Solid Learning Model在STEAM教育的應(yīng)用研究

王雨峰　馮園

摘 要

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D打印已經(jīng)成為深受教育界歡迎的重要技術(shù)，被稱為創(chuàng)客教育的“三劍客”之一，基于3D打印技術(shù)形成的行塑學(xué)習(xí)模型（Solid Learning Model）也成為教學(xué)改革研究熱點。本文根據(jù)3D打印技術(shù)特點，通過對行塑學(xué)習(xí)模型的理論研究，結(jié)合3D打印技術(shù)在創(chuàng)客教育的應(yīng)用，創(chuàng)設(shè)可供師生設(shè)計與參與的優(yōu)質(zhì)項目，為其提供深層次的體驗活動，探索行塑學(xué)習(xí)模型在STEAM教育中應(yīng)用的有效途徑，推動“做中學(xué)、做中創(chuàng)”，極大激發(fā)師生學(xué)習(xí)熱情，實現(xiàn)跨學(xué)科創(chuàng)新學(xué)習(xí)與思考，進(jìn)而培養(yǎng)其創(chuàng)新思維、空間想象及創(chuàng)造設(shè)計等綜合能力。

關(guān)鍵詞

3D打印技術(shù);行塑學(xué)習(xí);Solid Learning 教學(xué);STEAM教育

中圖分類號： G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.046

0 引言

3D打印技術(shù)屬于快速成型技術(shù)的一種，建立在數(shù)字模型的基礎(chǔ)之上，通過把粉末狀塑料（常見有ABS和PLA材料）或金屬等材料，按模型參數(shù)逐層疊加，實現(xiàn)物體建構(gòu)。3D打印技術(shù)具有快速制造、三維集成、完全再現(xiàn)及零廢棄的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性等特點，目前已經(jīng)在航空航天、工業(yè)制造、機(jī)械加工、建筑、醫(yī)學(xué)、文化藝術(shù)等眾多領(lǐng)域取得重要應(yīng)用。

隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，創(chuàng)客教育越來越受歡迎，進(jìn)而促進(jìn)STEAM教育理念發(fā)展及推廣。[1]2012年，基于3D打印技術(shù)的行塑學(xué)習(xí)模型（Solid Learning Model）由美國學(xué)者拉尼柯克.豪斯曼率先提出，該教學(xué)方法推動教育改革創(chuàng)新，讓教學(xué)變動更加直觀、生動而真實，促進(jìn)師生更加及時有效互動，提供豐富的沉浸式學(xué)習(xí)和立體化的思維，有效培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

1 核心概念

1.1 行塑學(xué)習(xí)模型（Solid Learning Model）

Solid Learning Model是在體驗式學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)之上的升級，通過把3D打印技術(shù)和數(shù)字制造技術(shù)引入傳統(tǒng)課堂，為學(xué)生提供了沉浸式學(xué)習(xí)，創(chuàng)造了個性化、交互性和情境性等豐富多彩的教學(xué)方式，激發(fā)師生學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生參與度。

1.2 STEAM教育

STEAM教育指五個學(xué)科的融合教育，具體包括有科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）和藝術(shù)（Art）。該教育理念由美國人在20世紀(jì)80年代提出，得到奧巴馬的大力支持，在中小學(xué)得到廣泛應(yīng)用推廣，對課程融合、綜合教育起到積極推動作用，為學(xué)生培養(yǎng)了動手實踐、改革創(chuàng)新及跨學(xué)科綜合運(yùn)用能力。[2]

STEAM教育首先打破傳統(tǒng)學(xué)科教育的隔閡，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科知識融合，重視學(xué)生親自去體驗與實操的過程，旨在把知識運(yùn)用到實踐中;其次，通過開展項目化學(xué)習(xí)過程，實現(xiàn)“做中學(xué)、做中創(chuàng)”，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的能力;最后在學(xué)以致用的過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，促成實踐創(chuàng)新的教學(xué)目標(biāo)。

2 理論依據(jù)

