基于STEAM教育理念的3D打印+Arduino課程設(shè)計探索和實踐

王曉東

【摘 要】近年來，STEAM教育理念及其課程資源得到了國內(nèi)教育界的普遍關(guān)注，在校內(nèi)外教育培訓(xùn)機構(gòu)的助推下，掀起了一股STEAM研究和應(yīng)用熱潮。本文基于STEAM教育理念（價值取向）分析探討了如何利用3D打印+Arduino這一信息技術(shù)教育載體，培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新意識、實踐能力和團(tuán)隊協(xié)作精神。

【關(guān)鍵詞】STEAM；教育理念；3D打?。籄rduino

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】2095-3089（2018）31-0058-01

一、研究背景

2017年12月，寧夏科技館被國家教育部授予第一批全國中小學(xué)生研學(xué)實踐教育基地。在項目資金資助下，支持基地單位在青少年教育活動、課程資源開發(fā)、教師培訓(xùn)等方面開展公益性校外青少年科技教育活動。寧夏科技館根據(jù)教育部《中小學(xué)綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》精神，基于STEAM教育理念開發(fā)了3D打印+Arduino青少年科技教育活動（課程）。此項課程主要目的是培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新精神、實踐能力和跨學(xué)科知識技能綜合應(yīng)用能力。

二、STEAM教育理念介紹

1.STEAM的起源和內(nèi)涵。

STEAM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art），數(shù)學(xué)（Mathematics）五個英文單詞的縮寫，是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)，數(shù)學(xué)于一體的新教育理念（如圖一）。STEAM是從STEM教育計劃演變而來的，是由美國政府主導(dǎo)的一項教育計劃，它不是5門學(xué)科的簡單疊加，而是強調(diào)多學(xué)科的跨界融合，以培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用多種知識解決實際問題的能力為目標(biāo)，是一種創(chuàng)新型、復(fù)合型、實踐型人才的培養(yǎng)模式。

2.STEAM的教育目標(biāo)（價值取向）。

美國政府之所以推出STEAM教育理念，更多的是出于國家戰(zhàn)略的考量，在信息時代和知識經(jīng)濟(jì)時代的大背景下，搶占科技創(chuàng)新戰(zhàn)略制高點，為國家培養(yǎng)跨學(xué)科交叉復(fù)合型人才。這與我國教育改革倡導(dǎo)的素質(zhì)教育在理念層面是一致的，為此，2015年9月，教育部發(fā)布《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見》，提到了未來五年對教育信息化的規(guī)劃，其中明確提到要“探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式”。

STEAM教育理念的價值取向是通過其教育目標(biāo)來實現(xiàn)的。面向新時代，國際間的科技競爭其實是科技人才的競爭，青年興則國家興，青年強則國家強。我們研究STEAM教育理念的目的在于吃透其精神實質(zhì)，走“中國化”的素質(zhì)教育道路，培養(yǎng)具有社會主義核心價值觀，富有創(chuàng)新精神，關(guān)心社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，善于應(yīng)用多學(xué)科知識理論，發(fā)現(xiàn)、分析、解決現(xiàn)實和未來科技發(fā)展的新一代創(chuàng)新人才。

（1）創(chuàng)新精神。創(chuàng)新是知識經(jīng)濟(jì)時代的一個顯著標(biāo)志，是一個民族進(jìn)步的靈魂，國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力。STEAM教育理念及其課程體系的可貴之處在于通過精心設(shè)計的教學(xué)環(huán)境和課程資源，引導(dǎo)學(xué)生通過跨學(xué)科知識的遷移，對生產(chǎn)、生活中的現(xiàn)實問題，以工程和技術(shù)的思維，提出新的解決思路和方法，這是創(chuàng)新人才最基本的核心素養(yǎng)。

（2）科學(xué)精神?，F(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)正在醞釀著新的突破，必將引發(fā)人類未來的生產(chǎn)方式、生活方式和社會結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革。正因為如此，科學(xué)（Science）位于STEAM教育理念之“首要位置”，足見人們對其重視程度。STEAM教育理念不僅關(guān)注科學(xué)知識本身，更關(guān)注學(xué)習(xí)參與者探索精神、實證精神和批判精神的培養(yǎng)。

（3）人文精神。人文精神的核心就是“以人為本”，關(guān)心個體成長與社會發(fā)展、自然環(huán)保、公平正義的和諧統(tǒng)一。STEAM教育理念注重科學(xué)精神與人文精神的和諧統(tǒng)一，追求每一個教育參與者的個性、天賦、才能都能得到均衡全面發(fā)展，因為STEAM教育理念本身是開放和包容的。

（4）團(tuán)隊精神。團(tuán)隊精神是大局意識、協(xié)作精神和服務(wù)精神的集中體現(xiàn)，核心是團(tuán)隊合作，協(xié)同創(chuàng)新。基于STEAM教育理念的課程一般采用小班分組授課模式，在教師引導(dǎo)下，啟發(fā)團(tuán)隊完成項目、課題或任務(wù)的過程中，高度關(guān)注小組成員之間的溝通、協(xié)作和互動，從小培養(yǎng)青少年的合作意識和奉獻(xiàn)精神。

三、3D打印技術(shù)有助于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計、創(chuàng)意和藝術(shù)素養(yǎng)

1.3D打印技術(shù)介紹。

3D打?。?DP）即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(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)。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用在軍事、建筑、醫(yī)學(xué)、設(shè)計、制造等多個領(lǐng)域。3D打印被譽為“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”，《中國制造2025》和德國“工業(yè)4.0”中，也都把3D打印作為重要的支柱技術(shù)之一。

