罩帶的松緊進行拉伸演示，提示學生可以將口罩防勒扣做成可拉伸的，以便隨時根據實際情況調節大小。教師組織學生進行問題解決的方案制定和二維視圖的繪制。

學生活動：小組合作探究。兩兩再分，協作探究，既可以上網查資料，也可以和其他小組討論。學生小組合作梳理總結，擬定問題解決的方案。二維視圖繪制：學生組內協作，繪制第三次改良的口罩防勒扣。三維模型建模：學生組內再分組，兩人一組進行改良后的口罩防勒扣三維建模。

（五）作品打印

教師活動：提供切片處理的資料，例如，導入切片軟件的文件格式、導出切片軟件的文件格式、口罩防勒扣模型切片的操作步驟；完成切片后，教師指導學生以小組為單位完成3D打印。

學生活動：自主學習切片處理的知識，小組合作完成3D作品的打印。

（六）分享評價

教師活動：組織學生進行挑戰是否成功的驗證。教師組織各個小組進行作品的交流分享。構思設計理念、組內角色分工、迭代邏輯順序、三維建模過程等。師生總結反思。三維建模方法、技巧等。

學生活動：小組代表匯報。學生記錄總結。從口罩防勒扣迭代邏輯順序、二維平面手繪圖、三維立體建模圖三個維度進行作品完善。

五、總結與展望

在STEM教育理念的指導下，以3D打印教學為手段，旨在培養學生的創造力，構建了以“3D模型迭代設計”為核心、“逆向的問題探究設計”為輔助的STEM理念下的3D打印教學設計流程，并依據該流程進行了3D打印的教學實踐，收到了良好的效果。

3D打印課程自身具有極強的吸引力，從無到由，從不可能到可能，它的出現使天馬行空的創意有了支點[7]。本研究只是在STEM理念下的3D打印教學設計流程方面進行了大膽的嘗試，在實踐中還有很多問題需要進一步解決，如何更好地培養學生的創造力，這也是下一步努力的方向。

參考文獻：

［1］林崇德.培養和造就高素質的創造性人才［J］.北京師范大學學報（社會科學版），1999（1）：5-13.

［2］曾育芬，黃甫全，曾文婕.論智能化時代教育科學的超學科范式［J］.電化教育研究，2020，41（1）：45-52，68.

［3］余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式［J］.開放教育研究，2015，21（4）：13-22.

［4］任友群，鄭旭東，吳旻瑜.深度推進信息技術與教育的融合創新：《教育信息化“十三五”規劃》（2016）解讀［J］.現代遠程教育研究，2016（5）：3-9.

［5］首新，胡衛平，劉斌.3D打印融入中小學STEM教育項目的設計與教學：從國外融入3D打印的典型STEM教育項目談起［J］.基礎教育，2017，14（4）：68-80.

［6］李柱，季瑜.基于3D打印的信息技術課程教學設計模式構建與實踐研究［J］.中國教育信息化，2021（6）：48-51.

［7］王萍.3D打印及其教育應用初探［J］.中國遠程教育，2013（8）：83-87.

◎編輯 馬花萍