創(chuàng)新能力是一種創(chuàng)造新穎和適切工作的能力，本質(zhì)上培養(yǎng)的是一種精神，具體包括探索未知、發(fā)現(xiàn)及挖掘新事物、主動學(xué)習(xí)并掌握新技術(shù)及新方法，在此基礎(chǔ)上做到靈活運(yùn)用所學(xué)知識、創(chuàng)新思維、分析及解決現(xiàn)實生活真實問題。

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)主要有三個因素：

1）教師直接或間接鼓勵行為的影響。教師支持鼓勵學(xué)生開展積極有效創(chuàng)新實踐，學(xué)生發(fā)揮個人主觀能動性，創(chuàng)新學(xué)習(xí)的過程。

2）培育主動學(xué)習(xí)、積極探索的學(xué)習(xí)氛圍，這是培育創(chuàng)新能力的重要因素。教師應(yīng)高度關(guān)注并鼓勵學(xué)生主動參與的勇氣，讓學(xué)生在一個開放包容、多元化的學(xué)習(xí)環(huán)境中，可更好調(diào)動其學(xué)習(xí)熱情及創(chuàng)新能力。

3）創(chuàng)新需要有效交互性活動。傳統(tǒng)教學(xué)局限于教室空間，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展，更多虛擬學(xué)習(xí)與3D技術(shù)都為創(chuàng)造交互學(xué)習(xí)環(huán)境做出重要貢獻(xiàn)。

行塑學(xué)習(xí)模式是一直高度沉浸時的學(xué)習(xí)方式，相比傳統(tǒng)教學(xué)，學(xué)生可以獲得更多參與機(jī)會，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

1）個性化學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)教學(xué)僅提供選擇空間，本質(zhì)上屬于“被動式”的個性化教學(xué);相比而已，行塑學(xué)習(xí)為學(xué)生提供更多可能性，借助3D打印技術(shù)讓任何設(shè)計可以快速變?yōu)楝F(xiàn)實，學(xué)習(xí)充滿立體感和深度感，讓學(xué)生更愿意去嘗試不同的個性化效果，由此推動個性化氛圍營造，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高其自信心，實現(xiàn)創(chuàng)新思維的培育。

2）交互性學(xué)習(xí)。社會建構(gòu)主義理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)應(yīng)該是學(xué)生與環(huán)境相互作用，相互影響的建構(gòu)。教學(xué)過程是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)掌握知識，解決關(guān)鍵問題的過程，而任何問題的真正解決離不開團(tuán)隊的相互協(xié)作。行塑學(xué)習(xí)提供豐富的團(tuán)隊協(xié)作任務(wù)，每一個項目的設(shè)計、制作都需要團(tuán)隊相互支持，共同協(xié)商確定解決方案。最終實物成果也是方便相互學(xué)習(xí)，從二維升級到三維空間，創(chuàng)造更多交流空間，促進(jìn)思維分享和行為互動。

3）情境學(xué)習(xí)?；诮?gòu)主義的認(rèn)知理論，情境學(xué)習(xí)的當(dāng)代學(xué)習(xí)理論最重要的核心，在做中學(xué)的效果是最好的。在情境中的實踐應(yīng)用，有助于知識的創(chuàng)新與應(yīng)用。行塑學(xué)習(xí)創(chuàng)造了真實豐富的情境，相比傳統(tǒng)的抽象知識的學(xué)習(xí)，通過設(shè)計實物模型將知識與動手實踐有機(jī)結(jié)合，促使學(xué)生獲得愉快的學(xué)習(xí)體驗，幫助學(xué)生革新思維去完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

4）跨學(xué)科學(xué)習(xí)。行塑學(xué)習(xí)在提供感知沉浸學(xué)習(xí)的同時，對學(xué)生提出跨學(xué)科要求，需要綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、藝術(shù)、工程、科學(xué)等多學(xué)科的知識，來綜合解決實際問題。從理論研究到設(shè)計、從三維模型到實物，整個過程都有利于培養(yǎng)學(xué)生的跨界能力，尤其是跨越學(xué)科邊界獲取延伸、拓展和遷移能力。

