基于 STEAM 項目式學(xué)習(xí)的 3D 打印課程實踐研究

池夢茹

【摘要】深化教育教學(xué)改革使教學(xué)聯(lián)系實踐，努力擺脫長期的重理論輕實踐現(xiàn)象，一直是教育工作者研究的熱點及難點。STEAM教育就是一種項目式的學(xué)科滲透與整合的創(chuàng)新的教學(xué)方式。本文針對高中生動手能力及邏輯思維能力較為成熟的優(yōu)勢，通過項目化的學(xué)習(xí)，以構(gòu)建“3D校園”這一學(xué)生熟悉的場景為切入點來設(shè)計適合在高中階段開展的STEAM課程。

【關(guān)鍵詞】3D打印 ?STEAM教育 ?高中 ?項目式學(xué)習(xí)

【中圖分類號】G63 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）05-0177-02

一、注重過程和各學(xué)科基本素養(yǎng)提升的課程目標(biāo)

《3D物聯(lián)網(wǎng)校園》以國家新課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，融合了STEAM學(xué)科知識，由3D設(shè)計與物聯(lián)網(wǎng)電子創(chuàng)意兩大模塊構(gòu)成，具有跨學(xué)科學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、項目學(xué)習(xí)的特點。通過本課程的開設(shè)與學(xué)習(xí)，讓學(xué)生真正在做中學(xué)，不僅掌握3D建模指令及電子創(chuàng)意的相關(guān)知識，更重要的是通過在具體的項目案例的完成中充分挖掘?qū)W生的潛能，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力的目標(biāo)，提高學(xué)生的創(chuàng)造能力、協(xié)作能力、問題解決能力和動手實踐能力，從而提升學(xué)生各個學(xué)科的基本素養(yǎng)。

通過學(xué)習(xí)3D設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，并理解基于數(shù)字技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計的基本思想與方法。能夠使用建模軟件及切片軟件設(shè)計并打印三維模型，體驗利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計的過程與基本設(shè)計方法的運用。通過Arduino的物聯(lián)網(wǎng)電子創(chuàng)意的學(xué)習(xí)，學(xué)生能綜合利用科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)與數(shù)學(xué)學(xué)科的相關(guān)知識，掌握從創(chuàng)意設(shè)計到作品形成的創(chuàng)作過程。

二、STEAM項目式學(xué)習(xí)的課程設(shè)計

所謂項目式學(xué)習(xí)，即學(xué)生通過一段時間對真實的、復(fù)雜的問題進(jìn)行探究，并從中獲得知識和技能。項目設(shè)計時不僅需要關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，同時也需要考慮項目真實性、持續(xù)性、挑戰(zhàn)性。一般項目式學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)有提出問題、規(guī)劃方案、解決問題和評價反思幾個操作?！?D物聯(lián)網(wǎng)校園》課程就是按照這樣的方式來進(jìn)行設(shè)計。教師提出項目任務(wù)，如現(xiàn)階段傳統(tǒng)教室的優(yōu)缺點，未來智慧教室的發(fā)展趨勢，組織學(xué)生一起討論交流，啟發(fā)學(xué)生思考項目任務(wù)的設(shè)想，最終確定項目的目標(biāo)和任務(wù)。隨后通過基本任務(wù)模板為學(xué)生搭建項目式學(xué)習(xí)的腳手架，選擇探究主題，明確探究任務(wù)，制定主題探究計劃。由學(xué)生制訂項目工作計劃，確定工作步驟和程序，教師在此過程適當(dāng)提醒幫助。學(xué)生實施計劃，收集資料，開展主題探究，分析、總結(jié)資料，制作作品，最后不同組間進(jìn)行展示與評價。教師需要預(yù)定展示作品的時間，進(jìn)行成果展示，進(jìn)行多元化評價。

在讓學(xué)生進(jìn)行正式的項目式學(xué)習(xí)前，學(xué)生的能力與往常的習(xí)慣可能會降低項目式學(xué)習(xí)的效率，在高中階段，學(xué)生額外時間做項目又尤為寶貴，因此，教師需要在常態(tài)化教學(xué)中強化學(xué)生項目式學(xué)習(xí)的能力，讓學(xué)生熟悉項目式學(xué)習(xí)的方式更需要學(xué)生掌握一些基礎(chǔ)知識，在授課過程教師也需要進(jìn)行傳統(tǒng)的講授，為學(xué)生日后更好進(jìn)行項目式學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備。

