基于3D打印的信息技术课程教学设计模式构建与实践研究
李柱 季瑜
摘 要：培养具有较高核心素养的人才是智能时代下育人的使命，而将3D打印融入信息技术课程中是提高学生核心素养的有效途径。文章以学生为主体和出发点，构建以项目学习为支架的小学3D打印信息技术课程教学模式，该模式包含创设情境、生成性项目、项目创作、成果展示与评价四个课堂环节，以学生为主，最大程度地调动学生主动性进行深度学习。最后，以小学信息技术课程《萌宝熊猫》为例开展教学实践，以期为开展3D打印课程的教学与研究提供借鉴，为提高学生核心素养提供有效途径。
关键词：3D打印;信息技术课程;教学设计;核心素养;项目学习
中图分类号：G434? ? ? ?文献标志码：B? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2021）06-0048-04
随着智能时代的到来，培养全面发展的人才显得尤为重要。为培养合格的数字公民，需要信息技术课程从“学技术”到“用技术”再到“信息素养”的转变。2018年，教育部发布《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》，明确指出将信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个方面作为信息技术学科的核心素养。那么，如何设计信息技术课程以提高学生核心素养，培养具有较高创造力与创新意识的人才？近年来，为探索教学创新，3D建模逐渐进入教育研究者的视野，并且将其应用到创客、steam教育中，以此提高学生的创新思维。
虽然3D技术已经较为成熟，但是成熟的3D打印信息技术课程在中小学课程中较为匮乏。那么如何将3D技术应用到小学信息技术课程中，以此提高学生信息素养，是亟需探讨的问题。基于此，本文基于3D打印的小学信息技术课教学设计，以《萌宝熊猫》为例，以期为3D打印教学创新应用提供参考。
一、3D打印课程
本文以3Done软件为依托，设计适合小学生的3D建模信息技术课堂。该课是以项目学习的方式开展，以贴近生活的主题开展合作学习，倡导“做中学”，充分调动学生的自主性，促进深度学习。
1.3D打印应用背景
近年来，由于国内大力倡导培养创新型人才，研究者多集中于开展基于3D打印技术在教学中的应用研究。郑贤[1]将3Done软件嵌入STEAM教育中，将3D软件知识融入乐园设计中，基于真实的情境，使学生在问题解决过程中掌握知识与技能。孔静洁[2]基于逆向思维学习过程模型，融合3D打印技术在课堂教学中的应用研究。王萍[3]基于多种理论（戴尔的“经验之塔”、杜威的做中学、DIY思想）设计了中小学3D打印课程的具体教学模块与模式。林旖柔[4]等人提出STEAM背景下小学3D打印课程教学设计模式，该模式是以课内学科融合和课外在线互动两个教学环节融合的形式为主。
3D打印技术已经在诸多领域中应用，但是3D打印课程缺乏政策的引导，缺乏相应教学模式与统一教材的支撑，也缺乏如何从学生“知识本位”到核心素养的提升指导。3D打印技术虽已初步广泛应用于K-12阶段，但需要对深度进一步挖掘。因此，本文就基于3D打印在小学信息技术课程中的教学设计模式进行了构建与实践研究。
2.基于3D打印的信息技术课程的特点
（1）趣味性
趣味性是3D打印信息技术课程的一大特点。兴趣是保持学生持续有效学习的关键，3D打印信息技术课程迎合了学生的学习兴趣。3Done打印软件相对于其他软件界面简洁、功能强大、简单易操作。即使没有任何基础，学生自主学习就可以快捷、轻松地完成简单创意制作，通过“搭积木”的方式迅速完成模型建立，并且将制作成的模型通过3D打印机转换成实物，在此过程中学生始终保持着较高的积极性，极大地激发了学生的学习兴趣。
（2）促进学科融合
