?基于STEAM教育的小学3D校本课程设计与应用研究

    刘文文

    

    

    摘? 要 steam教育作为一种培养综合创新型人才的发展模式，其教育应用体现在多个方面。基于STEAM教育理念，以H小学3D打印校本课程为实践案例，为3D打印技术的教育推广和STEAM教育的路径推进提供方向参考。

    关键词 STEAM教育;3D打印;校本课程;创客教育

    中图分类号：G620? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）07-0044-03

    1 前言

    美国新媒体联盟发布的《地平线报告》（The Horizon?Report）从2013年起连续三年提到3D打印（3D Printing）将成为教学的主要技术，并指出未来2～3年内3D打印将走进教学[1]。STEAM教育是一种倡导多学科交叉融合并应用到综合实践过程的教学方式，注重学生在课程学习过程中创新能力和综合素质的培养。近年来，随着信息技术、计算机技术等新技术在我国教育领域的推广应用，许多地区的中小学开展了机器人、3D打印等一系列STEAM教育实践活动。本文通过对STEAM教育的内涵、特征等进行阐述，以小学3D打印校本课程为抓手，进行可实践案例分析，以此为我国中小学3D打印校本课程和STEAM教育的实施与推进提供有益参考。

    2 STEAM教育概述与发展

    STEAM教育源于美国，目前在我国还处于基础入门阶段，挖掘其发展的内在潜能，培养能适应未来发展的具备多方面技能的综合型人才，对促进我国教育改革与发展具有深远意义。

    STEAM教育的提出? STEM教育包括Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Mathematics（数学），2016年加入Arts（艺术）学科后，形成现在的STEAM教育。STEAM教育就是一种培养学生在科学、技术、工程、数学和艺术五大方面综合素养的教育[2]。它并不是在课程设置上将五门课程简单相加，而是采取一种融合多学科的思想，以问题解决、项目学习为导向，通过借助计算机技术，培养学习者自主创新和问题解决的能力。

    STEAM教育的发展路径? 从STEM到STEAM教育的发展可以看出，现有的发展路径逐渐转向人文、科学、实践、创新多维方面。在分析STEAM教育内涵的基础上，进而探索STEAM教育的发展路径，明确我国STEAM教育的推进思路和实施措施。从国内现状可发现，STEAM课程主要是从现在已有的学科主题发展而来，即依托现有课程开展，倾向于设置在综合实践课、信息技术课、通用技术课或校本课程等多种整合性课程中。因此，将STEAM教育理念融入现有课程中形成STEAM课程的教学形式正是当前STEAM教育发展之路[3]。

    3 STEAM教育实践方式——融合创客思想的3D打印技术

    笔者通过研读相关文献，了解STEAM教育的本质和特色，将着力点选在中小学校本课程这一范畴，探索行之有效的发展路径，力求实现STEAM教育的切实落地。美国2015地平线报告指出，在未来三到五年内，学生有从知识的消费者转化为创造者的趋势[4]。创客教育倡导“做中学、从创新中学”的理念，其实践思想对STEAM教育发展具有启发意义，通过推进创客教育来变革STEAM教育的发展路径，进而实现二者的有效融合。笔者选择校本课程这一范畴，以H小学3D打印技术校本课程作为实践案例，对STEAM教育的培养进行路径分析。

    3D打印技术的发展与应用? 3D打印作为一种快速成型技术，早在20世纪90年代中期就已经出现。它是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。该技术通过利用三维数字的方式构建出立体的物理对象，从而完成快速成像。

    3D打印涉及领域颇多，刚开始常用于制造一些模具和工业设计等领域的模型，而后逐渐用于直接制造某些产品。该技术作为一种技能性拓展类课程应用于教育领域，对学生最重要的影响就是带给他们的新思路和新方法，使得抽象深奥的知识概念更加形象具体易懂，从而激发学生对工程设计的探究兴趣，促进理论与实践、知识与思维、现实与未来三方面的相互结合。

    3D打印技术与STEAM教育之间的联系? 3D打印技术就是加入创客理念后把创意变为现实，将设计变为作品。从设计到输出的过程需要融合STEAM教育理念中的跨学科性、艺术性、协作性等，通过一系列环节体验，增强学生的创新意识和创新能力。二者之间的对应关系如图1所示。

