創(chuàng)客教育背景下3D打印與學科教學結(jié)合的探索

李靜 朱玥

【摘 要】當前，創(chuàng)客教育在中小學被廣泛推廣，很多學校也已經(jīng)啟動了創(chuàng)客教育相關(guān)的項目。但當前大多數(shù)學校的創(chuàng)客教育都是以校本課程或社團等相對孤立的形式開展的，尚未建立與具體學科的關(guān)聯(lián)與融合。這樣的現(xiàn)狀不僅不利于建立創(chuàng)客教育持久的生命力，還不利于將創(chuàng)客教育精神遷移融入到學科學習中?；诖?，本文章選取3D打印為切入點，探索如何實現(xiàn)3D打印與學科學習間的雙向促進，為后續(xù)創(chuàng)客教育與學科融合提供思路。

【關(guān)鍵詞】3D打印;創(chuàng)客教育;學科教學;小學數(shù)學

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）19-0-02

一、創(chuàng)客教育理念

（一）創(chuàng)客教育的理念

1.創(chuàng)客教育的內(nèi)涵

在何克抗教授的《創(chuàng)客教育與創(chuàng)新教育》一文中講述了國內(nèi)外有關(guān)創(chuàng)客教育的內(nèi)涵。關(guān)于創(chuàng)客教育的內(nèi)涵的表述，在西方具有代表性的時馬丁尼和斯塔哲的表述，而在國內(nèi)具有代表性的是祝智庭教授的表述。兩個表述中都以“在創(chuàng)造中學習”和“基于創(chuàng)造的學習”為核心，而祝智庭教授強調(diào)我國的創(chuàng)客教育主要培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的創(chuàng)新人才[1]。

2.培養(yǎng)學生動手能力、實際解決問題的能力

孫江山等學者認為3D打印教學是基于創(chuàng)造的做中學，能夠使學生從做中學和學中做，增強其創(chuàng)新精神和實踐能力[2]。在基于建構(gòu)主義理論下，3D打印能夠給學生創(chuàng)造一種教育環(huán)境，讓其自主發(fā)現(xiàn)和探索知識，并對知識進行自主建構(gòu)。王美等學者在其團隊研究的“3D打印創(chuàng)意工作室”特色課中，以學科整合的方式，激發(fā)了學生的學習興趣，并且提高了學生的動手能力和實際解決問題的能力[3]。

3.培養(yǎng)創(chuàng)新人才

何克抗教授認為創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)起到至關(guān)重要的作用，而創(chuàng)新能力是將其思維和意識具體化為實物的能力，這三者對于創(chuàng)新人才缺一不可[1]。3D打印的教學主要秉承了創(chuàng)客教育的教育理念，而創(chuàng)客教育的教育理念是基于體驗教育、項目教學法、創(chuàng)新教育、DIY等理念而提出的[4]。這些理論基礎(chǔ)都是以學生為中心，在實際問題的解決中，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識。

二、3D打印技術(shù)是落實創(chuàng)客教育理念的重要工具

（一）3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)，學名為“快速形成技術(shù)”，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。它主要的原理是通過電腦控制，把“打印材料”一層層疊加起來，形成最終的實物[5]。

（二）國內(nèi)外相關(guān)研究

1.國外

在2012-2013年之間，英國教育部曾以21個學校作為試點開展了3D打印技術(shù)與STEM學科融合的試點項目，旨在探索3D打印技術(shù)促進教學的創(chuàng)新，通過將3D打印技術(shù)作為教育教學的工具或教學的主體內(nèi)容，促進學科間融合的同時讓學生在創(chuàng)造中學習[6]。1993年，美國國防部門資助了一項名為“明尼蘇達星戰(zhàn)”的非盈利教育項目，該項目旨在通過提供系列課程與豐富的環(huán)境，讓學生以工程師的身份參與到火箭的設(shè)計與建造中，以此促進學生技能的發(fā)展，培養(yǎng)學生對科學與數(shù)學學習的興趣[7]。

2.國內(nèi)

相對于國外來說，國內(nèi)的3D打印技術(shù)起步得比較晚，但我們國家也在積極地開展3D打印技術(shù)在教育發(fā)面的探索。如教育部頒布的《教育部教育裝備研究與發(fā)展中心2019年工作要點》中指出應(yīng)密切關(guān)注3D打印等高新技術(shù)設(shè)備的發(fā)展動態(tài)，積極探索其在教育教學應(yīng)用的適宜性、實效性研究。由此，許多學校也開展了與3D打印相關(guān)的課程，推動3D打印進一步走進課堂。

在小學數(shù)學方面，陜西省榆林高新區(qū)的榆林高新第五小學的魏園園老師將3D制品應(yīng)用到《圓柱的體積》這一課的教學中，讓學生親自動手體驗到了圓柱體積轉(zhuǎn)化為長方體體積來計算的這個過程，啟發(fā)學生深度參與到學習中，幫助學生理解原本通過畫圖展示起來較為復雜的知識，并通過3D打印技術(shù)培養(yǎng)了學生的空間感和3D思維[8]。

3.總結(jié)

由國內(nèi)外相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)有助于落實創(chuàng)客教育理念，利用3D打印技術(shù)可以將學生的思維通過學生自己的設(shè)計來轉(zhuǎn)化為實物，并且在這個過程中學生的動手能力、實踐能力也得到了鍛煉。3D打印技術(shù)與學科結(jié)合的意義在于可以化抽象為具象，幫助學生加深對學習內(nèi)容的理解，激發(fā)學生對學科學習的興趣，鍛煉學生的思維，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