3 應(yīng)用研究

3D打印技術(shù)應(yīng)用包括3D設(shè)計建模和3D打印輸出兩個部分，3D打印輸出只是把創(chuàng)新設(shè)計的3D數(shù)字模型進(jìn)行實體化的過程，而3D設(shè)計建模才是3D打印技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此基于3D打印技術(shù)開展STEAM教育的核心是三維創(chuàng)意設(shè)計，即以三維軟件和3D打印機(jī)應(yīng)用為主的課程。

1）3D打印的創(chuàng)造性

3D打印的創(chuàng)新首先在于使用的“墨水”不同。傳統(tǒng)打印使用的普通墨水（包括激光和噴墨打?。┩瓿墒瞧矫娴拇蛴?，而3D打印需要完成空間三維的打印，就必須使用不同的材料，常用有ABS和PLA。ABS樹脂全稱是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，英文名Acrylonitrile Butadiene Styrene，具有較高強(qiáng)度及韌性，易于加工成型，屬于熱塑型高分子材料;PLA再生塑料全稱是聚乳酸，英文名Polylactic acid，由于該材料使用是可再生的植物資源，由其淀粉原料加工而成，可在自然環(huán)境中實現(xiàn)生物見解，屬于環(huán)境友好材料。這些固體材料通過電腦程序控制，在打印頭中加熱變成液體后擠出，在空氣中迅速冷卻后又變成固體，像春蠶吐絲一樣通過層層堆積，最后由3D數(shù)字模型轉(zhuǎn)變化為3D固體模型，完成了3D打印任務(wù)。另外還有像普通塑料、尼龍、石蠟、食材、紙、水泥、金屬或陶瓷的粉末等都可以作為3D打印機(jī)的“墨水”。

在STEAM教育中，3D打印技術(shù)幫助師生把創(chuàng)意和想法變?yōu)楝F(xiàn)實，可用于各個學(xué)科的教學(xué)中，把具體知識點或問題轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?、立體的3D打印作品，基于Solid Learning 教學(xué)，讓3D打印技術(shù)與各學(xué)科教學(xué)緊密聯(lián)系在一起。例如在基礎(chǔ)學(xué)科中，把語文、英語中典型人物、代表建筑打印成實物模型，幫助學(xué)生更好理解故事情節(jié)與人物感情;把數(shù)學(xué)中立體幾何模型打印出來，幫助學(xué)生更好學(xué)習(xí)了解三維空間的結(jié)構(gòu);把物理中抽象的磁場、電力結(jié)構(gòu)圖形打印出來，把無形抽象的知識有形化;把化學(xué)中3D分子、原子模型，實現(xiàn)微觀粒子結(jié)構(gòu)實體化;把生物中細(xì)胞、病毒、器官等打印出來，讓不能直接看到的內(nèi)容樣本化;把歷史中有考古意義的古代器物復(fù)制出來，方便進(jìn)一步的觀察和研究;把地理中真實的地勢圖和人口分布圖打印出來，幫助學(xué)生更直觀地分析地形及人口分布;把美術(shù)中藝術(shù)品打印出來，提升學(xué)生對美術(shù)作品鑒賞能力。[3]而在專業(yè)課程中，3D打印技術(shù)可以發(fā)揮更大的價值，比如在機(jī)器人制作課程中可打印自己設(shè)計出的機(jī)器人配件，根據(jù)自己的想象發(fā)明一臺新型機(jī)器人;在無人機(jī)維修課程，可以根據(jù)需要自行定制零部件，實現(xiàn)個性化創(chuàng)意作品。[4]

