高中3D打印校本課程設(shè)計與教學(xué)實踐

賈金元+武小龍+張?zhí)祉?/p>

[摘 要]隨著科技的發(fā)展和創(chuàng)客時代的到來，3D打印技術(shù)開始走進校園。以高中為例，在沒有現(xiàn)成教材的情況下，可依據(jù)項目式學(xué)習(xí)理論自主開發(fā)高中3D打印校本課程，以實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)客思維及綜合實踐能力的目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]創(chuàng)客；STEM；3D打??；校本課程

教育部《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》中提出：“要有效利用信息技術(shù)推進‘眾創(chuàng)空間建設(shè)，探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學(xué)習(xí)者具備較強的信息意識與創(chuàng)新意識?！彪S著社會對創(chuàng)新型人才的需求不斷提高，STEAM教育和創(chuàng)客教育在全球迅速發(fā)展起來。

一、相關(guān)概念與研究背景

STEM教育的概念起源于美國。STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科英文首字母的縮寫，最早是為了解決美國科技人才短缺問題而提出的。隨著STEM教育的不斷發(fā)展，藝術(shù)（Art）也加入進來，形成了以STEAM課程為主要特色的STEAM教育，并逐漸在美國、韓國、英國等國家受到關(guān)注[1]。STEAM教育提倡跨學(xué)科知識的融合與應(yīng)用，以此探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面，倡導(dǎo)學(xué)生能夠在“雜亂無章”的情境中提升設(shè)計、合作、問題解決和實踐創(chuàng)新等能力。

創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合?！吨袊鴦?chuàng)客教育藍(lán)皮書》中首次系統(tǒng)定義了“中國特色創(chuàng)客教育”的具體內(nèi)涵：“創(chuàng)客教育”基于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，以項目學(xué)習(xí)和任務(wù)學(xué)習(xí)的方式，強調(diào)理論聯(lián)系實際，將科學(xué)、技術(shù)、工程、電子、機械、編程、設(shè)計、藝術(shù)、人文等多種學(xué)科充分融合，以解決生活中實際問題作為教學(xué)出發(fā)點，讓學(xué)生通過掌握各種最新科技、設(shè)備、工具、軟件和材料的使用來進行動手造物的訓(xùn)練，并在這個過程中培養(yǎng)學(xué)生的自發(fā)學(xué)習(xí)能力、動手能力、探索能力、協(xié)作能力、邏輯思維和創(chuàng)造力，讓學(xué)生從被動接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橛H手將自己的想法變?yōu)楝F(xiàn)實的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)模式，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問題的能力?？梢妱?chuàng)客教育與STEAM教育有很多相似之處，但創(chuàng)客教育更加強調(diào)一種教育理念，鼓勵學(xué)生享受創(chuàng)造與分享快樂。STEAM教育已經(jīng)成為實踐創(chuàng)客教育的一種載體。在我國，很多學(xué)校在開始探索和實施創(chuàng)客教育和STEAM教育時，并未嚴(yán)格區(qū)分兩者的不同，而是自然地將二者融合在一起。

3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)理念是“設(shè)計即生產(chǎn)”。3D打印是一種通過分析和定位為物理對象建模，運用粉末狀金屬或塑料等打印耗材，通過逐層打印疊加構(gòu)造實體的技術(shù)，它可以將使用者的創(chuàng)意迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨锬Ｐ?。《中國?chuàng)客教育藍(lán)皮書》中稱3D打印技術(shù)為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”，必將為眾多領(lǐng)域帶來深刻影響。學(xué)校引入3D打印課程，是希望學(xué)生通過深度體驗和參與設(shè)計制作過程，更好地發(fā)展綜合能力。

美國已在小學(xué)開設(shè)了3D打印課程。我國一些中小學(xué)嘗試了將3D打印技術(shù)應(yīng)用于STEAM課程，并使該項技術(shù)與人文藝術(shù)融合，成為學(xué)校文化的一部分。雖然3D打印課程在國內(nèi)中小學(xué)校還處于嘗試和探索階段，也未形成一定的課程標(biāo)準(zhǔn)，但預(yù)計未來的相關(guān)課程將逐漸增多，3D打印作為新型的多媒體教學(xué)手段也將被廣泛應(yīng)用[2]。

目前已經(jīng)引入3D打印的學(xué)校，其相關(guān)課程多以課外興趣小組、社團等方式開展，指導(dǎo)教師通常由計算機或物理專業(yè)的教師兼任，總體上來講，教學(xué)和實踐時間不足，師資力量和硬件設(shè)施參差不齊，還沒有完全發(fā)揮3D打印的功能與價值，尤其是設(shè)計成熟并適合高中學(xué)生的教材與課程還極度缺乏?；谶@樣的背景，筆者參與開發(fā)了高中3D打印校本課程。

