基于STEAM的高中3D打印校本課程設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐研究

□張 成

美國(guó)新媒體聯(lián)盟發(fā)布的 《地平線報(bào)告》 （The Hori-zon Report）從 2013年起連續(xù)三年提到，3D打印 （3D Printing）將成為教學(xué)的主要技術(shù)，并指出未來 2～3年內(nèi)3D打印將走進(jìn)教學(xué)。[1]正如報(bào)告所說，近兩年國(guó)內(nèi)越來越多的中學(xué)引進(jìn)3D打印技術(shù)和設(shè)備，探索開展3D打印日常教學(xué)，但目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)成熟且適合高中生學(xué)習(xí)的3D打印課程比較缺乏。本文即在STEAM教育理念的指導(dǎo)下，對(duì)高中3D打印校本課程進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，同時(shí)開展教學(xué)實(shí)踐，不斷反思，以期提高教學(xué)質(zhì)量。

一、STEAM教育理念

STEAM教育源于發(fā)達(dá)國(guó)家，原型為STEM課程，是為了提高學(xué)生對(duì)理工科知識(shí)的興趣而建立的。STEM教育通過整合Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學(xué)）領(lǐng)域內(nèi)容指引教學(xué)和學(xué)習(xí)的途徑和方法，它并不是這四門課程知識(shí)的簡(jiǎn)單疊加，而是要將多學(xué)科的內(nèi)容交叉融合形成有機(jī)整體，倡導(dǎo)問題解決驅(qū)動(dòng)的跨學(xué)科教育，旨在培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。隨著STEM教育的出現(xiàn)以及教育實(shí)踐研究的開展，藝術(shù) （Arts）課程也被添加到STEM中，形成STEAM教育。STEAM課程是關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的課程，具體來說，STEAM課程不僅僅是提倡學(xué)習(xí)科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)這五個(gè)學(xué)科的知識(shí)，其倡導(dǎo)的是一種新的教學(xué)或?qū)W習(xí)方式，該課程的特色就是讓學(xué)習(xí)者自己動(dòng)手完成他們感興趣的項(xiàng)目或是在生活中完成他們需要解決的問題。[2]

STEAM教育主要是以基于項(xiàng)目和基于問題的學(xué)習(xí)為主，注重跨學(xué)科項(xiàng)目設(shè)計(jì)，這是一種以建構(gòu)主義為指導(dǎo)的教學(xué)設(shè)計(jì)模式。STEAM教育以多學(xué)科整合的教學(xué)方式，注重過程和實(shí)踐，以真實(shí)問題為向?qū)?，?qiáng)調(diào)知識(shí)與能力并重，倡導(dǎo) “做”中 “學(xué)”；強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)，注重知識(shí)的跨學(xué)科遷徙及其與學(xué)習(xí)者之間的關(guān)聯(lián)。

二、3D打印課程

本文以3DOne打印技術(shù)為依托，對(duì)高中3D打印校本課程開展課程設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)踐研究。該課程基于STEAM教育思想，采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)的形式進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐。

3D打印是利用塑料或樹脂等可粘連的原料進(jìn)行層層打印形成物件的增材制造技術(shù)，它的工作原理是將3D打印機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，通過設(shè)計(jì)輔助軟件進(jìn)行數(shù)字建模，再將數(shù)字信息傳輸給打印機(jī)，利用打印機(jī)中的絲狀、粉狀或是液體狀的材料以逐層堆疊的方式制作出產(chǎn)品。3D打印課程是以該技術(shù)為基礎(chǔ)開展的課程，學(xué)生可以利用3D建模軟件將自己的設(shè)計(jì)畫出來，最后通過打印機(jī)打出實(shí)物，讓創(chuàng)意變成實(shí)物，讓抽象的概念具體化、形象化。目前，國(guó)內(nèi)3D建模軟件有多種，包括 3ds Max、Rhino、123D Design、3DOne等，本文選擇3DOne設(shè)計(jì)軟件開展教學(xué)。

3DOne是一款專為中小學(xué)生開發(fā)打造的3D設(shè)計(jì)軟件。該軟件界面簡(jiǎn)潔、功能強(qiáng)大、易于上手，尤其是軟件整合了常用的實(shí)體造型和草圖繪制命令，簡(jiǎn)化了操作界面和工具欄，可以讓初次接觸3D打印的學(xué)生通過簡(jiǎn)單的 “積木拼搭”完成3D設(shè)計(jì)，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

