基于STEAM理念的3D打印課程教學(xué)設(shè)計(jì)研究

王星華　白凌燕　董黎明　焦寶聰

摘 要：隨著STEAM教育理念的興起，培養(yǎng)擁有跨學(xué)科思維能力人才成為教育研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著STEAM教育理念的普及，開展3D打印課程對(duì)于培養(yǎng)跨學(xué)科思維能力具有十分重要的作用。文章首先概述了STEAM教育的內(nèi)涵，然后通過對(duì)STEAM教育與3D打印課程教學(xué)設(shè)計(jì)關(guān)系的探討，提出基于STEAM教育理念的3D打印課程的教學(xué)設(shè)計(jì)模型，并以具體課程實(shí)施為例進(jìn)行驗(yàn)證，以期為相關(guān)研究與實(shí)踐者提供參考。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;教學(xué)設(shè)計(jì);3D打印課程;

中圖分類號(hào)：G434;G423? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2020）14-0025-05

一、引言

隨著STEAM教育的普及，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合能力越來越成為社會(huì)和國家關(guān)注的焦點(diǎn)。教學(xué)設(shè)計(jì)作為培養(yǎng)創(chuàng)新能力和綜合能力的重要途徑也越來越成為教育研究與實(shí)踐者關(guān)注的熱點(diǎn)。鄭賢從基于問題的學(xué)習(xí)方式與STEAM融合的角度出發(fā)，為了提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力和解決問題能力，提出了基于真實(shí)情景，在解決問題的過程中掌握3D打印知識(shí)的教學(xué)模式[1]，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新能力方面具有積極的作用。也有學(xué)者基于工程設(shè)計(jì)教學(xué)模式，提出首先為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，激起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，使所學(xué)知識(shí)與實(shí)際生活結(jié)合;其次教師可將工程設(shè)計(jì)過程作為所學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用拓展引入科學(xué)課程設(shè)計(jì)[2]，在提高學(xué)生積極主動(dòng)性方面具有積極的作用。郭鴻曾等基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式與STEAM教育融合的角度出發(fā)，提出給學(xué)生提供項(xiàng)目目標(biāo)，以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的方式，解決項(xiàng)目目標(biāo)問題 ，對(duì)于學(xué)生在未來事業(yè)追求上的態(tài)度具有正面作用。工程設(shè)計(jì)教學(xué)、項(xiàng)目式教學(xué)對(duì)主題研究非常重要，目前基于STEAM的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)研究也取得了很大的進(jìn)步和成果。但是，STEAM教育與3D打印課程融合的項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)還存在一些空白，本研究聚焦于基于STEAM教育的3D打印課程教學(xué)設(shè)計(jì)的研究。

二、研究背景

1.STEAM 教育

學(xué)者們從不同的角度對(duì)STEAM教育理念提出了不同的觀點(diǎn)，代表性的有下列幾種：①美國最先從培養(yǎng)人才的角度出發(fā)提出STEAM教育，認(rèn)為STEAM教育重在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等的綜合素養(yǎng)，但并不是四種素養(yǎng)的簡(jiǎn)單結(jié)合，而是將學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)和技術(shù)協(xié)同發(fā)展的過程[3]。②芬蘭出臺(tái)的 LUMA 計(jì)劃，從學(xué)生主體角度出發(fā)，認(rèn)為在加強(qiáng)STEAM教育實(shí)踐的同時(shí)也在加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。③我國學(xué)者王素解讀《2017 年中國 STEM教育白皮書》，從 STEM教育功能的角度出發(fā)，認(rèn)為STEM教育是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)能力、批判思維能力和協(xié)作能力的載體[4]。雖然STEAM教育各種定義的重心不同，但研究者們?nèi)匀贿_(dá)成了一些共識(shí)： STEAM教育旨在培養(yǎng)擁有跨學(xué)科思維的能力，是使學(xué)生全面發(fā)展和增加學(xué)生對(duì)各學(xué)科學(xué)習(xí)興趣的載體。

