基于STEAM教育理念的3D打印教學(xué)實(shí)踐

楊昕

【摘 要】近年來(lái)，3D打印課程漸漸走進(jìn)了中小學(xué)信息技術(shù)課堂，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的同時(shí)也為學(xué)生提供了真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。傳統(tǒng)課堂中各學(xué)科知識(shí)之間不能有效地整合，對(duì)3D打印的教學(xué)非常不利。而STEAM能夠?qū)⒎稚⒌母鲗W(xué)科課程優(yōu)化整合成一個(gè)新的整體，使學(xué)生更容易接受和學(xué)習(xí)。本文闡述了3D打印教學(xué)帶來(lái)的學(xué)習(xí)方式變革，分享了STEAM教育與3D打印教學(xué)相互融合的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出切實(shí)可行的思路和方法供大家參考。

【關(guān)鍵詞】3D打印;STEAM教育;課程整合;學(xué)習(xí)方式

【中圖分類號(hào)】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2020）02、03-105-04

3D打印技術(shù)近年來(lái)備受矚目，已經(jīng)成功地應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、建筑、汽車等多個(gè)領(lǐng)域。2016年，3D打印列入國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，我國(guó)的3D打印技術(shù)及設(shè)備逐步接近國(guó)際先進(jìn)水平，3D打印行業(yè)的發(fā)展前景光明，同時(shí)也為教育行業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)。近年來(lái)，許多中小學(xué)已經(jīng)開始嘗試把3D打印引進(jìn)課堂，并不斷摸索、嘗試新的教學(xué)模式，尤其是STEAM教育理念倡導(dǎo)的多課程融合的教育模式，取得了突破性的進(jìn)展。

開展3D打印教學(xué)的軟硬件準(zhǔn)備

目前國(guó)內(nèi)中小學(xué)3D打印課程的設(shè)置沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，3D設(shè)計(jì)使用最多的教學(xué)軟件是3Done、123D Design、Tinkercad等界面簡(jiǎn)潔且功能強(qiáng)大的軟件。其中123D Design屬于Autodesk 123D系列中的一個(gè)軟件，是Autodesk公司為推動(dòng)普及3D打印而開發(fā)的免費(fèi)軟件，功能齊全，操作簡(jiǎn)單。通過(guò)應(yīng)用123D Design，學(xué)生可以分類學(xué)習(xí)實(shí)體建模和多邊形建模的知識(shí)，體會(huì)3D建模的強(qiáng)大功能，體驗(yàn)3D打印的樂(lè)趣。據(jù)統(tǒng)計(jì)信息顯示，八九歲的孩子都可以接受和應(yīng)用，是非常實(shí)用的教學(xué)軟件。

3D打印的切片軟件使用較多的是Cura和Mprint，兩款軟件都簡(jiǎn)單實(shí)用。以Mprint為例，將生成后的3D模型導(dǎo)入后，可以二次修改模型的尺寸，并根據(jù)作品的實(shí)際情況添加底墊和支撐，提高模型打印的成功率。還可以通過(guò)設(shè)置作品的打印質(zhì)量來(lái)調(diào)整打印時(shí)間的長(zhǎng)短，完全可以滿足教學(xué)的需求。

教學(xué)用3D打印機(jī)多以體型小巧的桌面熱融打印機(jī)為主，操作相對(duì)簡(jiǎn)單、安全，耗材以PLA環(huán)保生物降解材料為主，顏色豐富，打印出的成品光澤度高、流動(dòng)性好，打印成品不易裂開，打印過(guò)程沒有異味，學(xué)生可以近距離地觀察模型打印的過(guò)程，這些優(yōu)點(diǎn)都使其非常適合在學(xué)校教學(xué)中使用。