2.3D打印技術(shù)對培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)的意義。

英國著名教師戴夫懷特曾經(jīng)說過：如果你能抓住學(xué)生的想象力，你就能抓住他們的注意力。3D打印及其技術(shù)可以讓枯燥的課程變得生動起來，它是一種同時擁有視覺和觸覺的學(xué)習(xí)方式，具有很強的誘惑力，它是實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)意和想象的重要載體。學(xué)生應(yīng)用三維建模軟件設(shè)計打印作品的過程，這是“創(chuàng)意物化”的過程，是其設(shè)計能力、創(chuàng)意能力、空間想象力、美學(xué)、立體幾何和信息技術(shù)綜合應(yīng)用的結(jié)果，有助于學(xué)生綜合素養(yǎng)的養(yǎng)成。

四、Arduino開發(fā)平臺有助于培養(yǎng)學(xué)生電子和信息技術(shù)素養(yǎng)

1.Arduino硬件開發(fā)平臺介紹。

Arduino是一款便捷靈活、簡單易上手的開源電子開發(fā)平臺，包含硬件（Arduino開發(fā)板）和軟件（Arduino開發(fā)環(huán)境）。自問世以來，得到了國內(nèi)電子發(fā)燒友、創(chuàng)客和STEAM教育機構(gòu)的大力推崇。由于Arduino具有開源、跨平臺、易上手的特點，越來越多的專業(yè)硬件開發(fā)者已經(jīng)或開始使用Arduino來開發(fā)他們的項目或產(chǎn)品。

2.Arduino開發(fā)平臺對培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)的意義。

利用Arduino開發(fā)平臺，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項目開發(fā)，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計能力、連接能力以及電子產(chǎn)品（模型）的制作能力。利用Arduino平臺的強大功能，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造出各種各樣具有實際應(yīng)用價值的新產(chǎn)品，為青少年提供了發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力的實驗和開發(fā)平臺。學(xué)生利用該平臺完成各種具體任務(wù)的過程，其實就是鍛煉培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題的過程，進(jìn)而有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

五、3D打印+Arduino青少年科技教育活動（課程）介紹

在長期的青少年科技教育實踐中，我們不僅關(guān)注STEAM教育與中國素質(zhì)教育的自然融合，更關(guān)注如何設(shè)計并實施基于STEAM教育理念具有中國特色的青少年科技教育課程資源。下面，以STEAM課程《關(guān)愛生命 健康家居——家用生活環(huán)境監(jiān)測機器人》為例，與大家一起探討分析。

1.課程開發(fā)背景。

近年來，國家對環(huán)境保護(hù)的力度不斷加大，環(huán)保問題已是全民、全社會、全人類共同面臨的永恒課題。作為專業(yè)從事青少年科普教育的機構(gòu)，要積極引導(dǎo)青少年關(guān)注我們生存的大環(huán)境（全球氣候、中國環(huán)保現(xiàn)狀、寧夏當(dāng)?shù)丨h(huán)?，F(xiàn)狀）和小環(huán)境（家庭、辦公室、教室、大型公共場所空氣質(zhì)量）的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢及其相互關(guān)系，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段觀測測量重要環(huán)境技術(shù)參數(shù)（如溫度、濕度、光照、粉塵含量、氧氣含量、甲醛含量等），進(jìn)而培養(yǎng)青少年保護(hù)環(huán)境，從小樹立人與自然和諧相處，節(jié)約資源，低碳環(huán)保的生活方式和價值觀。

2.家用生活環(huán)境監(jiān)測機器人的基本功能。

當(dāng)前，人類社會正在從信息時代向人工智能時代過渡，各種智能家居和人工智能產(chǎn)品正在走入人們生活的方方面面，正在改變著我們的生產(chǎn)、生活和溝通方式。啟發(fā)學(xué)生自主設(shè)計一款智能家用生活環(huán)境監(jiān)測機器人，該機器人具備人機語音交互、短信交互、指令交互等多種交互方式，可自動監(jiān)測收集家庭生活環(huán)境的主要參數(shù)（如溫度、濕度）等，并提醒家庭成員及時改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，倡導(dǎo)健康環(huán)保的生活方式。

3.STEAM教育理念在本課程中的體現(xiàn)。

STEAM教育理念提倡多學(xué)科融合，在具體的探究性實踐活動（任務(wù)）中，培養(yǎng)學(xué)生的多學(xué)科知識、技能的綜合應(yīng)用，進(jìn)而培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新意識和實踐動手能力。本活動方案（課程）以信息技術(shù)、電路和機械為主，但也涉及其他學(xué)科，如大氣、環(huán)保和數(shù)學(xué)等學(xué)科。STEAM教育理念在本課程中的具體體現(xiàn)如下：

六、結(jié)語

一個成功的STEAM教育方案或課程體系，通常需要經(jīng)過方案策劃、課程設(shè)計、教學(xué)實施、教學(xué)評估和教學(xué)反饋等5個階段，本文僅就基于STEAM教育理念的3D打印+Arduino課程設(shè)計進(jìn)行了淺顯的理論分析和實踐探索，還需結(jié)合當(dāng)前教育改革和素質(zhì)教育的大背景，與時俱進(jìn)，不斷迭代更新課程資源，探索具有科技館特色的STEAM教育課程體系。

參考文獻(xiàn)

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