綜上所述，本研究對(duì)STEAM教育概念界定為：①跨學(xué)科綜合理念。STEAM教育強(qiáng)調(diào)將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)相互聯(lián)系起來，用更寬闊的視角來重新理解教育的含義和范圍，并且在實(shí)踐中探尋數(shù)學(xué)與科學(xué)的新價(jià)值[3]。②“做中學(xué)”理念。STEAM強(qiáng)調(diào)在實(shí)踐中培養(yǎng)解決問題和自主學(xué)習(xí)的能力。③項(xiàng)目式教學(xué)理念與協(xié)作學(xué)習(xí)教學(xué)理念。培養(yǎng)協(xié)作能力和基于項(xiàng)目解決問題的能力[5]。

2.3D打印

學(xué)者們基于不同的角度對(duì)3D打印提出不同的理解，代表性的觀點(diǎn)有：①第三次工業(yè)革命從原理的角度出發(fā)，認(rèn)為3D打印也叫“三維打印”，基于原型所創(chuàng)建的三維設(shè)計(jì)圖，運(yùn)用塑料、樹脂或其他原料，通過逐層打印快速完成實(shí)體模型[1]。②王萍從與傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)比突出特點(diǎn)的角度出發(fā)，認(rèn)為3D打印可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制作，縮短了產(chǎn)品的制作時(shí)間，減少原材料的浪費(fèi)率[6]。③基于杜威“做中學(xué)”的思想，有學(xué)者從3D打印在教育中應(yīng)用效果的角度出發(fā)，認(rèn)為3D打印革新教學(xué)模型制作的周期和方式，也促進(jìn)創(chuàng)新學(xué)生教學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣也有了極大的提高。雖然3D打印的各種定義重心不同，但它們之間是不存在沖突的，本研究將從教學(xué)的角度出發(fā)，把3D打印定義為一種激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、并且可以打破硬件環(huán)境限制、把學(xué)生設(shè)想變成實(shí)體的一種技術(shù)。

3.3D打印課程的教學(xué)設(shè)計(jì)與STEAM教育的關(guān)系

STEAM教育通過科技創(chuàng)新和學(xué)科實(shí)踐兩種方式為教師實(shí)施STEAM教學(xué)提供支持，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力、合作能力、交流能力以及創(chuàng)造性思維能力的目的[7]。3D打印課程的教學(xué)模式與STEAM教育模式有很大的聯(lián)系，兩者對(duì)比如表1所示。STEAM教學(xué)模式為3D打印課程的教學(xué)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。3D打印課程在STEAM教學(xué)模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠運(yùn)用當(dāng)下所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行三維圖設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)3D打印實(shí)物，實(shí)現(xiàn)學(xué)有所用、學(xué)以致用、學(xué)以活用。

三、基于STEAM教育的3D打印課程教學(xué)模式

經(jīng)過中外文獻(xiàn)研究，我們整理出了基于STEAM的教學(xué)模式中所具備的共同要素，包括真實(shí)情境、關(guān)鍵問題、方案設(shè)計(jì)、實(shí)施、改進(jìn)以及形成最終產(chǎn)品后的交流展示?，F(xiàn)在很多STEAM教學(xué)有點(diǎn)脫離學(xué)生所處階段學(xué)習(xí)的知識(shí)，而是為了創(chuàng)新而創(chuàng)新，為了學(xué)科綜合而綜合，這樣學(xué)生難以形成系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)。本研究基于STEAM教育，與當(dāng)下所學(xué)知識(shí)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生在理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)踐，形成系統(tǒng)的知識(shí)體系。該教學(xué)模式如圖1所示。

1.準(zhǔn)備工作

（1）學(xué)生分析

分析學(xué)生的基本信息，包括年級(jí)、現(xiàn)有知識(shí)體系、具備的技術(shù)技能、資料搜集能力等。教師不但要分析學(xué)生，也要進(jìn)行自我分析，為開展教學(xué)做好充分的準(zhǔn)備。

