?基于STEAM教育的小學3D校本課程設計與應用研究

劉文文

摘? 要 STEAM教育作為一種培養(yǎng)綜合創(chuàng)新型人才的發(fā)展模式，其教育應用體現在多個方面?；赟TEAM教育理念，以H小學3D打印校本課程為實踐案例，為3D打印技術的教育推廣和STEAM教育的路徑推進提供方向參考。

關鍵詞 STEAM教育;3D打印;校本課程;創(chuàng)客教育

中圖分類號：G620? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）07-0044-03

1 前言

美國新媒體聯盟發(fā)布的《地平線報告》（The Horizon?Report）從2013年起連續(xù)三年提到3D打?。?D Printing）將成為教學的主要技術，并指出未來2～3年內3D打印將走進教學[1]。STEAM教育是一種倡導多學科交叉融合并應用到綜合實踐過程的教學方式，注重學生在課程學習過程中創(chuàng)新能力和綜合素質的培養(yǎng)。近年來，隨著信息技術、計算機技術等新技術在我國教育領域的推廣應用，許多地區(qū)的中小學開展了機器人、3D打印等一系列STEAM教育實踐活動。本文通過對STEAM教育的內涵、特征等進行闡述，以小學3D打印校本課程為抓手，進行可實踐案例分析，以此為我國中小學3D打印校本課程和STEAM教育的實施與推進提供有益參考。

2 STEAM教育概述與發(fā)展

STEAM教育源于美國，目前在我國還處于基礎入門階段，挖掘其發(fā)展的內在潛能，培養(yǎng)能適應未來發(fā)展的具備多方面技能的綜合型人才，對促進我國教育改革與發(fā)展具有深遠意義。

STEAM教育的提出? STEM教育包括Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Mathematics（數學），2016年加入Arts（藝術）學科后，形成現在的STEAM教育。STEAM教育就是一種培養(yǎng)學生在科學、技術、工程、數學和藝術五大方面綜合素養(yǎng)的教育[2]。它并不是在課程設置上將五門課程簡單相加，而是采取一種融合多學科的思想，以問題解決、項目學習為導向，通過借助計算機技術，培養(yǎng)學習者自主創(chuàng)新和問題解決的能力。

STEAM教育的發(fā)展路徑? 從STEM到STEAM教育的發(fā)展可以看出，現有的發(fā)展路徑逐漸轉向人文、科學、實踐、創(chuàng)新多維方面。在分析STEAM教育內涵的基礎上，進而探索STEAM教育的發(fā)展路徑，明確我國STEAM教育的推進思路和實施措施。從國內現狀可發(fā)現，STEAM課程主要是從現在已有的學科主題發(fā)展而來，即依托現有課程開展，傾向于設置在綜合實踐課、信息技術課、通用技術課或校本課程等多種整合性課程中。因此，將STEAM教育理念融入現有課程中形成STEAM課程的教學形式正是當前STEAM教育發(fā)展之路[3]。

3 STEAM教育實踐方式——融合創(chuàng)客思想的3D打印技術

筆者通過研讀相關文獻，了解STEAM教育的本質和特色，將著力點選在中小學校本課程這一范疇，探索行之有效的發(fā)展路徑，力求實現STEAM教育的切實落地。美國2015地平線報告指出，在未來三到五年內，學生有從知識的消費者轉化為創(chuàng)造者的趨勢[4]。創(chuàng)客教育倡導“做中學、從創(chuàng)新中學”的理念，其實踐思想對STEAM教育發(fā)展具有啟發(fā)意義，通過推進創(chuàng)客教育來變革STEAM教育的發(fā)展路徑，進而實現二者的有效融合。筆者選擇校本課程這一范疇，以H小學3D打印技術校本課程作為實踐案例，對STEAM教育的培養(yǎng)進行路徑分析。

3D打印技術的發(fā)展與應用? 3D打印作為一種快速成型技術，早在20世紀90年代中期就已經出現。它是以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體。該技術通過利用三維數字的方式構建出立體的物理對象，從而完成快速成像。

3D打印涉及領域頗多，剛開始常用于制造一些模具和工業(yè)設計等領域的模型，而后逐漸用于直接制造某些產品。該技術作為一種技能性拓展類課程應用于教育領域，對學生最重要的影響就是帶給他們的新思路和新方法，使得抽象深奧的知識概念更加形象具體易懂，從而激發(fā)學生對工程設計的探究興趣，促進理論與實踐、知識與思維、現實與未來三方面的相互結合。