在常態(tài)課程設(shè)計上主要分為兩大模塊，一部分為3D設(shè)計，著重于校園的外觀、結(jié)構(gòu)及布局;另一部分為Arduino電子創(chuàng)意及物聯(lián)網(wǎng)模塊學(xué)習(xí)，這是3D物聯(lián)網(wǎng)校園的核心，為靜態(tài)的模型校園提供動態(tài)智能控制效果。在兩個模塊的學(xué)習(xí)中都是按照項目式學(xué)習(xí)來設(shè)計，在課程中提出問題，讓學(xué)生來設(shè)計解決并對自己的作品進(jìn)行評價和反思。甚至在項目實施中，專門準(zhǔn)備了一間空教室，將這個教室的裝修設(shè)計和智能化改造作為項目交給學(xué)生。如此項目變得更加真實和具體。這個教室將按照學(xué)生的設(shè)計來布置，讓學(xué)生在真實的實踐中獲取成就感，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動力。

3D課程分為四大專題：專題一主要講授3D原理及硬件打印機(jī)的使用，為后期進(jìn)行打印提供經(jīng)驗，同時提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，包括初識3D打印、3D打印機(jī)原理及操作學(xué)習(xí)、3D建模軟件Sketchup初識、測試模型的建立，涉及學(xué)科有技術(shù)與工程。專題二主要幫助學(xué)生熟練SKETCHUP軟件的基本操作，在操作中滲透STEAM教育，如拼圖中的數(shù)學(xué)原理、排簫中的發(fā)聲原理，包括課程拼圖制作、排簫、印章涉及數(shù)學(xué)，技術(shù)、物理、藝術(shù)等學(xué)科。專題三主要幫助學(xué)生掌握SKETCHUP軟件的高級操作，讓學(xué)生注意建模過程中的一些細(xì)節(jié)問題。包括課程孔明球、手機(jī)支架、六角亭、設(shè)計工程與技術(shù)學(xué)科。專題四通過學(xué)生實際調(diào)研，提供校園圖片，航拍視頻，讓學(xué)生自主實踐，為實際挑戰(zhàn)項目，涉及工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科，學(xué)生能夠利用所學(xué)設(shè)計校園的3D模型。內(nèi)容包括（1）校園小模型：路燈，展示牌。（2）校園建筑模型（分組）。（3）根據(jù)本校的模型結(jié)合自己的學(xué)習(xí)生活，設(shè)計學(xué)校的功能區(qū)域。

Arduino電子創(chuàng)意課程也分為四大專題：專題一主要講授Arduino原理及使用，為后期實踐提供經(jīng)驗，同時提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，內(nèi)容包括初始Arduino、輸入輸出控制、LED、按鈕，主要涉及技術(shù)學(xué)科。專題二主要幫助學(xué)生熟練軟硬件的操作，了解傳感器的原理，接線方式及編程控制，課程內(nèi)容包括面包板使用、線路圖的連接、旋鈕、按鈕、光敏等傳感器的使用，主要涉及技術(shù)與物理學(xué)科。在學(xué)生學(xué)習(xí)一定成果后布置階段性任務(wù)，讓學(xué)生之間形成團(tuán)隊合作，集思廣益，就物聯(lián)網(wǎng)校園進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，形成作品的初步方案，并就可行性，及后期實施步驟做前期準(zhǔn)備。專題三主要幫助學(xué)生掌握了解更多的庫文件，拓展學(xué)生視野，為作品進(jìn)行拓展。主要內(nèi)容包括語音識別擴(kuò)展版、物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展板、特殊傳感器的使用（PH傳感器，指紋識別傳感器）。專題四綜合利用學(xué)生掌握的技能讓學(xué)生進(jìn)行自主實踐完成升級版智能教室制作，如制作教室助手、黑板清潔器、噪音檢測器等。

三、點線面結(jié)合的課程實施方案

項目式學(xué)習(xí)不同于傳統(tǒng)的課堂式教學(xué)，不是為了完成知識傳遞的學(xué)習(xí)模式，而是學(xué)生根據(jù)實際問題，了解熟悉掌握運用知識，因此項目式學(xué)習(xí)有時需要更長的時間，本校以一學(xué)年選修課為周期進(jìn)行項目式學(xué)習(xí)探究，教師在過程中需要時刻的指導(dǎo)和督促。教師在項目式學(xué)習(xí)過程中，第一，要做好項目規(guī)劃：綜合考慮學(xué)生知識技能背景，設(shè)定項目目標(biāo)并給出驅(qū)動問題。第二，提供關(guān)鍵性指導(dǎo)：就學(xué)生的調(diào)研方法、采訪技巧、數(shù)據(jù)分析、知識解惑進(jìn)行專題指導(dǎo)等。第三，促進(jìn)或協(xié)助學(xué)生做好管理：方案制作過程中給予團(tuán)隊管理、時間管理、專家引進(jìn)、修正建議等。第四，教師要給予積極反饋：給學(xué)生提供展示創(chuàng)造機(jī)會并給予反饋、提供評估。

