基于3D打印與智能控制的STEAM課程的探索與實踐

趙瑩瑩+陳求實

【摘 要】變革教育的內(nèi)容和形式、建設(shè)科技創(chuàng)新類課程，培養(yǎng)具有跨學(xué)科科技素養(yǎng)和深度思考的創(chuàng)新能力人才，已成為一種科技教育戰(zhàn)略。遵循教育的均衡化發(fā)展以及教育公平的原則，將學(xué)校已有的創(chuàng)客教育與STEAM教育相結(jié)合，探索一條中國特色的科技創(chuàng)新教育培養(yǎng)之路。

【關(guān)鍵詞】3D打??；智能控制；STEAM課程

【中圖分類號】G434 【文獻標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2017）05-0072-04

STEAM教育

1. STEAM教育的目的

STEAM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）和藝術(shù)（Art）英文首字母的縮寫，是一種跨學(xué)科、重實踐的教育理念。STEAM 是美國為應(yīng)對國際人才競爭和經(jīng)濟發(fā)展壓力，對本國人才培養(yǎng)的反思。而我國在應(yīng)試教育的背景下，學(xué)生解題能力強，發(fā)現(xiàn)和提出問題的能力差，創(chuàng)新實踐教育嚴(yán)重缺失，勢必會影響我國高創(chuàng)新潛質(zhì)人才的培養(yǎng)。美國文化的重要組成部分——創(chuàng)造力、企業(yè)家精神、樂觀主義以及資本實力，讓美國成為適合培養(yǎng)創(chuàng)新的沃土，吸引著世界各地聰明的學(xué)生來到美國，獲得綠卡并留下工作。因此，無論是從國家戰(zhàn)略出發(fā)，還是地方教育特色發(fā)展考慮，跨學(xué)科綜合性的創(chuàng)新教育實踐勢在必行。

STEAM教育并不是各門課程知識的簡單疊加， 而是要將多學(xué)科交叉的內(nèi)容融合形成有機整體，倡導(dǎo)問題解決驅(qū)動的跨學(xué)科教育，旨在培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、團隊合作能力、設(shè)計能力和實踐創(chuàng)新能力、深度思考以及自我反思的能力。

2. STEAM課程的特點

（1）接近于真實情境

STEAM課程項目的設(shè)計要基于真實的情景，讓學(xué)生在生活中遇到相似的問題，能夠迅速調(diào)動認(rèn)知，能夠形成思維縝密清晰的工程思維，迅速找到問題的突破口，解決問題。例如，我校STEAM校本課程手電筒的設(shè)計與制作，引入了投資的概念。教師根據(jù)學(xué)生設(shè)計圖紙的好壞決定為其投資的錢數(shù)，相應(yīng)的錢數(shù)可以購買相應(yīng)的物品用于手電筒的制作，最后學(xué)生需要制作自己手電筒的營銷海報，以高于自己成本的價錢賣給其他人。

（2）挑戰(zhàn)性

學(xué)生學(xué)習(xí)的出發(fā)點為一個挑戰(zhàn)性的任務(wù)，挑戰(zhàn)設(shè)置不宜過難，也不宜過于簡單和單一，任務(wù)需要多人合作才能完成。每位學(xué)生充當(dāng)不同的角色，分擔(dān)不同的任務(wù)。逐步建立學(xué)生的工程思維，教師推出某一個“工程”，引導(dǎo)學(xué)生確定“工程”在限定的時間內(nèi)一定要達(dá)到某個“目標(biāo)”，隨后拿出相應(yīng)的規(guī)劃，充分利用人力、財力，在規(guī)定時間中，按照預(yù)先的計劃，做出相應(yīng)的成果，達(dá)到最終的目的。

（3）跨學(xué)科性

學(xué)生為了完成挑戰(zhàn)，需要調(diào)動各方面的知識，并且在不斷嘗試以及互相學(xué)習(xí)中總結(jié)經(jīng)驗。STEAM課程中不會明確具體的知識點，教師可以為學(xué)生提供必要的腳手架，學(xué)生為了完成挑戰(zhàn)，自發(fā)并且選擇性進行學(xué)習(xí)。因此，承載STEAM課程的教室必須是開放、自由、和諧的環(huán)境，學(xué)生學(xué)到的不止于教師提供的腳手架，還可以是更廣闊的互聯(lián)網(wǎng)世界。

（4）強調(diào)學(xué)生的自我生成

挑戰(zhàn)任務(wù)由學(xué)生自主設(shè)計并完成，教師發(fā)揮引導(dǎo)的作用，這種引導(dǎo)主要表現(xiàn)在引導(dǎo)學(xué)生按照工程思維分析問題、解決問題，讓學(xué)生具備時間意識、成本意識、設(shè)計意識、分享意識，以及創(chuàng)新意識。教師不能局限學(xué)生的思維，適時給予合理的建議，即使挑戰(zhàn)失敗，也是學(xué)習(xí)的過程，過程無對錯，在學(xué)習(xí)中的反思是挑戰(zhàn)失敗的成果。