（2）確定學(xué)習(xí)主題

主題內(nèi)容要緊跟學(xué)生目前的知識(shí)學(xué)習(xí)進(jìn)展，不能脫離知識(shí)體系。3D打印作為一門輔助課程，要輔助學(xué)生將所學(xué)知識(shí)建構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的體系。

2.課前

教師需要充分了解學(xué)生目前的學(xué)習(xí)進(jìn)度和現(xiàn)有知識(shí)量，以微課的形式提前組織好教學(xué)資源，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生進(jìn)行課前自主學(xué)習(xí)。①教學(xué)目標(biāo)。PPT展示總體教學(xué)目標(biāo)，并且提出本節(jié)課需要完成的目標(biāo)。②教學(xué)目標(biāo)分析。對(duì)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行分析，使學(xué)生更清楚應(yīng)該在知識(shí)層面和情感價(jià)值層面的掌握程度以及需要具備何種技能。③微課導(dǎo)入。以4—5分鐘的微課，把這節(jié)課目標(biāo)和需要用到的知識(shí)、技術(shù)、機(jī)器進(jìn)行簡(jiǎn)單的引導(dǎo)。

3.課中

如圖2所示，小組合作分析討論問題，教師設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)情境和環(huán)境以及學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)生分別通過獨(dú)立學(xué)習(xí)、小組協(xié)作和教師指導(dǎo)完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（1）教學(xué)情景設(shè)計(jì)

①教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)。包括兩個(gè)方面，教學(xué)物理環(huán)境設(shè)計(jì)，根據(jù)目的性、豐富性、心理性和審美性原則，利用整理協(xié)調(diào)、增強(qiáng)特性、利用優(yōu)勢(shì)和自控自理的策略，設(shè)計(jì)微課導(dǎo)入視頻和3D打印實(shí)驗(yàn)室的操作環(huán)境;教學(xué)心理環(huán)境設(shè)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)一性原則、整體性原則和快樂性原則，建立積極的課堂環(huán)境，使學(xué)生有情緒上的安全感，形成積極的認(rèn)知定向。②教學(xué)資源的設(shè)計(jì)。資源指教學(xué)過程中需要用到的硬件資源和軟件資源，比如多媒體和教材等以及3D打印課需要的3D打印機(jī)。教學(xué)資源設(shè)計(jì)是指把教學(xué)資源根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和提供的教學(xué)環(huán)境進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。③認(rèn)知工具設(shè)計(jì)。認(rèn)知工具是對(duì)學(xué)生思想過程給予支持、指導(dǎo)的模型和工具[8]，能夠幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)新知，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和綜合性思維具有重要影響。字帖、畫筆、模型等都可稱為認(rèn)知工具。

（2）教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

①學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)。學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)要通過獨(dú)自思考的模式培養(yǎng)學(xué)生自主探究和解決問題的能力。②協(xié)作學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)。通過協(xié)作學(xué)習(xí)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)之間相互協(xié)作的默契和能力。協(xié)作學(xué)習(xí)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為前提。③教師指導(dǎo)活動(dòng)設(shè)計(jì)?！皩W(xué)生為主，教師為輔”是目前提倡的教學(xué)模式，教學(xué)活動(dòng)中，由于學(xué)生知識(shí)庫受限，還不具備獨(dú)立解決問題的能力，教師需要對(duì)學(xué)生未達(dá)到的知識(shí)水平進(jìn)行輔助講解，指導(dǎo)學(xué)生更順利地完成教學(xué)目標(biāo)。

4.課后

每節(jié)課教學(xué)完成之后進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)，教學(xué)評(píng)價(jià)在教師教學(xué)設(shè)計(jì)和學(xué)生學(xué)習(xí)不斷進(jìn)步的過程中起著至關(guān)重要的作用。

首先，評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)表格，分別從數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度、美觀程度、軟件和機(jī)器使用流程和匯報(bào)陳述表達(dá)等幾方面進(jìn)行評(píng)價(jià);然后，評(píng)價(jià)工具設(shè)計(jì)，打印評(píng)價(jià)表格，各個(gè)小組之間進(jìn)行相互打分，每個(gè)人有一個(gè)貼簽，在自己喜歡的作品上貼簽。

