小學信息科技關于3D打印社團課程設計與實踐研究

中圖分類號］G623 [文獻標識碼]A [文章編號]2097-2539（2024）19-0056-03

在當今科技飛速發展的時代，3D打印技術如一顆璀璨星閃耀在教育領域。小學信息科技課程中，3D打印社團課程逐漸興起，現實情況并不樂觀，不少課程設計零散、實踐環節薄弱，難以充分發揮其價值。3D打印技術受到了教育領域許多專家和學者們的一致好評，他們相信3D打印課程可以滿足學生在當今社會發展的需要，傳統課堂的教學方法和教學內容必將發生改變。3D打印技術確實如報告中預測的那樣，全國各地許多中小學校陸續開展了D打印課程，投入大量資金購買3D打印機、建模軟件和課程。但隨之而來也出現了一些問題，由于3D打印課程尚未在中國形成一套完整的課程體系和統一的教學內容，部分學校教師照搬3D打印軟件說明書進行授課，缺乏一定的教學方法。但這一課程對培養小學生空間思維、創新和實踐能力意義非凡，它宛如一把神奇的鑰匙，開啟學生科技素養提升的大門。

一、小學3D打印社團課程的現狀與不足

（一）課程目標模糊與課程定位偏差

在小學的3D打印社團課程中，課程目標模糊這一問題可謂極為顯著，部分學校在對3D打印社團課程的目標進行設定時，明顯缺乏清晰性與科學性，未能切實充分地考慮到小學生的認知水平以及能力發展需求。課程目標常常只是簡略地提及培養學生的科技興趣或者動手能力，并未深入地細化至不同年齡段、不同學習階段的具體目標。譬如，對低年齡段的學生而言，本應側重于感知3D打印技術的神奇與樂趣，進而培育空間意識的初步萌芽，然而實際的課程卻可能僅是簡單的模型打印操作，嚴重缺乏針對性的引導。課程定位亦存在偏差，部分學校將3D打印社團課程單純地視作一種娛樂活動或者簡單的手工課程，全然沒有認識到其在信息科技教育體系中的重要地位。3D打印社團課程本應是融合數學、科學、藝術等多學科知識，進而提升學生綜合素養的重要載體，但在實踐過程中卻未能與其他學科建立起有效的聯系，從而孤立于學校整體課程體系外。

（二）課程內容設計不盡合理

在課程內容設計方面存在諸多弊端，內容缺乏系統性與連貫性。3D打印社團課程的內容常常呈現出碎片化的狀態，各個知識點以及實踐環節間嚴重缺乏有效的整合。例如，在模型設計環節，可能僅是簡單地讓學生模仿已有的模型，而并未能從基礎的幾何形狀構建逐步過渡到復雜的組合設計，亦沒有引導學生理解不同形狀間的空間關系以及設計邏輯。內容深度把握失當。有些課程內容過于淺顯，僅停留在表面的操作演示層面，諸如如何操作3D打印設備的按鈕、如何選擇預設模型等，難以激發學生深入探索欲。有些內容又過于深奧，遠遠超出了小學生的理解范圍，如復雜的3D建模算法和高級參數設置，致使學生在學習過程中產生強烈的挫敗感，極大地影響了學習的積極性。內容的更新速度極為緩慢，難以及時跟上3D打印技術快速發展的步伐，導致學生接觸到的知識和技術相對陳舊。

（三）教學資源匱乏且不均衡

教學資源是影響小學3D打印社團課程質量的重要因素。硬件資源不足，3D打印設備的配備數量有限，在一些規模較大的社團中，學生只能輪流使用設備，導致每個學生實際操作的時間過少，難以充分掌握打印技巧。而且設備的質量參差不齊，部分設備存在精度低、穩定性差等問題，嚴重影響了打印效果。耗材供應也不穩定，一些特殊材料或者彩色耗材的缺乏，大大限制了學生創意模型的制作。軟件資源方面同樣存在問題，合適的3D建模軟件對小學生而言十分重要，但目前市場上大多數專業軟件操作復雜，而專門為小學生開發的簡單易用的建模軟件數量有限。學校在軟件資源的獲取和更新上也面臨著重重困難，難以為學生提供豐富多樣的軟件選擇，進一步制約了課程內容的拓展和深化。