3. STEAM教育與創(chuàng)客教育的區(qū)別和聯(lián)系

目前，很多學(xué)校都建設(shè)了自己的創(chuàng)客空間，引入了機器人項目，以及智能控制、3D打印、數(shù)控機床等設(shè)備。無論是創(chuàng)客教育還是STEAM教育，都強調(diào)學(xué)生的自我生成，強調(diào)學(xué)生的自我規(guī)劃和管理，強調(diào)動手實踐。因此，清晰地區(qū)分創(chuàng)客教育和STEAM教育，并能夠?qū)烧哂行д?，對培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新能力顯得尤為重要。

3D打印與智能控制相結(jié)合的課程的特點

基于3D打印技術(shù)快速成型特點，能夠為創(chuàng)客文化的實踐環(huán)節(jié)做出杰出貢獻。3D打印是蘊含“設(shè)計思維”的個性化創(chuàng)造工具，以3Done社區(qū)為代表的虛實結(jié)合的教育應(yīng)用服務(wù)創(chuàng)新平臺，能夠促進學(xué)生基于創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)。

智能控制是多學(xué)科交叉的學(xué)科，它的發(fā)展得益于人工智能、認(rèn)知科學(xué)、模糊集理論和生物控制論等許多學(xué)科的發(fā)展，同時也促進了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

用于基礎(chǔ)教育的智能控制多為機器人公司開發(fā)的相應(yīng)傳感器的套件，例如，DFrobot。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。正是由于其開源的特點，各種廠商分別基于它的主板進行改造創(chuàng)新，從插針式的電路連接變?yōu)楦m合基礎(chǔ)教育的類似于電話線連接的RJ接口、MH1.25接插件或FPC接口進行連接。這樣的接線方式有兩個優(yōu)點：一是有利于學(xué)生迅速將創(chuàng)意變成現(xiàn)實，不必糾結(jié)于繁冗的電路連接。二是有利于產(chǎn)品原型的設(shè)計拓展，不再把智能控制的傳感器模塊和輸出功能局限于主板上或小范圍內(nèi)，更有利于與3D打印相結(jié)合，創(chuàng)造出有新意的產(chǎn)品。程序設(shè)計也從基于C語言的IDE的運行環(huán)境過渡為更適合基礎(chǔ)教育創(chuàng)新的圖形化編程界面，有利于學(xué)生快速理解程序設(shè)計思維，快速上手制作自己的產(chǎn)品。

Makeblock 產(chǎn)品主要是將智能控制與機械設(shè)計結(jié)合發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)意設(shè)計制作出相應(yīng)的機械產(chǎn)品。DFrobot產(chǎn)品主要側(cè)重于電子控制，在試用的眾多智能控制產(chǎn)品中，Microduino 是尺寸最小的智能電子積木，只有一元硬幣大小，能夠封裝在學(xué)生利用3D打印機制作的產(chǎn)品外殼內(nèi)，非常有利于學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)意制作出功能合理、外觀具有設(shè)計感的產(chǎn)品。

3D打印與智能控制相結(jié)合的課程，主要是利用3D打印外殼，加入智能控制元素突破了純3D打印課程單調(diào)的局限性。例如，以智能家居設(shè)計的主題活動，學(xué)生以團隊的形式，開展中式家居設(shè)計，對室內(nèi)溫度、濕度、光線、聲音檢測來實現(xiàn)家庭電器的智能控制。在新年即將到來的時候，以“新年公仔的設(shè)計”為主題的活動，學(xué)生用3D打印公仔外殼，利用溫度和觸摸傳感器控制蜂鳴器的音調(diào)，制作交互式公仔音響。生活在信息社會的學(xué)生應(yīng)盡早理解信息技術(shù)帶給我們生活便利的原理，在體驗創(chuàng)造中實現(xiàn)對自我的了解，從而發(fā)揮對職業(yè)選擇的導(dǎo)向作用。

基于3D打印與智能控制的STEAM課程設(shè)計的思路和課例

創(chuàng)客教育與STEAM教育的交叉融合，最重要的是取長補短，互相融合滲透，最終的目的是使學(xué)生具有科技創(chuàng)新的意識，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1. 工具界面友好，易上手