四、基于STEAM教育的3D打印課程的教學(xué)設(shè)計(jì)案例

基于STEAM教育與3D打印融合的教學(xué)模式包括三個(gè)環(huán)節(jié)，以課中為核心環(huán)節(jié)。筆者基于該模式展開了一節(jié)利用3D打印機(jī)和SolidWorks軟件設(shè)計(jì)地球和月球模型的教學(xué)設(shè)計(jì)。

1.準(zhǔn)備工作

學(xué)習(xí)對(duì)象為7年級(jí)學(xué)生，擁有自主上網(wǎng)查詢資料的能力，不會(huì)使用SolidWorks軟件和3D打印機(jī)，目前在學(xué)習(xí)地球與月球和相關(guān)知識(shí);擁有圓的相關(guān)知識(shí)。教師具備教授3D打印機(jī)和SolidWorks的能力。

2.課前

教師首先展示教學(xué)目標(biāo)，然后播放微課視頻，讓學(xué)生帶著問題觀看微課視頻。

教學(xué)目標(biāo)：①學(xué)生根據(jù)最近所學(xué)的地理知識(shí)，回顧地球和月球的半徑大小的關(guān)系，兩個(gè)星球分別為什么形狀;②學(xué)生設(shè)計(jì)并打印出兩個(gè)星球的模型，要求比例符合實(shí)際情況。

微課導(dǎo)入：微課內(nèi)容為兩個(gè)星球的運(yùn)動(dòng)情況和兩個(gè)星球半徑的數(shù)據(jù)，并且加入已做出的模型。

3.課中（見表2）

4.課尾

小組評(píng)價(jià)：各小組都收到一個(gè)表格，這個(gè)表格分別從數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、軟件設(shè)計(jì)的流程、3D打印使用過程的規(guī)范性、匯報(bào)的流利性、作品的美觀程度等五個(gè)方面對(duì)各小組作品進(jìn)行打分，每項(xiàng)20分，把分?jǐn)?shù)寫在表格上，交給教師。

個(gè)人評(píng)價(jià)：每個(gè)人手里都有一個(gè)貼紙，把它貼在你認(rèn)為上等的作品上。

五、基于STEAM教育的3D打印課程的教學(xué)設(shè)計(jì)原則

1.以“培養(yǎng)全面發(fā)展的人”為中心

STEAM教育要培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科綜合能力，換言之就是培養(yǎng)全面發(fā)展的人，是在傳統(tǒng)教育的反思上形成的新型的教育思想?；赟TEAM教育的3D打印課程，需要結(jié)合科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)、技術(shù)和美學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，在設(shè)計(jì)模型時(shí)，我們需要收集數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)計(jì)算和技術(shù)基礎(chǔ)，在進(jìn)行3D 打印時(shí)，回顧和重組之前所學(xué)的各學(xué)科知識(shí)，使學(xué)生把所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建，進(jìn)而可以跨學(xué)科運(yùn)用，全面發(fā)展。

2.以“項(xiàng)目、問題或分歧”為驅(qū)動(dòng)

基于STEAM教育的3D打印課程，教師設(shè)計(jì)項(xiàng)目或問題，使學(xué)生在分析項(xiàng)目或問題、解決問題和反思問題的過程中實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)，形成創(chuàng)意和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)物[9]。同時(shí)，促進(jìn)學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)問題并提出分歧，進(jìn)而能在解決過程中提出新的創(chuàng)意，并在創(chuàng)設(shè)的過程中再次發(fā)現(xiàn)新問題，促進(jìn)新的創(chuàng)意迭代產(chǎn)生[10]。

3.以“學(xué)生為主、教師為輔”為基礎(chǔ)