三、3D打印與學科教學結(jié)合的設(shè)計原則與策略

（一）原則與策略

1.原則

（1）綜合性

綜合性體現(xiàn)在兩個方面。一是3D打印與學科教學結(jié)合時要統(tǒng)整學生的生活世界與科學世界，關(guān)注學生作為“整體的人”的發(fā)展;二是3D打印要與多種學科教學有機結(jié)合，構(gòu)建綜合性課程。

（2）學生中心原則

學生中心原則是指要以學生為中心，要認識到學生在學科教學中的主體地位，滿足學生作為學習主體時產(chǎn)生的需求，同時也要讓學生認識到自己作為主體的責權(quán)。教師對于學生的指導都必須建立在這個基礎(chǔ)之上。

2.策略

（1）教學情境應(yīng)該根據(jù)生活來創(chuàng)設(shè)

教師在教學過程中應(yīng)該根據(jù)教學內(nèi)容創(chuàng)設(shè)生動形象的具體場景，從而借助創(chuàng)設(shè)的情景將3D打印技術(shù)作為一種工具引入教學過程之中。有效的創(chuàng)設(shè)情境要從教學內(nèi)容與生活密切聯(lián)系的地方入手，利用學科知識在生活中的應(yīng)用來創(chuàng)設(shè)情境，可以讓學生利用所學到的學科知識來解決生活中的問題并切身體會到所學知識的重要性。

（2）重視學生的合作學習

3D打印技術(shù)與學科教學結(jié)合的時候往往處于一個較為復雜的情境中，因此學生在使用3D打印技術(shù)的時候經(jīng)常需要合作以保障任務(wù)的完成。學生的合作學習必須建立在選擇內(nèi)容恰當、合作時間充裕、有明確目標的基礎(chǔ)上的，并且需要教師適時地進行指導，學生之間也要積極地互相幫助。

（3）基于學生的自主探究進行指導

自主探究教學法是引導學生的自主學習以促使學生進行主動的知識建構(gòu)的教學模式。在教學中激發(fā)學生對學習的興趣，引導學生積極主動地去探索學習，啟發(fā)學生獨立思考，能夠讓學生學會發(fā)現(xiàn)問題解決問題的策略，促進學生理解基礎(chǔ)知識、掌握基本技能、感悟?qū)W科思想。

（二）具體案例

《圓柱》系列課程教學以常規(guī)教學模式為基礎(chǔ)，將數(shù)學課與3D課程結(jié)合，讓學生在學習過圓柱的基礎(chǔ)知識能夠掌握圓柱的基本特征后學會運用3DOne打印軟件，設(shè)計制作小木桶的各個組成部分的零件，最后再利用學生自己制作出的小木桶來合作探究圓柱的體積和容積相關(guān)的問題。這樣讓數(shù)學學習與真實情景中的問題結(jié)合，能夠使數(shù)學與生活聯(lián)系地更加緊密，學生也能夠通過探究真實問題從而更透徹地理解知識，提高發(fā)現(xiàn)問題、探究問題和解決問題的能力，提高思維的創(chuàng)造性。下面以《圓柱》系列課程中的第4課《圓柱的表面積與體積》為例介紹思路。

1.從學生出發(fā)，創(chuàng)設(shè)真實情境，密切聯(lián)系生活

課程以“小木桶”為線索將數(shù)學課程與3D課程串聯(lián)起來開展教學活動。這種基于真實物體的探索為學生提供了一個包含待解決問題的真實情境，并且“小木桶”是生活中常見的物品，它讓課程探究與實際生活密切聯(lián)系了起來。

教師引導學生運用零件小組合作拼接木桶，讓學生思考有關(guān)木桶的最多儲水量的問題，并提出“木桶原理”（一只木桶盛水的多少，并不取決于桶壁上最高的那塊木塊，而恰恰取決于桶壁上最短的那塊）與“新木桶原理”（如果把木桶放置在一個斜面上的時候，木桶裝水的多少就取決于最長的一塊板子的長度）來啟發(fā)學生思考。

2.引導學生自主探究、合作學習

教師引導學生運用第3課運用3DOne軟件設(shè)計打印出的“小木桶”的組成部分的零件，并通過自主思考與小組合作相結(jié)合的方式探究有零件組拼接而成的“小木桶”的體積和容積。通過“木桶原理”和“新木桶原理”來讓學生理解最多儲水量與木條之間的相互配合有關(guān)，由此培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和處理實際問題的能力。

四、結(jié)語

本文從創(chuàng)客教育理念與境遇、3D打印技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及以小學數(shù)學為例的教學設(shè)計思路三個方面探討了3D打印技術(shù)應(yīng)用于學科教學中的具體思路。3D打印技術(shù)是基于創(chuàng)客教育來應(yīng)用到小學學科教學之中的，在學科教學中借助3D打印技術(shù)能夠鍛煉學生的實踐能力，培養(yǎng)學生的設(shè)計思維、空間思維、創(chuàng)新思維以及操作技能，從而培養(yǎng)出能夠適應(yīng)時代發(fā)展需要的創(chuàng)新人才。

參考文獻

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