基于STEAM理念的3D打印课程教学设计研究
王星华 白凌燕 董黎明 焦宝聪
摘 要：随着steam教育理念的兴起，培养拥有跨学科思维能力人才成为教育研究者关注的焦点。随着STEAM教育理念的普及，开展3D打印课程对于培养跨学科思维能力具有十分重要的作用。文章首先概述了STEAM教育的内涵，然后通过对STEAM教育与3D打印课程教学设计关系的探讨，提出基于STEAM教育理念的3D打印课程的教学设计模型，并以具体课程实施为例进行验证，以期为相关研究与实践者提供参考。
关键词：STEAM教育;教学设计;3D打印课程;
中图分类号：G434;G423? ? ? 文献标志码：A? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2020）14-0025-05
一、引言
随着STEAM教育的普及，培养学生的创新能力和综合能力越来越成为社会和国家关注的焦点。教学设计作为培养创新能力和综合能力的重要途径也越来越成为教育研究与实践者关注的热点。郑贤从基于问题的学习方式与STEAM融合的角度出发，为了提高学生创新思维能力和解决问题能力，提出了基于真实情景，在解决问题的过程中掌握3D打印知识的教学模式[1]，对培养创新能力方面具有积极的作用。也有学者基于工程设计教学模式，提出首先为学生创设真实的问题情境，激起学生学习兴趣和探究欲望，使所学知识与实际生活结合;其次教师可将工程设计过程作为所学内容的应用拓展引入科学课程设计[2]，在提高学生积极主动性方面具有积极的作用。郭鸿曾等基于项目学习的方式与STEAM教育融合的角度出发，提出给学生提供项目目标，以项目团队的方式，解决项目目标问题 ，对于学生在未来事业追求上的态度具有正面作用。工程设计教学、项目式教学对主题研究非常重要，目前基于STEAM的项目式学习研究也取得了很大的进步和成果。但是，STEAM教育与3D打印课程融合的项目式教学设计还存在一些空白，本研究聚焦于基于STEAM教育的3D打印课程教学设计的研究。
二、研究背景
1.STEAM 教育
学者们从不同的角度对STEAM教育理念提出了不同的观点，代表性的有下列几种：①美国最先从培养人才的角度出发提出STEAM教育，认为STEAM教育重在培养学生科学、技术、工程、数学等的综合素养，但并不是四种素养的简单结合，而是将学生学习的知识和技术协同发展的过程[3]。②芬兰出台的 LUMA 计划，从学生主体角度出发，认为在加强STEAM教育实践的同时也在加强学生的学习兴趣[4]。③我国学者王素解读《2017 年中国 STEM教育白皮书》，从 STEM教育功能的角度出发，认为STEM教育是培养学生发现能力、批判思维能力和协作能力的载体[4]。虽然STEAM教育各种定义的重心不同，但研究者们仍然达成了一些共识： STEAM教育旨在培养拥有跨学科思维的能力，是使学生全面发展和增加学生对各学科学习兴趣的载体。
综上所述，本研究对STEAM教育概念界定为：①跨学科综合理念。STEAM教育强调将科学、技术、工程和数学等学科知识相互联系起来，用更宽阔的视角来重新理解教育的含义和范围，并且在实践中探寻数学与科学的新价值[3]。②“做中学”理念。STEAM强调在实践中培养解决问题和自主学习的能力。③项目式教学理念与协作学习教学理念。培养协作能力和基于项目解决问题的能力[5]。
2.3D打印
