基于STEM理念的小學(xué)3D打印教學(xué)探索

陳燕純

【摘要】將STEM教育理念融入小學(xué)3D打印課堂中能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、問題解決能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。因此，本文先闡述STEM教育理念的內(nèi)涵，說明小學(xué)3D打印課程教學(xué)的現(xiàn)狀，再分析STEM對小學(xué)3D打印教學(xué)的意義，最后提出基于STEM理念的小學(xué)3D打印教學(xué)的活動(dòng)設(shè)計(jì)流程，融合科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程四個(gè)范疇，設(shè)計(jì)3D打印教學(xué)案例活動(dòng)。

【關(guān)鍵詞】3D打印;STEM;學(xué)科融合

一、STEM教育理念的內(nèi)涵

STEM分別代表著科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門獨(dú)立的學(xué)科領(lǐng)域，但STEM教育并不局限于四個(gè)獨(dú)立學(xué)科的學(xué)習(xí)，它更關(guān)注的是四個(gè)學(xué)科之間的整合，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐參與過程，及解決實(shí)際問題的能力。其次，我們應(yīng)該認(rèn)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(xué)STEAM教育創(chuàng)新論壇在浙江溫州中學(xué)舉辦，STEAM中的“A”即藝術(shù)（Arts）。因此，STEM教育旨在通過跨學(xué)科學(xué)習(xí)的方式，發(fā)展學(xué)生的批判性思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和問題解決能力。

二、3D打印課程教學(xué)的現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)火遍全球，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層噴射可黏合材料制成實(shí)物模型的技術(shù)。這一技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用將顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)，使眾多領(lǐng)域發(fā)生深遠(yuǎn)變革。在教育領(lǐng)域，有趣的3D打印課程走進(jìn)校園，為教學(xué)實(shí)踐帶來了創(chuàng)新的思路和方法，成為學(xué)校特色課程的一大亮點(diǎn)。目前，很多學(xué)校的3D課程教學(xué)僅僅停留在對建模軟件的使用操作層面，雖然也能產(chǎn)出一些精美的設(shè)計(jì)作品，但缺乏對學(xué)生的真實(shí)體驗(yàn)和參與式過程，學(xué)生的設(shè)計(jì)思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和問題解決能力難以得到提升。

三、STEM對小學(xué)3D打印教學(xué)的意義

（一）激發(fā)學(xué)生的探索欲望

3D打印技術(shù)幫助學(xué)生將創(chuàng)意想法變成現(xiàn)實(shí)，極大地吸引著學(xué)生的興趣。融入STEM教育理念的3D打印教學(xué)，從真實(shí)的問題情境出發(fā)，學(xué)生在情境中思考問題的解決辦法，并嘗試運(yùn)用3D打印設(shè)計(jì)將想法實(shí)物化，激發(fā)學(xué)生的探索欲望。

（二）提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和問題解決能力

3D打印教學(xué)重視培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出創(chuàng)意作品。融入STEM教育理念的3D打印教學(xué)，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科知識的融合與主動(dòng)建構(gòu)知識，這要求學(xué)生在設(shè)計(jì)作品的過程中，能夠從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科去分析問題，并主動(dòng)建構(gòu)出解決問題的創(chuàng)意模型，迭代優(yōu)化3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)作品，從而提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和問題解決能力。

（三）培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)

融入STEM教育的3D打印教學(xué)，選取生活中的真實(shí)情境問題來設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程性的實(shí)踐體驗(yàn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)中獲取得情感體驗(yàn)、跨學(xué)科技能和解決問題的能力，比結(jié)果更重要。教學(xué)過程注重引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的知識建構(gòu)，關(guān)注學(xué)生的體驗(yàn)經(jīng)歷，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)，即科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)與數(shù)學(xué)素養(yǎng)等。

四、小學(xué)3D打印教學(xué)融入STEM教育理念的活動(dòng)設(shè)計(jì)

（一）基于STEM理念的小學(xué)3D 打印教學(xué)設(shè)計(jì)流程

筆者將STEM理念應(yīng)用于小學(xué)3D打印教學(xué)新模式的探索，通過對課程教學(xué)流程再造，優(yōu)化與調(diào)整課堂教學(xué)過程。通過課程的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考、樂于實(shí)踐，形成批判性思維、反思與評價(jià)行為，形成責(zé)任擔(dān)當(dāng)、關(guān)懷、分享等品質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的溝通協(xié)作、創(chuàng)新創(chuàng)造和解決問題的能力。基于STEM理念的小學(xué)3D打印教學(xué)過程如圖1所示，教學(xué)環(huán)節(jié)包括：1.創(chuàng)設(shè)情境，提出問題;2.分析問題，制定方案;3.三維建模，融合創(chuàng)新;4.分享評價(jià)，迭代完善。

（二）《設(shè)計(jì)登山必備神器》教學(xué)案例

筆者以“設(shè)計(jì)登山必備神器”為例，學(xué)生使用3D One軟件設(shè)計(jì)一款登山神器，通過STEM分析探究，從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等角度考慮作品設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)登山神器的活動(dòng)中，掌握3D One軟件的基本實(shí)體、移動(dòng)、吸附功能等命令工具，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、問題解決能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

（1）環(huán)節(jié)1：創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教學(xué)的第一個(gè)環(huán)節(jié)是創(chuàng)設(shè)情境，提出問題。新課程強(qiáng)調(diào)以人為本，回歸生活，注重發(fā)展的教育理念。在教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境要注意兩點(diǎn)：一是情境要從學(xué)生的生活實(shí)踐出發(fā)，基于學(xué)生的認(rèn)知背景;二是要重視學(xué)生的情感體驗(yàn)，用情感激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望。這樣才能形成有意義的學(xué)習(xí)。