二、3D打印校本課程開發(fā)的實施方案設(shè)計

1.設(shè)計原則

開發(fā)高中3D打印課程涉及到兩個設(shè)計軟件的應(yīng)用，即3D One和123D Design，要求以項目式學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，圍繞核心技能將相關(guān)知識整合重構(gòu)，并將教學(xué)目標(biāo)分為初級目標(biāo)和高級目標(biāo)。其中，初級目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的相關(guān)常識，理解3D打印機原理和構(gòu)造，能進行基本的自主探究、參與項目并制作產(chǎn)品；高級目標(biāo)是促進學(xué)生高級認(rèn)知能力的發(fā)展，如形成創(chuàng)客思維，學(xué)會應(yīng)用跨學(xué)科知識解決問題等。

2.教學(xué)設(shè)計模型

中小學(xué)3D打印教育的校本課程，應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和應(yīng)用知識的能力為目標(biāo)，根據(jù)不同的教學(xué)階段和教學(xué)內(nèi)容，選擇不同的教學(xué)方法（見圖1）。如介紹3D原理及作品的部分，可以帶學(xué)生參觀實物并講解。

三、3D打印校本課程開發(fā)的設(shè)計與實現(xiàn)

3D打印校本課程的教學(xué)內(nèi)容與課時安排可參考表1?，F(xiàn)以“漢諾塔的設(shè)計”一課為例，對教學(xué)設(shè)計與教學(xué)過程所涉及的各個方面進行說明。

一是確定教學(xué)主題。漢諾塔是一種益智玩具。教學(xué)時，在演示文稿中由圖片導(dǎo)入，通過多媒體設(shè)備向?qū)W生展示漢諾塔，以及教師已提前打印出來的模型（見圖2）。

二是確定教學(xué)問題。讓學(xué)生參考課件中的漢諾塔圖片，利用3D打印設(shè)計軟件，制作漢諾塔模型。提醒學(xué)生注意：漢諾塔包括底座和七個外形相似、大小不同的圓環(huán)，要求制作出來的模型底座與圓環(huán)尺寸配套。

三是確定各級任務(wù)完成的標(biāo)準(zhǔn)。列出學(xué)生在完成任務(wù)過程中可能出現(xiàn)的各種執(zhí)行水平和評價標(biāo)準(zhǔn)，為學(xué)生提示行動方向，同時也便于師生之間、學(xué)生之間進行分層評價（見表2）。

四是交流探究。各小組需要討論、研究，結(jié)合實際生活中的漢諾塔模型，共同制定本組的設(shè)計與修改方案。各小組也會相互評價作品并提出建議。

五是教師指導(dǎo)。教師對各組漢諾塔的整體設(shè)計進行總結(jié)和評價，對部分作品進行分析講解，將師生的產(chǎn)品模型全部上傳到資源網(wǎng)站。

六是教學(xué)評價。教學(xué)評價以表2中漢諾塔任務(wù)的各級標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，包括教師對學(xué)生的評價以及學(xué)生之間的互評。

從教學(xué)實踐來看，學(xué)生對漢諾塔游戲及其所蘊含的數(shù)學(xué)原理很感興趣，在實際設(shè)計制作中，主要包括三部分：設(shè)計底座、設(shè)計漢諾塔環(huán)、組合。教師可能重點講解的內(nèi)容如表3所示。

在學(xué)生設(shè)計完成的作品中，除了圖2所示的形式，還出現(xiàn)了直線型分布的漢諾塔，以及4組塔環(huán)和4根塔柱的拓展型漢諾塔，塔環(huán)有柱面的，也有弧形面的。作品的主要問題是細(xì)節(jié)上處理得還不夠好，如部分學(xué)生的漢諾塔環(huán)比例不協(xié)調(diào)，沒有使用倒角或圓角命令對塔環(huán)的銳邊進行優(yōu)化等。經(jīng)過小組討論和教師的指導(dǎo)，學(xué)生基本上都可以完成漢諾塔的設(shè)計，對于較快完成任務(wù)的學(xué)生，教師可進一步指導(dǎo)他們對漢諾塔進行材質(zhì)渲染，做成彩色。最后教師挑選具有不同設(shè)計特點的作品，將3D打印機的填充程度設(shè)置為50%，打印出實物并進行展示。

綜上所述，高中階段3D打印課程的開發(fā)和應(yīng)用還處于起步階段，需要各級管理部門和學(xué)校在政策導(dǎo)向、師資培養(yǎng)、課程建設(shè)等方面的進一步支持。在具體實施中，要注意學(xué)生創(chuàng)客思維的培養(yǎng)和教師角色的轉(zhuǎn)變，更好地落實STEAM教育和創(chuàng)客教育的思想，幫助學(xué)生打破學(xué)科界限，將藝術(shù)的美感與產(chǎn)品創(chuàng)作融合，通過構(gòu)思、設(shè)計、反復(fù)改進并打印作品的過程，促進學(xué)生設(shè)計與實踐、科學(xué)探究及技術(shù)運用等能力的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]李小濤等.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的STEAM教育到創(chuàng)客教育之變遷——從基于項目的學(xué)習(xí)到創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2016（1）：28-36.

[2]張晶.用3D 打印手段培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的教學(xué)設(shè)計研究[D].沈陽師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2016.

（責(zé)任編輯 郭向和）