三、3D打印校本課程設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐

1.基于STEAM的課程教學(xué)基本思想和課程目標(biāo)?；赟TEAM的3D打印課程教學(xué)的基本思想包括 “做中學(xué)”和 “項(xiàng)目學(xué)習(xí)”。美國(guó)著名教育家杜威認(rèn)為，“做中學(xué)”即從生活經(jīng)驗(yàn)中積累知識(shí)、從實(shí)際活動(dòng)中進(jìn)行學(xué)習(xí)，在情景化的教學(xué)場(chǎng)所中，讓學(xué)生通過親身體驗(yàn)，在不斷地觀察、實(shí)驗(yàn)、探究、創(chuàng)作中解決真實(shí)問題。而項(xiàng)目學(xué)習(xí) （PBL）是一套系統(tǒng)的教學(xué)方法，它是以解決真實(shí)、負(fù)責(zé)的問題為目的，對(duì)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)、探究、實(shí)施的過程。在這個(gè)過程中，學(xué)生能夠進(jìn)行設(shè)想、驗(yàn)證、完善、創(chuàng)造出某種東西，從而培養(yǎng)創(chuàng)新能力和動(dòng)手操作能力。這兩種思想其實(shí)是共通的，項(xiàng)目學(xué)習(xí)即是學(xué)生實(shí)現(xiàn)做中學(xué)的一種教學(xué)形式。

基于STEAM的3D打印課程定位為一門綜合課程，教學(xué)內(nèi)容不止單一的建模設(shè)計(jì)步驟，而應(yīng)將編程、科學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)及數(shù)學(xué)問題有機(jī)融合，讓學(xué)生在實(shí)際生活中發(fā)現(xiàn)問題，通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)分解問題，利用3D打印技術(shù)將解決思路可視化，最終解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2.課程設(shè)計(jì)。高中生自我意識(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)且求知欲旺盛，邏輯思維能力進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)生活中遇到的各種問題有自己的想法，希望通過自己的創(chuàng)意解決問題，3D打印課程正是這一過程的媒介。高中3D打印課程依托校本課程展開，以項(xiàng)目為主線，依據(jù)生活中發(fā)現(xiàn)的問題，分小組開展各自的項(xiàng)目，通過3DOne軟件設(shè)計(jì)自己的作品，最后展示作品，解決問題，完成項(xiàng)目報(bào)告。課程由基礎(chǔ)知識(shí)和多個(gè)項(xiàng)目組成，包括桌面書立設(shè)計(jì)、拎袋護(hù)手設(shè)計(jì)、理線盒設(shè)計(jì)等，每個(gè)項(xiàng)目分三個(gè)課時(shí)完成。第一課時(shí)展示學(xué)生生活中遇到的問題，比如高中生課本與資料較多，在桌面上堆放散亂，找起來也比較困難，設(shè)計(jì)工具收納整理，分小組開展頭腦風(fēng)暴，完成項(xiàng)目報(bào)告草圖設(shè)計(jì)，利用3DOne軟件畫出設(shè)計(jì)。教師在討論階段提供各方面理論知識(shí)支撐，包括物理、數(shù)學(xué)、科技等，在制作階段幫助學(xué)生解決軟件操作疑惑，將軟件中各功能講解融入學(xué)生的需求。第二課時(shí)完成作品制作并完善，將藝術(shù)教育融入其中，對(duì)作品的美感加以強(qiáng)調(diào)。第三課時(shí)打印出作品并展示，完成項(xiàng)目報(bào)告。通過一個(gè)完整的項(xiàng)目完成過程，讓學(xué)生真實(shí)參與，把學(xué)習(xí)到的物理、數(shù)學(xué)等知識(shí)用到實(shí)際的問題解決中，同時(shí)注重作品的美觀性。另外，做項(xiàng)目的過程中，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)也能增強(qiáng)。

3.教學(xué)實(shí)踐。下文以 “拎袋護(hù)手”為例，介紹教學(xué)實(shí)施的過程。

第一課時(shí)重在設(shè)計(jì)，主要由情境導(dǎo)入、小組討論、設(shè)計(jì)制作三個(gè)部分組成。

（1）情境導(dǎo)入。日常生活中我們經(jīng)常在超市購(gòu)物，但每次把購(gòu)物袋拎回家都會(huì)非常頭疼，每每手掌都被勒得通紅，有沒有什么方式能夠讓拎購(gòu)物袋不在費(fèi)勁？請(qǐng)各小組展開討論，設(shè)計(jì)個(gè)性的拎袋護(hù)手。

（2）小組討論。教師提供相關(guān)的理論知識(shí)，包括數(shù)學(xué)空間幾何圖形的相關(guān)知識(shí)、圓環(huán)的性質(zhì)、物理壓強(qiáng)的相關(guān)知識(shí)，小組討論中如果還需要其他知識(shí)，可以隨時(shí)上網(wǎng)查找。在設(shè)計(jì)的過程中，教師在思路上積極引導(dǎo)，護(hù)手的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該確定形狀，要符合人體手掌彎曲，同時(shí)應(yīng)該增大拎袋與手掌的接觸面積，才能減少拎袋對(duì)手掌產(chǎn)生的壓力。