促进学科融合是3D打印信息技术课程的另一大特点。信息技术课程本身与多个学科有着千丝万缕的联系，学生在建模的过程中，涉及多门学科知识，如数学、艺术、美术、工程、物理等，打破单一学科的界线，符合新课标下跨学科学习的需求[1]。在3D打印信息技术课程中，学生在不自觉间运用了多学科知识与技能帮助构建模型，充分激发了学生的主动性和创新思维。
二、3D打印信息技术课程的教学设计与实践
1.教学设计思路
本文中的3D打印信息技术课程是以项目学习的方式实施，能够最大程度地调动学生的主动性。项目学习是一套系统的教学方法，基于复杂、真实情景问题开展的探究过程，在此过程中对项目进行策划、设计、实施，最终精心设计并完成作品，掌握相关知识与技能 [5]。在3D打印信息技术课程中，基于项目学习是指基于真实问题，借助一定的學习资源进行探究，完成项目的实施，通过自主学习或合作学习完成作品的制作，并且展示成果以及实施评价的新型教学模式，具体教学流程如图1所示。
（1）创设情境
教师需要为学生创设一个真实场景，明确需要解决的问题，教师通过创设故事背景或提问的方式，引导学生思考、交流讨论。兴趣是好的开始，所以在上课前，有趣的情境导入至关重要，能够最大程度地吸引学生，激发学生的学习兴趣，这是将被动学习变成主动学习的前提条件。比如，在学习本节课内容前，创设两个虚拟人物——图图与明明。图图正在为书桌上摆放的乱七八糟的东西而烦恼，明明将自家的多功能精美摆放架给图图看，只见摆放架上的物件规规整整，很美观且很有创意，并且明明介绍这是自己设计的摆放架。那么，用什么设计，如何设计这样的多功能摆放架，如何改变物体的外形呢？不难发现，这个阶段思维无限扩散，能够充分调动学生的求知欲与好奇心，为后面的学习做好铺垫。
（2）生成性项目
该阶段的目的是要学生掌握本节课基础知识与技能，教师以提问的方式引领学生对项目进行分析，将复杂问题分解成若干个子问题，从而激发学生的思考直奔知识本质[6]。同时，教师除了引导学生分析项目外，还可以提供微课给学生学习观看。学生跟着实践操作，其每一步的实践操作都隐含着本节课所要掌握的基础知识。如果个别学生需要一定帮助，教师辅助学生答疑解惑。比如，在分析“萌宝熊猫”时，了解熊猫的每个部分是哪些基本实体构成。在制作身体各部分结构的时候，会学习到一些新的命令，如何使用这些命令，比如在制作熊猫的胳膊时，用到了“圆柱折弯”命令;在制作熊猫眼睛与嘴巴时，用到了“投影曲线”“镶嵌曲线”命令。最后按照计算一定的比例与尺度科学组合模型。
（3）项目创作
根据前面的学习，学生基本掌握了本节课的知识与技能。本阶段开展新的项目将所学知识运用其中进行再创造，从而巩固所学内容，加深知识的掌握与理解。这一环节以学生间开展合作学习为主，促进其积极思考发挥创新思维。小组确定项目主题，交流讨论优化设计方案，最终确定最佳方案加以实施创造。期间，教师需要提供评价标准，在学生设计过程中给以提示，保证成果设计的要求不偏离以及为后期的自我与小组间评价作好准备。
（4）成果展示与评估
成果展示与评估以小组作品为基础，开展自评、组评、师评等多元化主体评价。该环节可以针对成员的创新思维、批判思维、设计思维等指标以及对合作、问题解决、参与、贡献等的综合评测[6]。在针对成果作品时，可以从耗材、艺术、创新、科学、功能等角度评价。教师针对各小组以及成员进行最后的评价，包括成员的参与、贡献、技能，成果的创新、科学、耗材，小组间的合作、组织。这些评价方式的实施能够反映每个学生的综合能力，以便更全面地评估每一位学生。
2.教学设计实践案例——以小学六年级下的《萌宝熊猫》学习为例
本文3D 打印课程是以小学六年级下的《萌宝熊猫》（广东省小学课本 《信息技术》 第四册[下]）为例，介绍以3Done建模软件为依托的教学设计的思路与实施。学生通过3Done建模软件的学习构建熊猫模型，包括熊猫眼睛、鼻子、耳朵、嘴巴等。通过模型的设计，本节课所要掌握的基本实体、特殊造型、材质渲染、基本编辑、草图绘制、特殊功能等3Done工具命令，将在项目活动中实践操作，加深学生对知识的理解，同时能够激发其创造思维，以设计不同的精美作品，从而提高学生协作能力、问题解决能力与实践动手能力。