在STEAM教育到來之前，就有很多學(xué)者注意到教育的誤區(qū)。隨著STEAM教育的深入，開始改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，基于STEAM教育的3D打印課程，教師只是把技術(shù)使用的入門教給學(xué)生，然后設(shè)計(jì)一個(gè)問題或一個(gè)項(xiàng)目，讓學(xué)生以解決問題或完成項(xiàng)目為目的展開學(xué)習(xí)，學(xué)生成為課堂的主體，教師只是在學(xué)生遇到棘手的問題時(shí)，給出建議或者技術(shù)支持。

4.以“展示和交流”為動(dòng)力

STEAM教育是一個(gè)不斷迭代的過程，教學(xué)模式?jīng)]有絕對(duì)的起點(diǎn)以及終點(diǎn)，要在“問題—設(shè)計(jì)—制作—調(diào)整”的循環(huán)過程中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。學(xué)生在創(chuàng)造一個(gè)作品時(shí)都希望得到大家的欣賞，因?yàn)橐故?，所以學(xué)生會(huì)更有動(dòng)力去設(shè)計(jì)創(chuàng)造。通過展示之后的交流，可以根據(jù)其他同學(xué)分享的可行性提議對(duì)作品進(jìn)行調(diào)整修改和完善。

5.以“微課和3D打印環(huán)境”為載體

基于STEAM教育的3D打印課程，以微課的形式導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造的興趣，同時(shí)引起學(xué)生對(duì)知識(shí)的回顧。3D打印環(huán)境為學(xué)生創(chuàng)造作品提供機(jī)器、工具、材料和軟件等的支持，一方面有利于學(xué)生提高動(dòng)手操作能力，另一方面為學(xué)生實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意提供條件[10]。

6.以STEAM課程的“科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性”為尺度

一方面，目前很多STEAM教育只是流于形式，并沒有注重與學(xué)生當(dāng)前整個(gè)知識(shí)形成一個(gè)系統(tǒng);另一方面，在搜集數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大概、近似于之類的詞語，而科學(xué)應(yīng)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹TEAM教學(xué)一般是問題驅(qū)動(dòng)的，從現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)現(xiàn)問題，運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)進(jìn)行研究解決的，對(duì)于問題的確立一般可以從科學(xué)性、可行性、價(jià)值性、創(chuàng)新性四個(gè)方面進(jìn)行考慮。探究問題不單凝固于形式，而要開展真正的探究活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生為主體互相討論探究，形成自己的想法，進(jìn)行迭代，繼續(xù)修正進(jìn)行探究活動(dòng)，使學(xué)生的類屬不斷擴(kuò)大，對(duì)于知識(shí)的理解不斷加深[7]。STEAM的教學(xué)中其關(guān)注點(diǎn)不在于特定的答案，而在于幫助學(xué)生學(xué)習(xí)形成良好的學(xué)習(xí)素養(yǎng)[7]。

六、結(jié)束語

本文提出基于STEAM教育理念的3D打印課程的教學(xué)設(shè)計(jì)，并在教學(xué)設(shè)計(jì)中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生為主體，基于STEAM的理念，綜合跨學(xué)科知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用。任何一個(gè)新的教學(xué)設(shè)計(jì)，從提出到被接受都要經(jīng)過一個(gè)過程，本文提出的基于STEAM教育理念的3D打印課程的教學(xué)設(shè)計(jì)在教學(xué)實(shí)踐過程中的應(yīng)用還存在一些不足之處：[10]一是本研究實(shí)驗(yàn)的時(shí)間較短，沒有大量的數(shù)據(jù)充分證明新提出來的教學(xué)設(shè)計(jì)模式的效果，是否能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的目的;二是提出的教學(xué)設(shè)計(jì)模式是基于傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)模板，教學(xué)模式由于學(xué)科類別的不同也具有一定的差異性，如何在傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)模式中體現(xiàn)與以往教學(xué)設(shè)計(jì)的效果差異仍有待進(jìn)一步研究的考證。

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（編輯：魯利瑞）

*基金項(xiàng)目：北京市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)課題“基礎(chǔ)教育學(xué)校課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究”（編號(hào)：ABA15008）。