基于STEAM教育理念的3D打印教学实践
杨昕
【摘 要】近年来，3D打印课程渐渐走进了中小学信息技术课堂，在培养学生创造性思维的同时也为学生提供了真实的学习体验。传统课堂中各学科知识之间不能有效地整合，对3D打印的教学非常不利。而steam能够将分散的各学科课程优化整合成一个新的整体，使学生更容易接受和学习。本文阐述了3D打印教学带来的学习方式变革，分享了STEAM教育与3D打印教学相互融合的教学经验，总结出切实可行的思路和方法供大家参考。
【关键词】3D打印;STEAM教育;课程整合;学习方式
【中图分类号】G434? 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2020）02、03-105-04
3D打印技术近年来备受瞩目，已经成功地应用于航空航天、生物医疗、建筑、汽车等多个领域。2016年，3D打印列入国家重点研发计划，我国的3D打印技术及设备逐步接近国际先进水平，3D打印行业的发展前景光明，同时也为教育行业带来了新的发展契机。近年来，许多中小学已经开始尝试把3D打印引进课堂，并不断摸索、尝试新的教学模式，尤其是STEAM教育理念倡导的多课程融合的教育模式，取得了突破性的进展。
开展3D打印教学的软硬件准备
目前国内中小学3D打印课程的设置没有统一标准，3D设计使用最多的教学软件是3Done、123D Design、Tinkercad等界面简洁且功能强大的软件。其中123D Design属于Autodesk 123D系列中的一个软件，是Autodesk公司为推动普及3D打印而开发的免费软件，功能齐全，操作简单。通过应用123D Design，学生可以分类学习实体建模和多边形建模的知识，体会3D建模的强大功能，体验3D打印的乐趣。据统计信息显示，八九岁的孩子都可以接受和应用，是非常实用的教学软件。
3D打印的切片软件使用较多的是Cura和Mprint，两款软件都简单实用。以Mprint为例，将生成后的3D模型导入后，可以二次修改模型的尺寸，并根据作品的实际情况添加底垫和支撑，提高模型打印的成功率。还可以通过设置作品的打印质量来调整打印时间的长短，完全可以满足教学的需求。
教学用3D打印机多以体型小巧的桌面热融打印机为主，操作相对简单、安全，耗材以PLA环保生物降解材料为主，颜色丰富，打印出的成品光泽度高、流动性好，打印成品不易裂开，打印过程没有异味，学生可以近距离地观察模型打印的过程，这些优点都使其非常适合在学校教学中使用。
多课程融合促进教学方式的转变
3D设计所涉及的综合性知识能激发学生对科学、数学、物理、工程和艺术等学科的兴趣，让原本抽象的概念和术语变得更容易理解。学生在设计的过程中能够把想象与实践、思维与创造紧密结合起来，充分地培养了学生的计算思维，提高了学生的数字化学习与创新的核心素养。另外，利用3D建模并使用3D打印机打印模型的过程是一个从虚拟到现实的过程，它从根本上改变了学生传统的、被动的学习方式，因此对学生的长远发展更为有利。
当然，新模式下的3D打印教学对中小学生的影响不仅在于能让学生改变传统的学习方式，从教师的角度来看，也可以帮助我们转变固有的教学观念，接受全新的事物，提高自己的教育教学水平。通过教学活动帮助学生成为有思想、有创意的设计者与思考者，让学生在学习的过程中完成从探索、思考到操作、实现，促进学生的全面发展。
基于STEAM教育的3D打印教学实践
对于学生来说，学习3D设计除了要有很好的三维空间的认知感，还要具备一定的数学基础、工程知识、艺术设计的理念等，这对于中小学生来说有一定的难度。STEAM教育是集科学、技术、工程、艺术、数学多学科融合的综合教育，一般以基于项目的学习、基于设计的学习、基于探究的学习为主要学习方式，这些特质都比较适合中小学生。下面从课程设置、实例分析和教学反思几个方面进行具体说明。
1.课程设置