（1）教学目标
本节《萌宝熊猫》课程以项目学习的方式开展，学生在项目实施中学会对3Done知识与技能的掌握，包括对基本实体、特殊造型、材质渲染、基本编辑、草图编辑、特殊功能等命令的灵活应用。3D打印信息技术课是体验操作的过程，学生发散思维进行空间想象设计，最终生成作品展示评价，体验从无到有的创作过程，以此有效提高学生的创新思维、设计思维、问题解决能力[7]。并且相对于其他一些学科，3D打印信息技术课倡導学生亲身体验，在做中学、创中做，将抽象物体实体化，显得格外生动有趣，通过3D技术让知识可视化，感悟三维设计的“美”。
（2）创设情境、提问引入
本课堂设计两个虚拟人物，创造天使爷爷与乐乐小朋友两个卡通形象，课堂以两个虚拟人物间的对话为引导开展学习活动。这种方式使得课堂更丰富生动，配以有趣的故事情节，紧扣学习内容，激发学生的学习兴趣。
创造天使爷爷能够创造各种实物，包括小动物、小植物、建筑等物体。有一天，乐乐小朋友来到创造天使爷爷家里，见到爷爷的“动物园里”里有许多熊猫宝宝。乐乐也很渴望有自己的熊猫宝宝。
乐乐询问创造天使爷爷：“爷爷，我也想要熊猫宝宝，如何才能像您一样拥有熊猫宝宝呢？”
创造天使爷爷说：“那就用3Done软件设计吧！它能够满足你的愿望，你看这是我的熊猫宝宝乐园，通过快速、简单的建模，你也会有自己的熊猫宝宝。”
“萌宝熊猫”在3Done中是以圆锥体与椭圆结构体为基本构成，通过本节课学习一些命令，合理地对圆锥体与椭圆结构体进行组合与创建，最终形成一个精美的熊猫宝宝。那么，如何才能创建精美的“萌宝熊猫”，让我们也能够拥有自己的熊猫宝宝？这样的问题能够很大程度上激发学生的学习兴趣，促使学生高效学习与实际操作。
（3）自主分析、实践操作
教师：首先，向学生展示“萌宝熊猫”的精美模型。同学们，是不是也想要一个属于自己的熊猫宝宝呢？让我们开始制作我们自己的“萌宝熊猫”吧！下面，我们仔细观察这个“萌宝熊猫”模型是如何构成的，熊猫宝宝的耳朵、鼻子、嘴巴、眼睛、身体、手脚各部分是由什么类型的结构体构成的？
教师通过引导学生，带领学生分析“萌宝熊猫”的整体结构，学生积极思考并且可以自由交流讨论，积极踊跃地回答各部分是由什么结构体构成。
教师：同学们回答得都很棒、观察很仔细，眼睛、鼻子、耳朵都是由椭圆构成;嘴巴由弧形构成;手脚由圆锥体构成。具体应该如何操作呢？这是我们本节课主要学习的目标：第一，学习“基本实体”中的圆锥、椭圆的创建与删除;第二，学习“特殊功能”中的投影曲线、镶嵌曲线、圆柱折弯等命令，精确放置熊猫眼睛、鼻子、嘴巴等位置与构建手脚;第三，学习命令“草图绘制”中的圆弧，通过点绘制曲线等命令构建熊猫的嘴巴与身体;第四，通过给熊猫宝宝添加“材质渲染”命令使其更美观。
教师将本节课的学习目标准确地传达给学生，学生更加明确学习的重点。由于3Done软件操作简单，教师可以提供微课或教材供学生自学。在自学后，学生尝试亲身操作演示整个制作流程，如果在制作过程遇到一些疑惑或困难，可以咨询教师，教师通过答疑解惑帮助学生完成作品制作。
（4）项目实施、创新开展
通过之前的项目学习，学生基本掌握了本节课所学的知识与技能，接下来需要学生分组合作创造各小组的卡通“小动物乐园”，可以是小鸟、小狗、小鱼乐园等，同时也可以创作其他装饰物以丰富动物乐园。教师在此之前提供评价标准，分好组后，各小组开展头脑风暴，确定各小组的项目主题，并将小组的讨论结果与计划方案通过思维导图、做笔记、画图等方式记录下来，最终选取最佳方案，并加以优化完善。在项目创作的过程中，各小组组长组织协调分配相应的任务，把握各部分模型的尺寸大小，综合运用所学的知识与技能进行创新设计。
（5）项目成果展示与评价