多課程融合促進(jìn)教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變

3D設(shè)計(jì)所涉及的綜合性知識(shí)能激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、工程和藝術(shù)等學(xué)科的興趣，讓原本抽象的概念和術(shù)語(yǔ)變得更容易理解。學(xué)生在設(shè)計(jì)的過(guò)程中能夠把想象與實(shí)踐、思維與創(chuàng)造緊密結(jié)合起來(lái)，充分地培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維，提高了學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的核心素養(yǎng)。另外，利用3D建模并使用3D打印機(jī)打印模型的過(guò)程是一個(gè)從虛擬到現(xiàn)實(shí)的過(guò)程，它從根本上改變了學(xué)生傳統(tǒng)的、被動(dòng)的學(xué)習(xí)方式，因此對(duì)學(xué)生的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展更為有利。

當(dāng)然，新模式下的3D打印教學(xué)對(duì)中小學(xué)生的影響不僅在于能讓學(xué)生改變傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，從教師的角度來(lái)看，也可以幫助我們轉(zhuǎn)變固有的教學(xué)觀念，接受全新的事物，提高自己的教育教學(xué)水平。通過(guò)教學(xué)活動(dòng)幫助學(xué)生成為有思想、有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)者與思考者，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中完成從探索、思考到操作、實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

基于STEAM教育的3D打印教學(xué)實(shí)踐

對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)3D設(shè)計(jì)除了要有很好的三維空間的認(rèn)知感，還要具備一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、工程知識(shí)、藝術(shù)設(shè)計(jì)的理念等，這對(duì)于中小學(xué)生來(lái)說(shuō)有一定的難度。STEAM教育是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合的綜合教育，一般以基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)、基于探究的學(xué)習(xí)為主要學(xué)習(xí)方式，這些特質(zhì)都比較適合中小學(xué)生。下面從課程設(shè)置、實(shí)例分析和教學(xué)反思幾個(gè)方面進(jìn)行具體說(shuō)明。

1.課程設(shè)置

目前學(xué)校在五年級(jí)開設(shè)3D打印課，已經(jīng)進(jìn)行了兩年半的教學(xué)嘗試。最初的教學(xué)實(shí)踐以設(shè)計(jì)單個(gè)實(shí)物為主，如雪人、章魚、水杯、木梳等，每次設(shè)計(jì)的內(nèi)容都是獨(dú)立的主題，涉及知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)也不多，不符合學(xué)生的年齡特點(diǎn)和認(rèn)知規(guī)律。經(jīng)過(guò)不斷地教學(xué)實(shí)踐和反思，教師進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整和改變，使課程更符合STEAM教育所提倡的多課程融合的理念和項(xiàng)目學(xué)習(xí)的要求。具體如表1所示。

2.教學(xué)實(shí)例分析

本案例課題名為“小小設(shè)計(jì)師——草圖的陣列和拉伸”，教學(xué)內(nèi)容是利用草圖繪制基本圖形，然后通過(guò)草圖陣列將基本圖形以一個(gè)點(diǎn)為中心進(jìn)行環(huán)形陣列，最后用草圖拉伸將草圖轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw圖形，完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。建模過(guò)程如圖1所示。

教法采用演示法、練習(xí)法、討論法;學(xué)法采用自主學(xué)習(xí)法、分析歸納法、合作學(xué)習(xí)法。整個(gè)教學(xué)過(guò)程分為以下五個(gè)環(huán)節(jié)。

環(huán)節(jié)一：想一想，說(shuō)一說(shuō)。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生盡快進(jìn)入學(xué)習(xí)者的角色，教師采用實(shí)物導(dǎo)入的形式，給學(xué)生以直觀的印象，然后提出相關(guān)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維：（1）想一想，說(shuō)一說(shuō)這些實(shí)物在生活中可能的用途;（2）想一想用123D中的什么工具能做出這種效果（引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)關(guān)聯(lián)）;（3）看課件中的圖案，猜一猜這些圖案是由哪些基本圖形構(gòu)成的。由此導(dǎo)入本課的課題，同時(shí)幫助學(xué)生對(duì)草圖陣列這一抽象的概念進(jìn)行解讀。

這一環(huán)節(jié)的亮點(diǎn)在于實(shí)物的展示和問(wèn)題的提出，這樣的設(shè)計(jì)有利于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和分析，聯(lián)系前面所學(xué)的知識(shí)，起到承上啟下的作用。