目前学校在五年级开设3D打印课，已经进行了两年半的教学尝试。最初的教学实践以设计单个实物为主，如雪人、章鱼、水杯、木梳等，每次设計的内容都是独立的主题，涉及知识之间的关联也不多，不符合学生的年龄特点和认知规律。经过不断地教学实践和反思，教师进行了相应的调整和改变，使课程更符合STEAM教育所提倡的多课程融合的理念和项目学习的要求。具体如表1所示。
2.教学实例分析
本案例课题名为“小小设计师——草图的阵列和拉伸”，教学内容是利用草图绘制基本图形，然后通过草图阵列将基本图形以一个点为中心进行环形阵列，最后用草图拉伸将草图转变为立体图形，完成基础设计。建模过程如图1所示。
教法采用演示法、练习法、讨论法;学法采用自主学习法、分析归纳法、合作学习法。整个教学过程分为以下五个环节。
环节一：想一想，说一说。为了激发学生学习兴趣，让学生尽快进入学习者的角色，教师采用实物导入的形式，给学生以直观的印象，然后提出相关问题，引导学生发散思维：（1）想一想，说一说这些实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这种效果（引导学生进行知识关联）;（3）看课件中的图案，猜一猜这些图案是由哪些基本图形构成的。由此导入本课的课题，同时帮助学生对草图阵列这一抽象的概念进行解读。
这一环节的亮点在于实物的展示和问题的提出，这样的设计有利于引导学生进行思考和分析，联系前面所学的知识，起到承上启下的作用。
环节二：听一听，学一学。这一环节是新授，采用的是传统的演示教学法，学生听老师的讲解和演示，了解草图的阵列和拉伸的方法。考虑到学生刚刚接触知识，学习存在一定的难度，这一环节必不可少。
环节三：看一看，做一做。学生结合老师的讲解以及微课的辅助，尝试选择任意一种几何图形进行草图的阵列和拉伸的操作。学生通过实践操作会发现一些细节的问题，比如阵列超过一定的数量会增加草图线条的密度，如图2所示，这样的图形从美术学科的角度来说比较美观，但会增加拉伸的难度，学生可以通过组内研究和讨论来解决这个问题。
这个环节的亮点是给了学生自主探究的空间，解决了美观和实用之间的问题，同时小组合作的形式能够最大程度地发挥学生集体的智慧。
环节四：动一动，改一改。这一环节学生通过观看打印失败的作品，如图3所示，分析并找到模型结构方面的缺陷，然后通过讨论和实践操作，在兼顾模型美观的情况下归纳出最合适的办法对草图或模型进行修改。
环节五：自由创作，展示总结。这个环节是自由创作活动，在解决完所有问题的情况下，学生利用本节课所学的知识以及以前学过的知识进行综合创作。模型的设计可以结合数学、美术、科学、信息技术等多学科的知识，学生需要通过全方位地构思、设计、制作，最终完成模型的设计、切片和打印。
教学反思
从课堂教学活动的设计来看，整个过程更侧重于学生的学习活动，力求在最大程度上激发学生的问题意识以及小组合作学习习惯的培养，学习效果很好。
另外，环节四中打印失败的作品作为“反面教材”起到了很重要的作用，学生可以很直观地认识到如果仅从美观的角度考虑草图的阵列，形成的图案固然非常漂亮，但拉伸成立体图形后容易出现结构不稳定的情况，草图线条交叉的地方过于纤细、脆弱，打印出来的实体就容易断裂，学生需要综合各方面的知识进行思考和改进。最后一个环节学生将模型切片打印时，还要考虑到模型的长、宽、高，以及各个部件比例是否合理、美观等问题，这些都体现了STEAM教学的特点，其优势是传统教学达不到的。
基于STEAM教育的课堂教学不仅让学生体验了3D模型从虚拟变成实体的神奇过程，还充分激发了学生的学习兴趣，培养了学生的问题意识。同时，多学科知识的融合也拓展了学生的视野，提高了他们对知识的综合运用能力和创作能力。信息技术学科的核心素养是培养学生的信息社会责任、信息意识、计算思维和数字化学习与创新等，从长远的角度来看，这种教学方式的转变更有益于学生的终生发展。