2）基于3D打印的行塑學(xué)習(xí)模型

隨著無人機(jī)、人工智能及大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，創(chuàng)客教育深受學(xué)生及家長的青睞，3D打印技術(shù)由快速成型、逆向工程和三維設(shè)計組成，已經(jīng)成為創(chuàng)客教育重要組成部分，為學(xué)生的創(chuàng)新學(xué)習(xí)提供更多可能。因此，基于3D打印開展行塑學(xué)習(xí)教學(xué)，首先是創(chuàng)設(shè)項目情境，問題源自生活及實踐需要，有一定針對性，學(xué)生在教師引導(dǎo)下，以小組合作的方式，開展探究式學(xué)習(xí)，分析問題，查找資料，團(tuán)隊交流協(xié)作，共同提出解決問題的方案，總結(jié)思考不斷改進(jìn)，進(jìn)而完成更好作品。整個教學(xué)過程中教師為引導(dǎo)，學(xué)生為主體，強(qiáng)調(diào)由學(xué)生親自操作，通過3D打印過程獲得最有效的學(xué)習(xí)體驗，幫助學(xué)生開展好自主化學(xué)習(xí)、組織豐富多彩的個性化及探究式學(xué)習(xí)，獲得分析及解決問題的能力，學(xué)會辯證思維，提高專業(yè)技能，提升創(chuàng)新創(chuàng)造能力等。[5]

為了促進(jìn)資源共享，建立3D模型資源平臺，提供常用技術(shù)支持，比如2D轉(zhuǎn)3D、3D積木、3D浮雕等，讓三維建模變成簡單輕松的事情，讓設(shè)計的過程變得更加輕松愉悅;同時有助于思想碰撞，產(chǎn)生更多創(chuàng)意與優(yōu)秀作品。

3）創(chuàng)新評價體系

教學(xué)模式的改革創(chuàng)新必然推動教學(xué)評價的創(chuàng)新，因此根據(jù)教學(xué)過程及思維層次制定合理評價體系。學(xué)校層面從學(xué)校整體創(chuàng)新環(huán)境、學(xué)生創(chuàng)新能力、創(chuàng)新學(xué)習(xí)特點、教師創(chuàng)新教學(xué)等方面來綜合評價學(xué)校創(chuàng)新指數(shù)。教師層面從教師師德、教學(xué)能力、教育創(chuàng)新、科研能力等方面綜合評價教師專業(yè)發(fā)展。學(xué)生層面從品德素養(yǎng)、學(xué)習(xí)素養(yǎng)、創(chuàng)新素養(yǎng)等方面綜合評價學(xué)生個體發(fā)展。

4 結(jié)束語

創(chuàng)客教育把信息技術(shù)融入傳統(tǒng)學(xué)科教學(xué)，創(chuàng)新開辟了新的教育園地。在3D打印技術(shù)能夠?qū)㈦娔X里的虛擬3D數(shù)字模型快速地打印出3D實物模型功能的支持下，行塑學(xué)習(xí)模型（Solid Learning Model）為STEAM教育提供了豐富實踐，從“思”到“造”再到“創(chuàng)”，讓學(xué)生的想象變?yōu)楝F(xiàn)實，讓其在主動參與創(chuàng)新與設(shè)計的過程中，充分發(fā)揮想象力與創(chuàng)造力，認(rèn)真細(xì)致地分析所建造三維模型，利用3D打印機(jī)最終實現(xiàn)個性化作品創(chuàng)作，并反饋于現(xiàn)代教育與教學(xué)，不僅促進(jìn)3D打印技術(shù)廣泛用于教育領(lǐng)域的各個學(xué)科，更是在新的教學(xué)理念下，為新時期教與學(xué)的改革提供示范與引領(lǐng)。

參考文獻(xiàn)

[1]高勇，劉娜.3D打印與三維創(chuàng)意設(shè)計課程牽引下的創(chuàng)新課程體系研究[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2016（4）：20-22.

[2]傅騫，王辭曉.當(dāng)創(chuàng)客遇上STEAM教育[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2014（10）：37-42.

[3]童宇陽.3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013，23（12）：16-19.

[4]王雨峰，馮園.3D打印在無人機(jī)維修專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].職業(yè)，2018（33）：114-115.

[5]丁焱.3D打印技術(shù)在中小學(xué)創(chuàng)客教育及學(xué)科教育中的整合運(yùn)用[J].教育與裝備研究，2018，34（03）：20-25.