環(huán)節(jié)二：聽一聽，學(xué)一學(xué)。這一環(huán)節(jié)是新授，采用的是傳統(tǒng)的演示教學(xué)法，學(xué)生聽老師的講解和演示，了解草圖的陣列和拉伸的方法?？紤]到學(xué)生剛剛接觸知識(shí)，學(xué)習(xí)存在一定的難度，這一環(huán)節(jié)必不可少。

環(huán)節(jié)三：看一看，做一做。學(xué)生結(jié)合老師的講解以及微課的輔助，嘗試選擇任意一種幾何圖形進(jìn)行草圖的陣列和拉伸的操作。學(xué)生通過(guò)實(shí)踐操作會(huì)發(fā)現(xiàn)一些細(xì)節(jié)的問(wèn)題，比如陣列超過(guò)一定的數(shù)量會(huì)增加草圖線條的密度，如圖2所示，這樣的圖形從美術(shù)學(xué)科的角度來(lái)說(shuō)比較美觀，但會(huì)增加拉伸的難度，學(xué)生可以通過(guò)組內(nèi)研究和討論來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

這個(gè)環(huán)節(jié)的亮點(diǎn)是給了學(xué)生自主探究的空間，解決了美觀和實(shí)用之間的問(wèn)題，同時(shí)小組合作的形式能夠最大程度地發(fā)揮學(xué)生集體的智慧。

環(huán)節(jié)四：動(dòng)一動(dòng)，改一改。這一環(huán)節(jié)學(xué)生通過(guò)觀看打印失敗的作品，如圖3所示，分析并找到模型結(jié)構(gòu)方面的缺陷，然后通過(guò)討論和實(shí)踐操作，在兼顧模型美觀的情況下歸納出最合適的辦法對(duì)草圖或模型進(jìn)行修改。

環(huán)節(jié)五：自由創(chuàng)作，展示總結(jié)。這個(gè)環(huán)節(jié)是自由創(chuàng)作活動(dòng)，在解決完所有問(wèn)題的情況下，學(xué)生利用本節(jié)課所學(xué)的知識(shí)以及以前學(xué)過(guò)的知識(shí)進(jìn)行綜合創(chuàng)作。模型的設(shè)計(jì)可以結(jié)合數(shù)學(xué)、美術(shù)、科學(xué)、信息技術(shù)等多學(xué)科的知識(shí)，學(xué)生需要通過(guò)全方位地構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制作，最終完成模型的設(shè)計(jì)、切片和打印。

教學(xué)反思

從課堂教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)來(lái)看，整個(gè)過(guò)程更側(cè)重于學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)，力求在最大程度上激發(fā)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)以及小組合作學(xué)習(xí)習(xí)慣的培養(yǎng)，學(xué)習(xí)效果很好。

另外，環(huán)節(jié)四中打印失敗的作品作為“反面教材”起到了很重要的作用，學(xué)生可以很直觀地認(rèn)識(shí)到如果僅從美觀的角度考慮草圖的陣列，形成的圖案固然非常漂亮，但拉伸成立體圖形后容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的情況，草圖線條交叉的地方過(guò)于纖細(xì)、脆弱，打印出來(lái)的實(shí)體就容易斷裂，學(xué)生需要綜合各方面的知識(shí)進(jìn)行思考和改進(jìn)。最后一個(gè)環(huán)節(jié)學(xué)生將模型切片打印時(shí)，還要考慮到模型的長(zhǎng)、寬、高，以及各個(gè)部件比例是否合理、美觀等問(wèn)題，這些都體現(xiàn)了STEAM教學(xué)的特點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)教學(xué)達(dá)不到的。

基于STEAM教育的課堂教學(xué)不僅讓學(xué)生體驗(yàn)了3D模型從虛擬變成實(shí)體的神奇過(guò)程，還充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)。同時(shí)，多學(xué)科知識(shí)的融合也拓展了學(xué)生的視野，提高了他們對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)作能力。信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)是培養(yǎng)學(xué)生的信息社會(huì)責(zé)任、信息意識(shí)、計(jì)算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新等，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，這種教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變更有益于學(xué)生的終生發(fā)展。