本課程在面上通過學(xué)校的STEAM選修課程針對高一學(xué)生開設(shè)。選修時間為一學(xué)年，每周兩節(jié)課共計60課時。選修課面對全段學(xué)生通過大面積的課堂教學(xué)和活動，學(xué)生進(jìn)行設(shè)計和建模不斷鍛煉動手能力，學(xué)會簡單的物品建模和設(shè)計以及簡單的Arduino電子電路搭建;在線上對社團(tuán)學(xué)生以自主學(xué)習(xí)和教師的課外指導(dǎo)的方式開展。通過課余時間根據(jù)項目要求在創(chuàng)客功能室學(xué)習(xí)制作。這部分學(xué)生是對課程充滿興趣愛好的學(xué)生，他們愿意花更多的時間深入學(xué)習(xí)。針對他們要更多地去引導(dǎo)他們學(xué)習(xí)傳感器使用，開展以智能教室、物聯(lián)網(wǎng)為主題的項目學(xué)習(xí)，為“3D校園”畫龍點睛;在點上從社團(tuán)學(xué)生以及全校學(xué)生中進(jìn)一步篩選出能力特別突出、有特長的學(xué)生參加學(xué)校的STEAM挑戰(zhàn)賽相關(guān)內(nèi)容，優(yōu)勝的同學(xué)再參加省市安排的3D設(shè)計以及創(chuàng)客作品比賽。這部分針對比賽內(nèi)容，結(jié)合課程進(jìn)行學(xué)習(xí)探索。真正實現(xiàn)學(xué)以致用，為用而學(xué)。

四、課程評價與反思

評價體系的建立有利于提高學(xué)生完成任務(wù)的積極性，通過多元化的評價也利于教師能夠反思每次項目式學(xué)習(xí)任務(wù)中的不足點，本著對發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力有利的原則在整個課程學(xué)習(xí)和項目制作中，多維度、多方面考核學(xué)生。評測條目可以包括學(xué)習(xí)態(tài)度、專注度、參與度、興趣度、合作力、創(chuàng)造力、實踐力、研究力、執(zhí)行力、領(lǐng)導(dǎo)力。評價的主體可以是評價公開展示的學(xué)生作品，如將作品在全校的宣傳場所展示，或者學(xué)生用視頻面向全校做匯報。評價者可以包括校長、教師、家長、同學(xué)等所有看到作品的人;評價的作品不再僅僅是總結(jié)性評價的內(nèi)容，還更加強調(diào)學(xué)生在項目學(xué)習(xí)中的過程性表現(xiàn)，如小組討論的材料、項目半成品以及總結(jié)的材料。所以項目的多元評價理念更加明確，評價方式更加公開，甚至權(quán)威。

展示工作和作品是項目式課程教學(xué)的重要組成部分。 在展示的時候，學(xué)生必須解釋，為了達(dá)到最終結(jié)果，他們所經(jīng)歷的思考過程。在這個過程中，學(xué)生不僅會表達(dá)他們的激情，同時也會向他們的同伴傳達(dá)重要的知識。在觀看和欣賞其他人的項目的時候，學(xué)生會創(chuàng)造性地激發(fā)對方。評價者和被評價者均可以從中學(xué)到很多東西。

反思任務(wù)中的不足，每一次設(shè)計項目式學(xué)習(xí)任務(wù)對教師來說都是莫大的考驗，項目式學(xué)習(xí)任務(wù)很大一部分時間在于失敗，學(xué)生在失敗過程中容易放棄，使得項目沒有辦法朝著預(yù)定目標(biāo)進(jìn)行，因此教會學(xué)生正確評估自己就顯得格外重要，并要突出強調(diào)迭代設(shè)計過程。在課程的教學(xué)中，教師要求學(xué)生上交任務(wù)完成情況，不是要學(xué)生簡單地記錄流水賬，而是要教導(dǎo)學(xué)生反思自己發(fā)現(xiàn)了什么，做了什么或沒做什么，并且提出新的想法，說明他們下一次怎么樣才可以做得更好。

教師自己也應(yīng)該堅持撰寫日志或手記，根據(jù)學(xué)生對自己的自我反思和誠實度來評估學(xué)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]王娟，吳永和. “互聯(lián)網(wǎng)+”時代STEAM教育應(yīng)用的反思與創(chuàng)新路徑[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，2016，v.35;No.233（2）：90-97.

[2]李小濤，高海燕，鄒佳人，萬昆. “互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的STEAM教育到創(chuàng)客教育之變遷——從基于項目的學(xué)習(xí)到創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，2016，v.34;No.232（1）：28-36.

[3]孫江山，吳永和，任友群. 3D打印教育創(chuàng)新：創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實驗室和STEAM[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2015，No.136（4）：96-103.

[4]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，v.24;No.162（10）：37-42.

[5]王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠(yuǎn)程教育，2013，No.446（8）：83-87.