教师组织各小组间的成果分享与评价。学生完成各小组的项目创作。首先，各小组选取代表概述简介本小组的成果;其次，根据评价标准对各小组的成果进行打分与点评，指出不足与优点，并且教师对每个组的成果进行评估，表扬优秀小组或成员以及鼓励其他小组;最后，每位学生借鉴其他小组成果的优点，反思完善自己的成果。
三、课堂实践效果
1.激發学习兴趣
通过项目学习，学生不再是被动灌输知识，而是利用3D技术积极探究、渴望求知，通过实践操作体验模型创建过程所带来的满足感、成就感，使得学生产生自我认同感，从而乐于学习。同时，3D打印课堂中，利用“搭积木”方式带给学生全新的体验，通过反复创造、修改、完善形成精美的模型呈现在学生面前，极大程度上激发了学生的兴趣。在学习完《萌宝熊猫》这节课后，学生迫不及待地想要学习下节课的内容，或乐此不疲地创造其他精美模型，每个人都渴望拥有自己的“小动物乐园”，迫切需要加快3D打印模型的进度。
2.提升核心素养
通过本节课的学习，不难看出3D打印融入信息技术课程中，拓展了信息技术课程的宽度，从过分强调学科技能学习趋向于全面发展需求的核心素养的培养。在3D建模过程中多角度构思模型，通过设计、计算、制作、测试等一系列过程设计多个学科知识的运用，打破了学科间的界线，从而实现多学科知识融合，提高了学生综合运用知识解决问题的能力，有效提升了学生的核心素养。
3.发挥学生创新力
3Done软件功能强大，提供多种工具（圆角、倒角、抽壳、浮雕等命令），可以改变基本实体的形态，以支持创造生动形象的模型。从二维设计到三维设计，学生的空间想象力得到拓展，激发了学生的创造激情，通过头脑风暴发散思维迸发创新灵感，创作自己心中的模型。同时，提高学生创新力也不应只靠单一学科来实现，3D建模为培养学生创新力提供了一个很好的平台。实践证明，经过创意初现、创意修正、创意实施、创意再造四个阶段，学生的创新力能够有效地提高。
四、结语
随着智能时代的带来，信息技术的广泛应用以及新型教学形式的产生，迫切需要培养具有较高综合素养的创新人才，3D技术在教学中的应用将会把教育推向更高的层面。实践证明，将3D技术融入信息技术课中，学生通过项目学习将想象具体化、抽象实体化，在此过程中涉及跨学科知识的应用，从而有利于提高数学素养、工程素养、信息素养、艺术素养、科学素养等。同时，3D信息技术课的学习最终也不在于单纯地设计三维建模，让学生从中学会如何思考与合作、如何设计模型、如何解决问题等，才是更需要提高的方面，最终使学生成为真正的“设计大师”，成为智慧时代所需要的人才。3D技术融入信息技术课中，也不只是单纯地辅助学生学习，更应该成为推动智能教育时代下教育创新的重要利器，成为培养具有较高核心素养人才的有效途径。
参考文献：
[1]郑贤.基于STEAM的小学《3D打印》课程设计与教学实践研究[J].中国电化教育，2016（8）：82-86.
[2]孔静洁.基于“逆向思维学习过程模型”的3D打印教学研究[J].中国信息技术教育，2017（23）：43-44+60.
[3]王萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育，2013（8）：83-87.
[4]林旖柔，王朋娇，张帆.STEAM背景下小学3D打印课程教学设计模式构建研究[J].软件，2020，41（2）：288-293.
[5][美]巴克教育研究所著，任伟译.项目学习教师指南——21世纪的中学教学法（第2版）[M].北京：教育科学出版社，2008.
[6]赵呈领，申静洁，蒋志辉.一种整合创客和STEM的教学模型建构研究[J].电化教育研究，2018，39（9）：81-87.
[7]王美，王良辉，刘中晓，等.基于3D打印技术的特色课程研究——以“3D打印创意工作室”课程为例[J].现代教育技术，2015，25（8）：120-126.
（编辑：李晓萍）