登山是大家都熟悉的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，但很多人都不懂得科學(xué)登山的方法，以致于在登山中容易受傷。因此，在學(xué)習(xí)3D One的基本實(shí)體、移動(dòng)和吸附功能等命令工具時(shí)，筆者從學(xué)生熟悉的登山運(yùn)動(dòng)出發(fā)，播放“54歲登山膝蓋險(xiǎn)報(bào)廢”這一真實(shí)的新聞報(bào)道，激發(fā)學(xué)生的同理心，從而主動(dòng)去探索和發(fā)現(xiàn)問題：如何設(shè)計(jì)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(huán)節(jié)2：分析問題，制定方案

教學(xué)的第二個(gè)環(huán)節(jié)是分析問題，制定方案。STEM教育旨在培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科素養(yǎng)，學(xué)會綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識去解決問題。而有效的提問可以驅(qū)動(dòng)學(xué)生積極主動(dòng)地參與到學(xué)習(xí)過程中，分析和探索問題的解決方案。

在本環(huán)節(jié)中，筆者借助STEM探究單，如圖2所示，從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科的角度，分別提出設(shè)計(jì)登山神器會遇到哪些問題？比如，從科學(xué)的角度提問：登山時(shí)，肢體是如何運(yùn)動(dòng)的？科學(xué)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(yīng)該如何改進(jìn)登山杖的結(jié)構(gòu)呢？由此驅(qū)動(dòng)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。學(xué)生通過思考、分析和資料搜索，繪制設(shè)計(jì)草圖，確定問題的解決辦法，制訂跨學(xué)科解決方案。在此過程中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和STEM素養(yǎng)。

（3）環(huán)節(jié)3：三維建模，融合創(chuàng)新

教學(xué)的第三個(gè)環(huán)節(jié)是三維建模，融合創(chuàng)新。此環(huán)節(jié)的教學(xué)任務(wù)是指導(dǎo)學(xué)生將制定的方案落地，學(xué)生需掌握3D One的基礎(chǔ)技術(shù)知識，再根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行建模，將想法轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體。在創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程中，學(xué)生需要考慮到設(shè)計(jì)的外觀、尺寸和結(jié)構(gòu)等問題，在實(shí)踐中學(xué)會對知識的融合創(chuàng)新應(yīng)用，提升STEM素養(yǎng)。當(dāng)然，學(xué)生可以通過3Done社區(qū)的線上資源尋求更多的技術(shù)支持，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的個(gè)性化技術(shù)需求。

在《設(shè)計(jì)登山必備神器》的教學(xué)中，首先，通過教師的示范演示，學(xué)生學(xué)習(xí)3D One軟件基本實(shí)體、實(shí)體的移動(dòng)、實(shí)體的縮放以及實(shí)體之間的吸附功能。演示實(shí)體移動(dòng)功能，掌握點(diǎn)到點(diǎn)移動(dòng)和動(dòng)態(tài)移動(dòng)的操作技巧及使用區(qū)別。演示實(shí)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(xué)生更明白吸附功能比移動(dòng)有更加精確的對齊。接著，學(xué)生根據(jù)繪制的草圖和制定的方案，進(jìn)行融合創(chuàng)新設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注登山杖的結(jié)構(gòu)、高度和形狀。最后，還能借助3D One線上資源獲取更多的技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個(gè)性化設(shè)計(jì)。在本環(huán)節(jié)中，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

（4）環(huán)節(jié)4：分享評價(jià)，迭代完善

教學(xué)的第四個(gè)環(huán)節(jié)是分享評價(jià)，迭代完善。評價(jià)的主要目的是激勵(lì)學(xué)生熱愛學(xué)習(xí)，既關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果，更重視學(xué)生學(xué)習(xí)過程表現(xiàn)出來的情感與態(tài)度。因此，在本環(huán)節(jié)，評價(jià)是多元的，體現(xiàn)在教師評價(jià)、學(xué)生互評和自我評價(jià);評價(jià)又是多方位的，體現(xiàn)在STEM素養(yǎng)評價(jià)、小組協(xié)作默契度、作品難度和學(xué)習(xí)過程積極性程度等。在此，教師要做兩件事情：一是為學(xué)生搭建成果展示與經(jīng)驗(yàn)交流平臺。小組協(xié)作分工，共同對作品進(jìn)行展示和分享，主要闡述作品的設(shè)計(jì)思想、難點(diǎn)問題解決方法、收獲和反思。二是通過教師評價(jià)，及時(shí)反饋學(xué)習(xí)過程中存在的問題與不足。最后，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)評價(jià)反饋，對作品進(jìn)行迭代完善。同時(shí)，將作品分享到3D One共享空間，在全國范圍內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)在的展示交流。

筆者將STEM理念融入小學(xué)3D打印教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生從真實(shí)的問題情境出發(fā)，經(jīng)歷了“發(fā)現(xiàn)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(fā)學(xué)生的探索欲望，提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和問題解決能力，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張悅穎.小學(xué)STEM教育實(shí)踐路徑與方法[M].上?？萍冀逃霭嫔纾?017.

[2]林旖柔，王朋嬌，張帆.STEAM背景下小學(xué)3D打印課程教學(xué)設(shè)計(jì)模式構(gòu)建研究[J].軟件，2020，41（2）：288-293.

[3]鄭賢.基于STEAM的小學(xué)《3D打印》課程設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐研究[J].中國電化教育，2016（8）：82-86.

[4]李莉.STEM教育視野下培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的實(shí)踐研究[J].科學(xué)大眾（科學(xué)教育），2018（3）.

責(zé)任編輯? 楊? 杰