基于Steam的3D打印校本課程內(nèi)容規(guī)劃

摘? 要：近幾年來，基礎(chǔ)教育改革對創(chuàng)新教育的呼聲越來越高，因此很多學(xué)校也在不斷地摸索和探究相關(guān)的創(chuàng)新教育課程。3D進(jìn)校園是創(chuàng)新教育的一種新形式，學(xué)生也非常喜歡這種形式。因此，筆者基于我校的實(shí)際情況，探索基于STEAM理念下的3D打印校本課程的研究，以期能為我校的創(chuàng)新教育盡微薄之力。

關(guān)鍵詞：STEAM;校本課程;創(chuàng)新教育

中圖分類號：G623.58? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）07-0131-04

Abstract：Recently，the voice of basic education reform for innovative education has become higher and higher，so many schools are constantly exploring and exploring innovative education courses. 3D printing entering campus is a new form of innovative education，which students like very much. Therefore，based on the actual situation of our school，the author explores the research of the school-based curriculum of 3D printing based on STEM concept，in order to make a little contribution to our school’s innovative education.

Keywords：STEAM;school-based curriculum;innovative education

0? 引? 言

基礎(chǔ)教育改革對創(chuàng)新教育的呼喚：在深化教育改革、提倡創(chuàng)新的大背景下，創(chuàng)新教育以及STEAM理念不斷被人們關(guān)注和接受。在這些理念的推動下，隨著能夠促進(jìn)學(xué)生設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新能力發(fā)展的3D打印技術(shù)的推廣，使得3D打印很快成為創(chuàng)新教育的新資源、新工具。各種政策的確立更是使3D打印進(jìn)校園成為可能。筆者所在的城市，市區(qū)教研員開展并組織了一系列的技術(shù)培訓(xùn)。培訓(xùn)結(jié)束后筆者便思考如何將這么有意思的事情推薦給我的學(xué)生，讓他們也能感受到3D打印帶來的樂趣。除了硬件設(shè)備之外，3D打印課程教什么、怎么教便順理成章成為我們要思考和解決的首要問題。

1? 課程設(shè)置

1.1? 課程理念

為全面貫徹黨的教育方針，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，我校開設(shè)的3D打印校本課程，旨在探索新時(shí)代、新課程背景下，科技創(chuàng)新教育的新方法，同時(shí)也希望引導(dǎo)學(xué)生在3D校本課程中開展積極有效的思考、探索，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識和科學(xué)素養(yǎng)。

1.2? 課程層級

考慮到我校校本課程開設(shè)的實(shí)際形式：教學(xué)對象主要為7、8年級的學(xué)生，且以7年級學(xué)生為主體，開設(shè)的時(shí)間為一學(xué)年。因此，課程的層級結(jié)構(gòu)分為：入門、基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)、綜合應(yīng)用這四大塊。其中入門和基礎(chǔ)模塊所占比重為60%。

2? 課程性質(zhì)與目標(biāo)

2.1? 課程性質(zhì)

3D打印校本課程屬于技能性拓展型課程，其學(xué)習(xí)過程屬于探究型學(xué)習(xí)。對于3D打印這一新興技術(shù)來說，這更是師生共同探索新知的學(xué)習(xí)過程。學(xué)生通過學(xué)習(xí)，嘗試在問題解決的過程中獲取知識、提升能力、形成價(jià)值觀。教師在教學(xué)中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)對所學(xué)知識、技能的實(shí)際運(yùn)用，注重學(xué)習(xí)的過程和學(xué)生的實(shí)踐與體驗(yàn)。課程內(nèi)容的設(shè)置，應(yīng)關(guān)注學(xué)生圍繞問題的解決、內(nèi)容的確定、方法的選擇及相互合作和交流的過程。此類課程的設(shè)立，具有明顯的先進(jìn)性和實(shí)踐性。目的在于使得學(xué)生在掌握一門新穎且發(fā)展快速的技術(shù)的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，并能夠?qū)⒋思夹g(shù)運(yùn)用到其他學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)習(xí)上。

2.2? 課程目標(biāo)

在需求分析的基礎(chǔ)上，我們需要從以下三個(gè)維度來確定3D打印校本課程的總體目標(biāo)。

（1）知識與技能。S：掌握與課程內(nèi)容相關(guān)的科學(xué)知識。T：掌握3D建模技術(shù)、并能夠?qū)ψ髌愤M(jìn)行切片打印。E：培養(yǎng)學(xué)生將科學(xué)和數(shù)學(xué)兩者一體化、系統(tǒng)化，創(chuàng)造性地用于解決實(shí)際問題的能力。A：建模過程中培養(yǎng)學(xué)生對作品的人文、形態(tài)等藝術(shù)美的意識。M：培養(yǎng)學(xué)生對于數(shù)學(xué)問題進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解決和有效交流的能力。

（2）過程與方法。培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、表達(dá)能力及創(chuàng)新能力。