（3）設(shè)計(jì)制作。在討論的過程中，引導(dǎo)學(xué)生填寫項(xiàng)目報(bào)告，記錄提出的各種需求和問題，然后繪制草圖，把想要設(shè)計(jì)的拎袋護(hù)手先畫出來，小組成員共同討論修改。設(shè)計(jì)快的項(xiàng)目組可以先一步打開3DOne軟件開始制作。

第二課時(shí)完成作品建模，主要分為3D軟件制作和完善兩個(gè)部分。一是3D軟件制作。根據(jù)前一節(jié)課的設(shè)計(jì)，利用3DOne軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。教師提供相關(guān)軟件功能使用的微視頻，包括圓環(huán)制作、減運(yùn)算等，學(xué)生在遇到操作困難時(shí)，可以直接利用微視頻學(xué)習(xí)。根據(jù)設(shè)計(jì)出現(xiàn)的其他問題，教師提供技術(shù)支持；二是完善。小組討論，完善作品的設(shè)計(jì)，包括邊緣的圓角、倒角設(shè)計(jì)，使作品更美觀實(shí)用。

第三課時(shí)打印作品并展示。因?yàn)?D打印比較耗時(shí)，課前應(yīng)將小組作品利用3D打印機(jī)打印出來，課上由各小組推薦同學(xué)進(jìn)行展示說明，其他小組提出看法和建議，將建議在項(xiàng)目報(bào)告中做好記錄。小組對(duì)項(xiàng)目作品開展自評(píng)，并做記錄，結(jié)合小組互評(píng)記錄，對(duì)項(xiàng)目完成情況進(jìn)行反思總結(jié)。

4.教學(xué)效果與反思。筆者2017年下半年在普通高中一年級(jí)開設(shè)了3D打印校本課程，在課程項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中學(xué)生興趣很高，小組討論過程非常熱烈，大家在團(tuán)隊(duì)合作的過程中對(duì)已經(jīng)學(xué)習(xí)的物理知識(shí)和數(shù)學(xué)空間幾何知識(shí)做了鞏固加深。同時(shí)，在設(shè)計(jì)作品過程中兼顧作品藝術(shù)性，通過關(guān)聯(lián)各種知識(shí)點(diǎn)，最終完成自己的作品設(shè)計(jì)，并通過3D打印機(jī)將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。與此同時(shí)，反思校本課程的開展情況，筆者認(rèn)為，可以從項(xiàng)目甄選和微課制作等方面加以改進(jìn)。

基于STEAM理念的高中3D打印校本課程的開展需要以項(xiàng)目教學(xué)為依托，同時(shí)項(xiàng)目的來源應(yīng)該取自學(xué)生的真實(shí)生活。來源于學(xué)生生活中的各種項(xiàng)目情境能讓他們產(chǎn)生共鳴，發(fā)現(xiàn)問題的癥結(jié)所在。通過項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)討論、合作，跨學(xué)科知識(shí)的梳理，找到解決問題的思路，設(shè)計(jì)出自己的作品，從而解決生活中的小問題。

基于STEAM理念的3D校本課程具有知識(shí)與資源的跨界性，其中學(xué)生所需建構(gòu)的知識(shí)往往不只是一個(gè)學(xué)科，其融合了科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、藝術(shù)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，需要學(xué)生不斷地進(jìn)行跨界思考，這種情況下需要教師做好充足的知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)需要選擇一種適合學(xué)生根據(jù)自己需要開展學(xué)習(xí)的教學(xué)手段。微課正是這樣一種適合不同學(xué)生根據(jù)自己計(jì)劃需求開展學(xué)習(xí)的教學(xué)手段，教師在課前準(zhǔn)備好各學(xué)科知識(shí)的資料或知識(shí)點(diǎn)的微課，為學(xué)生在做項(xiàng)目的過程中做好知識(shí)儲(chǔ)備，讓不同的學(xué)生能夠根據(jù)自己的需求隨時(shí)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。

綜上所述，基于STEAM教育理念開展的3D打印課程，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和實(shí)踐積極性，讓學(xué)生將自己的創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)。在這一過程中，學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)的綜合素養(yǎng)得以提高。3D打印課程教學(xué)不僅僅是讓學(xué)生學(xué)習(xí)建模，更重要的是利用3D打印技術(shù)解決生活中的問題，這就需要教師在課程設(shè)計(jì)過程中，更多的思考如何通過課堂教學(xué)把學(xué)生培養(yǎng)成有創(chuàng)造力的設(shè)計(jì)者。