3D打印技術與STEAM教育之間的聯系? 3D打印技術就是加入創(chuàng)客理念后把創(chuàng)意變?yōu)楝F實，將設計變?yōu)樽髌?。從設計到輸出的過程需要融合STEAM教育理念中的跨學科性、藝術性、協(xié)作性等，通過一系列環(huán)節(jié)體驗，增強學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。二者之間的對應關系如圖1所示。

4 3D打印技術校本課程的教學實踐分析

在對3D打印技術與STEAM教育兩者的內涵與關系進行梳理和總結后，筆者對基于STEAM教育理念的3D打印技術校本課程實踐案例的設計及應用部分展開深入分析。3D打印走進校園步入課堂是3D打印行業(yè)發(fā)展的重要機遇。目前，國內3D建模軟件有很多種，包括3ds Max、Rhino、123D Design、3D One等，本研究選擇3D One設計軟件開展教學。3D One是一款專為中小學生開發(fā)打造的3D設計軟件，軟件界面簡潔且導航清晰、功能豐富且操作簡單，易于教授且便于學習，因此非常適用于H小學此次3D打印校本課程實踐。具體實踐情況如下。

實踐對象? 本次教學實踐的對象是H小學四、五年級的60名學生，處于這個年齡段的學生不但活潑好動，而且對外界充滿好奇。此外，作為學校高年級學生，他們具有一定的知識儲備和對3D打印有所了解，成為課程實施的重要前提。

實踐環(huán)境? 本次教學實踐的環(huán)境是學校特別開設的3D實驗室，實驗室配備了30臺全新計算機和一批制作優(yōu)良的3D打印機，并在每臺計算機上安裝了3D One建模軟件，此外還添置了交互白板便于教師適時講解。學校安排社團活動的時間為每周五下午，組織兩個年級的學生分成前后批次進行學習。

實踐目標? 知識與能力：認識3D打印和了解打印流程;掌握3D打印機的操作步驟，能夠設計并打印出三維模型。過程與方法：通過與其他學科整合，進行個人思維發(fā)散;通過小組合作交流，增強集體意識和責任感;通過創(chuàng)設任務情境，激發(fā)學習興趣;通過完成學習任務，提升知識遷移和問題解決的能力。情感態(tài)度與價值觀：增強對新事物的探究意識;培養(yǎng)追求科學和認真求實的精神;培養(yǎng)面對挫折的勇氣和分享交流的合作精神。

實踐思想? 本次校本課程以“跨創(chuàng)統(tǒng)整”為核心思想，體現學科融合和創(chuàng)新理念。將3D打印與其他各學科相對接，基于現有課程體系來發(fā)展本課程。授課教師由學校信息技術教師擔任，在教學實踐之前向學校反映，成立課程設計小組，分別由信息技術、數學、美術教師和校外人員組成。筆者作為課程設計人員之一，與其他學科教師一起負責此次工作。

首先是數學，實踐環(huán)節(jié)非常重要的一項就是由“2D轉3D”，這一點與數學中“平面幾何到立體幾何”的思想不謀而合，數學教師負責“幾何體設計”范疇的規(guī)劃和教學思想的設計;然后是美術，頁面美化也是一項重要工作：對教材內容進行美工設計來增加頁面的趣味性和藝術性，可以更好地提升學生的學習興趣和實踐參與度;最后是技術，教材內容的可操作性是課程得以實施的關鍵：在教學設計環(huán)節(jié)要注意用語是否科學;操作步驟是否正確;情境創(chuàng)設是否合理;任務設計是否具有探究性;等等。

課程設計是課程實施的基礎，將前期設計方案進行妥善編排，切實做好后期STEAM教育的活動實踐。

實踐過程? 本次校本課程的實踐過程具體分為四部分。

1）選題依據。本研究基于石家莊地域文化進行“火車”的主題設計，開設“走進神奇的3D打印世界”校本課程，意在通過對“火車”文化背景、車廂、站臺、車軌、列車員、火車頭等元素的創(chuàng)建及組成，一來激發(fā)學生的靈活思維和潛在創(chuàng)造力，二來培養(yǎng)學生對當地文化的了解與認同。