（3）情感態(tài)度價(jià)值觀。通過課程中的實(shí)踐活動，讓學(xué)生感知新型技術(shù)的無窮魅力及在生活中的應(yīng)用。

3? 3D相關(guān)教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃

3.1? 3D打印基礎(chǔ)知識

基礎(chǔ)知識主要是讓學(xué)生對于3D打印有足夠的了解，熟悉自己將來要使用的設(shè)備，因此基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)至少要包含三方面內(nèi)容：3D打印的基本原理和工作步驟;3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu);如何使用打印機(jī)打印3D作品。

3.2? 3D打印建模知識

3.2.1? 建模軟件的選擇

目前教育領(lǐng)域使用的建模軟件還是比較多的，有全國中小學(xué)生電腦制作大賽的指定軟件3Done、sketchup、DSM、Rhino等等。鑒于區(qū)里的教師培訓(xùn)選擇的是DSM和Rhino這兩款軟件，另外本人對RHINO這款軟件相對熟悉，所以筆者選擇了RHINO這款軟件作為校本教材的主要建模軟件。

3.2.2? 建模知識點(diǎn)的梳理

3D打印目前并不在初中的課程標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，因此對3D打印課程內(nèi)容知識點(diǎn)的梳理并沒有統(tǒng)一的規(guī)范。筆者的思路是結(jié)合我校學(xué)生特點(diǎn)，借鑒主流的3D建模軟件的基本功能，在RHINO中篩選出合適的知識點(diǎn)作為教學(xué)開展的技術(shù)支撐。

我校學(xué)生的特點(diǎn)：我校的學(xué)生大多數(shù)為外地務(wù)工子女，學(xué)生接觸電腦的機(jī)會不多，計(jì)算機(jī)使用的熟練程度不高。鑒于這樣一個(gè)具體情況，在選擇技術(shù)點(diǎn)的時(shí)候：

（1）只選擇核心的3D設(shè)計(jì)類的功能。

（2）去除復(fù)雜的功能、去除由基本功能能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，達(dá)到精簡。

精簡后的技術(shù)點(diǎn)：

曲線：圓形、橢圓、控制點(diǎn)曲線、控制桿曲線、彈簧線、螺旋線、文字曲線、連續(xù)線段、多邊形、矩形、偏移曲線、投影至物件。

曲面：切割用平面、布簾曲面、從邊緣建立曲面、擠出曲線、沿著曲線擠出曲線、擠出曲線成錐狀、擠出曲線至點(diǎn)、往曲線法線方向擠出曲線、放樣、嵌面、平面曲面、平面、沿著路徑旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)成形、單軌掃掠、雙軌掃掠、文字、不等距離偏移曲面。

實(shí)體：立方體、圓錐體、圓柱體、橢圓體、擠出曲面、拋物面椎體、圓管、金字塔、薄殼、厚片、球體、文字物體、環(huán)狀體、平頂椎體、圓柱管。

編輯物件：組合（線、和面）、分割、修剪、銜接曲線、銜接曲面、加蓋封閉、洞、薄殼、線切割、布爾運(yùn)算、邊緣混接、邊緣斜角、邊緣圓角、對齊、陣列、彎曲、復(fù)制、沿著曲線流動、鏡像、移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、傾斜、錐狀化、扭轉(zhuǎn)、群組、解散群組。

3.3? CURA切片技巧

切片軟件在使用中需要考慮以下問題：

（1）打印角度的思考?？紤]調(diào)整模型的角度，增大模型和平臺的接觸面積，可以提高打印的成功率。

（2）支撐和底座的添加。一般模型我們不選擇打印底座和支撐這兩項(xiàng)，如果模型某型部位沒有支撐點(diǎn)，也沒有調(diào)整好放置角度，就必須選擇支撐選項(xiàng)。

（3）填充率。一般我們的填充率選擇在10%～20%之間，填充率越高，模型的強(qiáng)度和重量會加大，打印時(shí)間和材料也會隨之增加。

3.4? 3D打印逆向設(shè)計(jì)應(yīng)用

學(xué)校購置了一臺3D人像掃描儀、一臺實(shí)物掃描儀。因此，我們可以充分利用這兩種設(shè)備進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，對人像或物品進(jìn)行三維掃描、曲面重構(gòu)、打印模型。

3.5? 3D打印作品的后期處理

3D作品的后期處理主要包括兩項(xiàng)：一是打磨作品，二是上色。對部分作品來講可能還需要組裝和黏合。

4? 整合教學(xué)內(nèi)容

4.1? 內(nèi)容整合的原則

4.1.1? 以學(xué)生為中心

3D打印課程不是義務(wù)教育階段的必修課，在我校是以校本課程的形式出現(xiàn)的選修（或社團(tuán)）課。秉承立德樹人、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性的宗旨設(shè)計(jì)課程，以學(xué)生為中心，以學(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律為線索，以學(xué)生的視角，選擇他們感興趣的內(nèi)容作為教學(xué)內(nèi)容的依據(jù)，設(shè)計(jì)課程。