無論是3D打印建模，還是智能控制的編程都是作為輔助工具，幫助學(xué)生思考生活中的問題，把抽象的思維物化為生活中現(xiàn)實的物品。因此，工具的使用應(yīng)該比較容易上手，并且營造出全民創(chuàng)客的生態(tài)文化，讓學(xué)生的創(chuàng)造力可以在任何地點、任何場景發(fā)生，不局限在單一的STEAM課堂。3Done作為三維建模工具軟件，以友好的界面吸引了很多中學(xué)生的關(guān)注。3D打印網(wǎng)絡(luò)社區(qū)為學(xué)生提供了交流的平臺，學(xué)生可以上傳自己的作品到社區(qū)，瀏覽并下載別人的作品，也可以與其他的創(chuàng)客進行交流互動，真正實現(xiàn)了3D建模軟件的工具化、生活化。智能控制硬件的選擇在連接方式上，建議選擇比較容易拓展的，有利于產(chǎn)品原型的設(shè)計，最好使用圖形化的編程環(huán)境，中小學(xué)生比較容易上手，能夠盡快將自己的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實。

2. 課程設(shè)計情景化，讓學(xué)生處在創(chuàng)造的氛圍中

在基于3D打印與智能控制的STEAM課程設(shè)計中，基于項目的情景化學(xué)習(xí)是關(guān)鍵，學(xué)習(xí)使用工具是一個過程。在建模軟件或者編程軟件學(xué)習(xí)的過程中，要弱化軟件的操作使用，不能把課程設(shè)計為軟件培訓(xùn)課，更不是一門編程課。在情景化的挑戰(zhàn)中，以團隊的形式完成挑戰(zhàn)的基于項目的學(xué)習(xí)方式，以學(xué)生的自主探索為主，因此微課的錄制和使用非常關(guān)鍵。教師可以錄制相關(guān)系列的微課作為輔助材料，學(xué)生在完成任務(wù)的同時，在微課中逐步學(xué)會相關(guān)工具的使用方法，最終形成工程化思維方式，養(yǎng)成喜歡探索，樂于實踐的習(xí)慣，讓學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)。

3. 科學(xué)精神、思維培養(yǎng)是重點

教師像一名導(dǎo)演，真正的演員是班里的每一位學(xué)生，因此課堂的內(nèi)容、節(jié)奏、細(xì)節(jié)、營造的科技創(chuàng)新的氛圍是每一位STEAM教師應(yīng)該切實把握的重點。在STEAM課程中學(xué)生能夠深入思考，體會創(chuàng)造的樂趣，認(rèn)識到理工科學(xué)的重要性，進而愛上科學(xué)。培養(yǎng)學(xué)生活躍的創(chuàng)新思考能力，卻不乏理性的工程化思維，是基于3D打印與智能控制的STEAM課程設(shè)計的重點。

筆者曾經(jīng)嘗試?yán)肧TEAM的理念，開展三維創(chuàng)意設(shè)計課程。以我國四大發(fā)明的活字印刷為背景，在繼承傳統(tǒng)文化的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生以工程化思維進行拓展和創(chuàng)新。

以上課例，在教師提出工程挑戰(zhàn)之后，學(xué)生按照工程設(shè)計思維方法進行設(shè)計和制作。在此過程中，涉及歷史、工程配合、數(shù)學(xué)原理、美學(xué)知識，甚至榫卯結(jié)構(gòu)等知識，最終成果各異。學(xué)生在嘗試錯誤之后，增長經(jīng)驗，引發(fā)深度思考。

學(xué)生部分作品

以上課例設(shè)置比較簡單，適合于信息技術(shù)課程或校本課程，對學(xué)生的能力沒有過多要求。如果針對具有濃厚興趣且工程思維、創(chuàng)新思維能力比較突出的學(xué)生，可以設(shè)置兩年的進階課程，作為社團課持續(xù)培養(yǎng)。教師還可以開展基于項目的以生物醫(yī)療、航天探索、智能生活、歷史探秘為主題的社團活動。

無論是3D打印還是智能控制，都是學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)意，動手實踐的工具。在工匠精神的引領(lǐng)下，3D打印技術(shù)能夠?qū)?chuàng)意精準(zhǔn)地變?yōu)楝F(xiàn)實，在智能控制的理念下，更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，在信息化、智能化的社會大有可為。

參考文獻

李小濤.“互聯(lián)網(wǎng)”背景下的STEAM教育到創(chuàng)客教育之變遷[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，2016（1）： 28-36.

王娟.“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（2）： 90-97.

桂亮. 3D打印技術(shù)在創(chuàng)客實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理，2016（10）： 1-2.

孫江山. 3D打印教育創(chuàng)新——創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實驗室和STEAM[J]. 技術(shù)應(yīng)用，2015（4）： 96-103.

李揚. STEM教育視野下的科學(xué)課程構(gòu)建[D]. 浙江師范大學(xué)，2014.

高云峰. 創(chuàng)客與STEAM教育結(jié)合的實踐[J]. 力學(xué)與實踐，2016，38（2）： 75-78.

（作者單位：北京市第五中學(xué)分校）