（四）師資力量薄弱不堪

小學3D打印社團課程的師資力量嚴重匱乏，教師的專業素養欠缺。在信息科技領域中，3D打印方向的專業教師數量匱乏，大部分承擔社團課程的教師來自其他學科，并未經過系統的3D打印技術培訓。他們在3D建模、打印原理、故障排除等方面的知識儲備嚴重不足，難以為學生提供準確、深入的指導，例如，當打印過程中出現模型分層、拉絲等問題時，教師難以準確判斷原因并給出有效的解決方案。教師缺乏持續的專業發展機會。由于學校對3D打印社團課程重視程度不夠，教師很少有機會參加相關的培訓和研討會，難以更新知識和提升教學技能，這導致教師在教學過程中只能采用傳統的教學方法，難以根據3D打印課程的特點和學生的反饋進行創新和改進。

二、3D打印社團課程設計與實踐的優化策略

（一）明確課程目標與精準課程定位

對小學低年級學生（ 1～3 年級）而言，課程目標被設定為簡單有趣的3D打印體驗活動，諸如打印小玩具、簡易裝飾品等，從而使學生對3D打印技術產生極為濃厚的興趣，培養其初步的空間感知能力。在空間感知能力的培養方面，務必確保學生在課程結束時，能準確地識別和描述至少5種基本幾何形狀在三維空間中的形態，并理解它們間的組合關系。對小學高年級學生（ 4^～6 年級）而言，目標則提升為能運用所學的數學、科學知識進行簡單的3D模型設計與創新，同時培養其解決實際問題的能力。例如，要求學生在完成課程后，能獨立設計并打印出一個包括至少了種機械結構的簡單機械模型，如簡易的起重機模型，并且模型設計要符合基本的力學原理。在課程定位上，將3D打印社團課程與學校的整體課程體系進行深度融合，尤其與數學、科學、美術等學科建立緊密的聯系。設定數學知識在課程中的應用占比不低于 30% ，如在模型設計中運用幾何計算和比例關系；科學知識應用占比約為 25% ，包括材料科學在耗材選擇中的體現以及力學原理在模型穩定性設計中的應用；美術知識應用占比20% ，如色彩搭配和外觀設計。這樣的方式，將3D打印社團課程從孤立的課外活動轉變為跨學科教育的關鍵環節，提升其在小學教育中的地位和價值。

（二）優化課程內容設計

針對課程內容設計不合理的問題，構建起系統且合理的課程內容體系，在內容的系統性方面，以從易到難、循序漸進的方式設計課程內容。以3D模型設計為例，先從基礎的二維圖形繪制入手，讓學生掌握基本線條、形狀的繪制方法，這個階段的教學時長應占總課程時長的 15% 左右。引導學生將二維圖形轉化為三維物體，教授拉伸、旋轉等基本的3D建模操作，此階段占 25% 時長?；诖?，逐步增加模型的復雜度，引入組合、掏空等高級操作，占 30% 時長，讓學生學習如何根據特定主題設計完整的3D模型，包括模型的功能設計和美學設計，這部分占 30% 時長。在內容深度把控上，依據小學生不同年齡段的認知水平進行分層設計，對低年級學生，將內容深度控制在以趣味性為主，操作難度較低的層面，如設計簡單的卡通人物模型，其中涉及的操作步驟不超過5步，參數設置為默認值或簡單的一兩個調整項。對高年級學生，適當增加內容深度，如在設計建筑模型時，引入比例、結構穩定性等概念，操作步驟可增加到 8^～10 步，涉及部分參數的自主調整，但參數數量控制在 3^～5 個，且每個參數的調整范圍明確，加快課程內容的更新頻率，至少每兩年對課程內容進行一次全面審查和更新，確保學生接觸到的是最新的3D打印技術和應用案例。