    4 3D打印技术校本课程的教学实践分析

    在对3D打印技术与STEAM教育两者的内涵与关系进行梳理和总结后，笔者对基于STEAM教育理念的3D打印技术校本课程实践案例的设计及应用部分展开深入分析。3D打印走进校园步入课堂是3D打印行业发展的重要机遇。目前，国内3D建模软件有很多种，包括3ds Max、Rhino、123D Design、3D One等，本研究选择3D One设计软件开展教学。3D One是一款专为中小学生开发打造的3D设计软件，软件界面简洁且导航清晰、功能丰富且操作简单，易于教授且便于学习，因此非常适用于H小学此次3D打印校本课程实践。具体实践情况如下。

    实践对象? 本次教学实践的对象是H小学四、五年级的60名学生，处于这个年龄段的学生不但活泼好动，而且对外界充满好奇。此外，作为学校高年级学生，他们具有一定的知识储备和对3D打印有所了解，成为课程实施的重要前提。

    实践环境? 本次教學实践的环境是学校特别开设的3D实验室，实验室配备了30台全新计算机和一批制作优良的3D打印机，并在每台计算机上安装了3D One建模软件，此外还添置了交互白板便于教师适时讲解。学校安排社团活动的时间为每周五下午，组织两个年级的学生分成前后批次进行学习。

    实践目标? 知识与能力：认识3D打印和了解打印流程;掌握3D打印机的操作步骤，能够设计并打印出三维模型。过程与方法：通过与其他学科整合，进行个人思维发散;通过小组合作交流，增强集体意识和责任感;通过创设任务情境，激发学习兴趣;通过完成学习任务，提升知识迁移和问题解决的能力。情感态度与价值观：增强对新事物的探究意识;培养追求科学和认真求实的精神;培养面对挫折的勇气和分享交流的合作精神。

    实践思想? 本次校本课程以“跨创统整”为核心思想，体现学科融合和创新理念。将3D打印与其他各学科相对接，基于现有课程体系来发展本课程。授课教师由学校信息技术教师担任，在教学实践之前向学校反映，成立课程设计小组，分别由信息技术、数学、美术教师和校外人员组成。笔者作为课程设计人员之一，与其他学科教师一起负责此次工作。

    首先是数学，实践环节非常重要的一项就是由“2D转3D”，这一点与数学中“平面几何到立体几何”的思想不谋而合，数学教师负责“几何体设计”范畴的规划和教学思想的设计;然后是美术，页面美化也是一项重要工作：对教材内容进行美工设计来增加页面的趣味性和艺术性，可以更好地提升学生的学习兴趣和实践参与度;最后是技术，教材内容的可操作性是课程得以实施的关键：在教学设计环节要注意用语是否科学;操作步骤是否正确;情境创设是否合理;任务设计是否具有探究性;等等。

    课程设计是课程实施的基础，将前期设计方案进行妥善编排，切实做好后期STEAM教育的活动实践。

    实践过程? 本次校本课程的实践过程具体分为四部分。

    1）选题依据。本研究基于石家庄地域文化进行“火车”的主题设计，开设“走进神奇的3D打印世界”校本课程，意在通过对“火车”文化背景、车厢、站台、车轨、列车员、火车头等元素的创建及组成，一来激发学生的灵活思维和潜在创造力，二来培养学生对当地文化的了解与认同。

    2）内容设计。在课程方案设计之前，笔者对实践对象进行问卷调查，主要调查内容包括3D打印的操作水平、学习风格和学习兴趣、生活中接触到的几何体种类、能够绘制的几何图形、对“火车”的了解程度及其制作的想法和课程结束后的预期收获等。通过调查总结出，处于此年级阶段的学生思维发散、想象力丰富、创造力强，具备一定的绘制操作能力，倾向于科技感和生活化的风格设计。基于此，3D打印技术校本课程从内容选择到样张设计，都以科学性、趣味性、交互性、灵活性为着力点，充分调动学生的学习积极性。