2）內容設計。在課程方案設計之前，筆者對實踐對象進行問卷調查，主要調查內容包括3D打印的操作水平、學習風格和學習興趣、生活中接觸到的幾何體種類、能夠繪制的幾何圖形、對“火車”的了解程度及其制作的想法和課程結束后的預期收獲等。通過調查總結出，處于此年級階段的學生思維發(fā)散、想象力豐富、創(chuàng)造力強，具備一定的繪制操作能力，傾向于科技感和生活化的風格設計?；诖耍?D打印技術校本課程從內容選擇到樣張設計，都以科學性、趣味性、交互性、靈活性為著力點，充分調動學生的學習積極性。

3）教學活動。實踐過程中前期設計和后期打印同等重要，建模設計進行“創(chuàng)”，打印工作完成“造”，二者妥善結合才能保證成品的正確輸出，任務才算完成。教師根據每一章節(jié)內容安排學習任務，學生以小組為單位進行活動探究，完成任務。工作流程：第一步，在計算機上利用建模軟件（3D One）構造立體幾何模型，并導出為“.stl”格式的文件;第二步，利用處理軟件將設計出的三維立體模型離散分層，即用切片軟件將文件保存為“.g”格式;第三步，“.g”格式的分層數據;第四步，將離散分層的數

據導入3D打印設備進行制造;第五步，耐心等待形成成品。

在整個實踐過程中，教師要給予循序漸進的操作指導和對于疑難問題的課堂講解，以期學生能夠收獲更好的探究效果。

4）教學評價。對于學生成績的評定采用形成性與總結性評價相結合的方式，既可以讓學生更加注重體驗整個的操作過程，又能夠保證評定過程的公正性。學生在整個學期的階段性表現將遵從評價量表（表1）中的各項指標分配與權重占比作出評價。

教師以培養(yǎng)學生認知、合作、創(chuàng)新三項技能為出發(fā)點，了解學生年齡階段特征和知識基礎后，對學生進行異質分組，主要采用任務驅動法展開教學活動。學生按照章節(jié)任務要求進行學習探究，最后由教師將整個學期的階段成果進行匯總，以形成性與總結性評價相結合的考評方式進行成績評定。

在3D打印技術校本課程教學實踐過程中，教師始終堅持以學校的實際情況為依據，從課程目標出發(fā)，選擇合適的設計工具和操作裝備，設計出具有針對性的教學活動方案并進行有效實施，對學生的整個參與過程采取多樣化的評價，以期實現更佳的教學效果。

5 3D打印技術校本課程實踐效果分析

筆者通過實踐期間的課堂活動觀察，發(fā)現學生在學習中興趣很高，小組討論非常熱烈，在設計作品過程中兼顧藝術性與科學性，通過聯系各種知識點，最終完成自己的作品設計，并通過3D打印機將設計轉變?yōu)楝F實。學生在合作探究過程中對所學的數學、美術等學科知識進一步鞏固加深。

在此期間，筆者對參與實踐的學生進行效果訪談，了解到教材內容上的二維碼使用情況不夠好，主要原因是學生課上不允許攜帶手機等電子設備、課外作業(yè)較多等，從而降低了使用次數。除此之外，在學習任務的甄選上應該更加貼近學生的真實生活，來源于學生生活中的各種實際情境能讓他們產生共鳴，激發(fā)探究心，進行討論、合作、跨學科知識的梳理，找到解決問題的思路，鍛煉用STEAM理念進行知識拓展遷移和解決生活實際問題的能力。

基于STEAM理念的小學3D校本課程的設計具有知識與資源的跨界性，其應用過程幫助學生建構了融合科學、數學、物理、藝術等多個學科的知識。教師在課前做好根據學生需要開展教學的教學內容、方法、資源等準備工作，學生在實踐過程中不斷地進行跨學科性的創(chuàng)新思考。實踐活動的開展促進了學生學習能力、思考能力和動手能力的整體提升，實現了從一般性解決問題到創(chuàng)造性解決問題的能力培養(yǎng)目標。

6 結語

STEAM教育所倡導的超學科理念，為學科融合開辟了一條新的發(fā)展路徑。本研究通過將STEAM教育與創(chuàng)客教育相結合，設計出基于STEAM理念的小學3D打印技術校本課程的可實踐案例并進行應用實施。在這一過程中，學生的學習熱情和參與積極性得到激發(fā)，自己的創(chuàng)意通過自主設計與打印成為現實，獲得極大的學習成就感。但是在具體實施中也發(fā)現一些不足之處，如何進一步加強與教育的有機結合，仍需要理論與實踐層面的積極探索。

參考文獻

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