（三）豐富與均衡教學資源

為解決教學資源匱乏與不均衡的問題，在硬件資源方面，根據社團學生人數合理配置3D打印設備數量，按照每 5^～8 名學生配備一臺3D打印機的標準進行采購，確保每個學生每周有至少40分鐘的獨立操作時間。定期對設備進行維護和升級，保證設備的精度在±0.1mm 以內，提高打印成功率，在耗材供應上，與多家供應商建立長期穩定的合作關系，確保耗材的種類豐富，包括PLA、ABS、TPU等多種常用材料，以及紅、黃、藍、綠、黑、白等多種顏色的耗材，滿足學生多樣化的創意需求。在軟件資源方面，引入多種適合小學生的3D建模軟件，例如，選擇操作簡單、界面友好的Tinkercad軟件作為主要教學軟件，它具有直觀的圖形化操作界面，學生簡單地拖拽、組合操作就能完成基本的模型設計，降低了學習門檻。學校設立專門的軟件更新基金，每年至少投入5000元用于軟件的更新和升級，確保軟件功能的完善和穩定，搭建學校內部的軟件資源共享平臺，方便教師和學生在校園網內隨時下載和使用軟件。

（四）加強師資隊伍建設

針對師資力量薄弱的問題，多種途徑提升教師的專業素養，組織教師參加專業的3D打印技術培訓課程，培訓內容涵蓋3D建?；A知識、不同類型3D打印機的工作原理、常見故障的診斷與排除方法等。培訓時長不少于80小時，其中實踐操作環節占比不低于60% ，確保教師在實際操作中掌握技能，要求教師參加相關的在線學習課程，每月至少完成4小時的在線學習，內容包括最新的3D打印技術應用案例、教育教學方法在3D打印課程中的應用等。建立教師專業發展激勵機制，對積極參與培訓和提升自身專業技能的教師給予物質和精神獎勵，例如，設立專項獎金，每年對在3D打印社團課程教學中表現優秀的教師給予2000～5000 元的獎勵。在職稱評定、評優評先等方面，對參與3D打印課程教學并取得一定成績的教師給予適當的加分。這些措施，提高教師對3D打印社團課程教學的積極性和投入度，促進教師持續提高專業能力，為課程的高質量開展提供有力保障。

三、優化后的課程案例與成效呈現

（一）案例描述

在東城區的某一所小學當中實施了經過改進的3D打印社團課程，該校采用了全面優化的課程設計方案，并且針對 1^～6 年級的學生進行了差異化的教學。在課程實施前，學校對師資力量進行了培訓，更新了教學設備，并且與地方科技館展開合作，從而提供豐富的學習資源。課程實施一學期后，收集了學生的學習成果以及反饋信息，對比實施前后的學習效果，發現學生在空間思維以及創新能力方面得到了極大的提升。

（二）課程成效分析

在課程結束的時候，學生能準確地識別并且描述圓柱體、球體、立方體、錐體以及棱柱等基本幾何形狀，并且理解它們在三維空間中的關系。高年級學生在完成課程后，展示出了他們所設計的多功能機械模型，如簡易起重機，這些模型不僅符合基本的力學原理，還融入了學生的創新設計，如使用不同的材料以提高模型的功能性和美觀度。教學資源的改進，尤其是硬件的更新以及軟件的易用性提升，使學生能更頻繁且自主地操作3D打印機。每個學生的操作時間從原來的每周15分鐘提升到了40分鐘，學生在使用多樣化的軟件進行模型設計的時候展現出了高度的學習熱情以及技術掌握能力。

（三）教學成果具體數據

為更直觀地展示課程實施的具體效果，東城區某小學的3D打印社團課程實施前后學生能力提高的數據統計如表1所示。表中詳細記錄了學生在空間感知能力、創新設計能力、技術操作熟練度等方面的具體表現。課程優化，學生在各項技能上都有明顯提升，特別是在技術操作熟練度方面，提升了 225% 的得分增幅，顯示了教學資源優化和教學方法改進的效果。學生在創新設計能力和問題解決能力方面也表現出了較大幅度的進步，這與課程中強調的實際操作和創新思維訓練密切相關。

四、結語

本研究具體案例展示了優化后的3D打印社團課程在提升小學生空間感知、創新設計與技術操作技能方面的顯著成效。數據證明，系統課程設計與資源整合對學生能力提升具有重要影響。

參考文獻

[1]谷錚.基于PBL模式的小學3D打印課程教學設計研究[D].華中師范大學，2022.

（責任編輯：易佳）