    3）教学活动。实践过程中前期设计和后期打印同等重要，建模设计进行“创”，打印工作完成“造”，二者妥善结合才能保证成品的正确输出，任务才算完成。教师根据每一章节内容安排学习任务，学生以小组为单位进行活动探究，完成任务。工作流程：第一步，在计算机上利用建模软件（3D One）构造立体几何模型，并导出为“.stl”格式的文件;第二步，利用处理软件将设计出的三维立体模型离散分层，即用切片软件将文件保存为“.g”格式;第三步，“.g”格式的分层数据;第四步，将离散分层的数

    据导入3D打印设备进行制造;第五步，耐心等待形成成品。

    在整个实践过程中，教师要给予循序渐进的操作指导和对于疑难问题的课堂讲解，以期学生能够收获更好的探究效果。

    4）教学评价。对于学生成绩的评定采用形成性与总结性评价相结合的方式，既可以让学生更加注重体验整个的操作过程，又能够保证评定过程的公正性。学生在整个学期的阶段性表现将遵从评价量表（表1）中的各项指标分配与权重占比作出评价。

    教师以培养学生认知、合作、创新三项技能为出发点，了解学生年龄阶段特征和知识基础后，对学生进行异质分组，主要采用任务驱动法展开教学活动。学生按照章节任务要求进行学习探究，最后由教师将整个学期的阶段成果进行汇总，以形成性与总结性评价相结合的考评方式进行成绩评定。

    在3D打印技术校本课程教学实践过程中，教师始终坚持以学校的实际情况为依据，从课程目标出发，选择合适的设计工具和操作装备，设计出具有针对性的教学活动方案并进行有效实施，对学生的整个参与过程采取多样化的评价，以期实现更佳的教学效果。

    5 3D打印技术校本课程实践效果分析

    笔者通过实践期间的课堂活动观察，发现学生在学习中兴趣很高，小组讨论非常热烈，在设计作品过程中兼顾艺术性与科学性，通过联系各种知识点，最终完成自己的作品设计，并通过3D打印机将设计转变为现实。学生在合作探究过程中对所学的数学、美术等学科知识进一步巩固加深。

    在此期间，笔者对参与实践的学生进行效果访谈，了解到教材内容上的二维码使用情况不够好，主要原因是学生课上不允许携带手机等电子设备、课外作业较多等，从而降低了使用次数。除此之外，在学习任务的甄选上应该更加贴近学生的真实生活，来源于学生生活中的各种实际情境能让他们产生共鸣，激发探究心，进行讨论、合作、跨学科知识的梳理，找到解决问题的思路，锻炼用STEAM理念进行知识拓展迁移和解决生活实际问题的能力。

    基于STEAM理念的小学3D校本课程的设计具有知识与资源的跨界性，其应用过程帮助学生建构了融合科学、数学、物理、艺术等多个学科的知识。教师在課前做好根据学生需要开展教学的教学内容、方法、资源等准备工作，学生在实践过程中不断地进行跨学科性的创新思考。实践活动的开展促进了学生学习能力、思考能力和动手能力的整体提升，实现了从一般性解决问题到创造性解决问题的能力培养目标。

    6 结语

    STEAM教育所倡导的超学科理念，为学科融合开辟了一条新的发展路径。本研究通过将STEAM教育与创客教育相结合，设计出基于STEAM理念的小学3D打印技术校本课程的可实践案例并进行应用实施。在这一过程中，学生的学习热情和参与积极性得到激发，自己的创意通过自主设计与打印成为现实，获得极大的学习成就感。但是在具体实施中也发现一些不足之处，如何进一步加强与教育的有机结合，仍需要理论与实践层面的积极探索。

    参考文献

    [1]张成.基于STEAM的高中3D打印校本课程设计与教学实践研究[J].新课程研究，2018（9）：33-35.

    [2]夏曼华.基于STEAM教育的高中创新课程实践研究：以上海市F高中为例[D].上海：上海师范大学，2018：4-5.

    [3]胡卫平，首新，陈勇刚.中小学STEAM教育体系的建构与实践[J].华东师范大学学报：教育科学版，2017（4）：31-39，134.

    [4]焦建利.《地平线报告》2015基础教育版简评[J].中国信息技术教育，2015（21）：31-32.