4.1.2? 解決生活實(shí)際問題

課程中選擇的實(shí)例盡量貼近生活，以學(xué)生在實(shí)際生活中遇到的問題為切入點(diǎn)，開展教學(xué)。設(shè)計(jì)作品的目的是為了解決一個(gè)生活中遇到的問題，或者是為了掃除一個(gè)知識點(diǎn)盲區(qū)，亦或是對某個(gè)物品的改進(jìn)，以達(dá)到自己的使用需求。

4.1.3? 跨學(xué)科知識整合，彰顯STEAM教育的特征

STEAM教育的最顯著特征便是學(xué)科融合，它的優(yōu)勢及其精髓便是能夠?qū)⒍鄠€(gè)學(xué)科的知識點(diǎn)融合到一個(gè)作品中。

因此，筆者在作品選例時(shí)，時(shí)刻謹(jǐn)記這一點(diǎn)。課程中的作品選擇在建模時(shí)可能需要其他知識點(diǎn)的支持，比如圓形的相切問題，可能就需要數(shù)學(xué)知識的鋪墊，在制作DNA時(shí)就需要生物背景知識的引導(dǎo)。在設(shè)計(jì)花瓶這類作品時(shí)，我們可以引導(dǎo)學(xué)生了解中國瓷器，體驗(yàn)中國瓷器技術(shù)的博大精深，感嘆古人的技藝之精巧。

4.1.4? 以作品為主要依據(jù)，兼顧技術(shù)難度

以作品完整性為主要依據(jù)，兼顧建模的難易程度來安排教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)內(nèi)容處理上，筆者主要有兩點(diǎn)思考，一是以建模的難易程度為主線構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容的框架，二是以單個(gè)作品的完整性為主線構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容。前者的優(yōu)點(diǎn)是對建模軟件的學(xué)習(xí)相對容易，后者的優(yōu)點(diǎn)是每次活動都有能看得見的作品，容易激發(fā)學(xué)生的興趣，對于課堂教學(xué)而言也更加容易組織。為此，筆者在選擇教學(xué)內(nèi)容的時(shí)候，希望能盡量結(jié)合這兩者的優(yōu)勢，讓教學(xué)充滿趣味性，讓學(xué)生學(xué)起來輕松。

4.2? 建模部分教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

基于以上內(nèi)容整合的原則，建模部分的教學(xué)內(nèi)容還要縱向上實(shí)現(xiàn)難度逐步加深，同時(shí)對思維發(fā)散和創(chuàng)新的要求也要隨之遞增，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)如表1所示。

5? 教學(xué)評價(jià)

對STEAM課程的3D打印課程而言，其評價(jià)也應(yīng)該是多方位的。因此，筆者設(shè)計(jì)的評價(jià)體系包含如下幾個(gè)方面。

5.1? 記錄單形式的反思評價(jià)

該記錄單的形式用于跟蹤學(xué)生在整個(gè)作品制作過程的思維動態(tài)，如表2所示。

表2? 活動記錄表

通過該記錄單的反饋，我們可以了解學(xué)生在實(shí)際操作過程遇到的問題，以及解決問題的深度，從而挖掘出他們的思維深度。

5.2? 電子小報(bào)形式的演講或視頻形式的記錄

電子小報(bào)的形式可以拓展學(xué)生的思維，以某一作品為主線，引發(fā)他們對整個(gè)作品從設(shè)計(jì)前-設(shè)計(jì)中-制作完成后的一個(gè)完整的思考，并且最終通過演講的方式將其講述出來。這是一個(gè)思維的大整合，對學(xué)生的各個(gè)方面都是一種訓(xùn)練。視頻形式和電子小報(bào)有著類似的功能，不同的是，這種形式更加生動形象，可以直接記錄自己在制作過程中的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。

5.3? 作品大比拼

學(xué)生認(rèn)真地完成自己的作品后，將作品集中到一起，按照事先制定的評比標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評比，選出心中最完美的作品，以期獲得肯定。

6? 結(jié)? 論

3D打印技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)教育改革的創(chuàng)新與發(fā)展，能提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，訓(xùn)練學(xué)生的動手能力，但是怎么與教育有機(jī)地結(jié)合達(dá)到我們想要的效果，還需要我們繼續(xù)探索。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黎鵬.基于三維掃描與3D打印的機(jī)件建模方法研究與實(shí)現(xiàn) [D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2016.

[2] 崔允漷.從“選修課和活動課”走向“校本課程”——“江蘇省錫山高級中學(xué)校本課程”個(gè)案研究 [J].教育發(fā)展研究，2000（2）：22-26.

作者簡介：侯娟（1984.08-），女，漢族，江蘇淮安人，講師，碩士研究生，研究方向：教育信息化。