学者们基于不同的角度对3D打印提出不同的理解，代表性的观点有：①第三次工业革命从原理的角度出发，认为3D打印也叫“三维打印”，基于原型所创建的三维设计图，运用塑料、树脂或其他原料，通过逐层打印快速完成实体模型[1]。②王萍从与传统技术对比突出特点的角度出发，认为3D打印可以实现个性化制作，缩短了产品的制作时间，减少原材料的浪费率[6]。③基于杜威“做中学”的思想，有學者从3D打印在教育中应用效果的角度出发，认为3D打印革新教学模型制作的周期和方式，也促进创新学生教学设计，同时学生学习兴趣也有了极大的提高。虽然3D打印的各种定义重心不同，但它们之间是不存在冲突的，本研究将从教学的角度出发，把3D打印定义为一种激发学生学习兴趣、并且可以打破硬件环境限制、把学生设想变成实体的一种技术。
3.3D打印课程的教学设计与STEAM教育的关系
STEAM教育通过科技创新和学科实践两种方式为教师实施STEAM教学提供支持，达到培养学生问题解决能力、合作能力、交流能力以及创造性思维能力的目的[7]。3D打印课程的教学模式与STEAM教育模式有很大的联系，两者对比如表1所示。STEAM教学模式为3D打印课程的教学设计提供了指导。3D打印课程在STEAM教学模式的基础上进行教学设计，使学生能够运用当下所学知识，进行三维图设计并且实现3D打印实物，实现学有所用、学以致用、学以活用。
三、基于STEAM教育的3D打印课程教学模式
经过中外文献研究，我们整理出了基于STEAM的教学模式中所具备的共同要素，包括真实情境、关键问题、方案设计、实施、改进以及形成最终产品后的交流展示。现在很多STEAM教学有点脱离学生所处阶段学习的知识，而是为了创新而创新，为了学科综合而综合，这样学生难以形成系统的知识结构。本研究基于STEAM教育，与当下所学知识相结合，引导学生在理论知识的基础上进行实践，形成系统的知识体系。该教学模式如图1所示。
1.准备工作
（1）学生分析
分析学生的基本信息，包括年级、现有知识体系、具备的技术技能、资料搜集能力等。教师不但要分析学生，也要进行自我分析，为开展教学做好充分的准备。
（2）确定学习主题
主题内容要紧跟学生目前的知识学习进展，不能脱离知识体系。3D打印作为一门辅助课程，要辅助学生将所学知识建构成一个系统的体系。
2.课前
教师需要充分了解学生目前的学習进度和现有知识量，以微课的形式提前组织好教学资源，设计学习任务，让学生进行课前自主学习。①教学目标。PPT展示总体教学目标，并且提出本节课需要完成的目标。②教学目标分析。对教学目标进行分析，使学生更清楚应该在知识层面和情感价值层面的掌握程度以及需要具备何种技能。③微课导入。以4—5分钟的微课，把这节课目标和需要用到的知识、技术、机器进行简单的引导。
3.课中
如图2所示，小组合作分析讨论问题，教师设计学习情境和环境以及学习活动，学生分别通过独立学习、小组协作和教师指导完成学习目标。
（1）教学情景设计
①教学环境设计。包括两个方面，教学物理环境设计，根据目的性、丰富性、心理性和审美性原则，利用整理协调、增强特性、利用优势和自控自理的策略，设计微课导入视频和3D打印实验室的操作环境;教学心理环境设计，根据统一性原则、整体性原则和快乐性原则，建立积极的课堂环境，使学生有情绪上的安全感，形成积极的认知定向。②教学资源的设计。资源指教学过程中需要用到的硬件资源和软件资源，比如多媒体和教材等以及3D打印课需要的3D打印机。教学资源设计是指把教学资源根据教学目标和提供的教学环境进行合理的设计。③认知工具设计。认知工具是对学生思想过程给予支持、指导的模型和工具[8]，能够帮助学生更好地学习新知，对于培养学生创造性思维和综合性思维具有重要影响。字帖、画笔、模型等都可称为认知工具。
（2）教学活动设计
①学生自主学习活动设计。学生自主学习活动的设计要通过独自思考的模式培养学生自主探究和解决问题的能力。②协作学习活动的设计。通过协作学习，培养团队之间相互协作的默契和能力。协作学习以学生自主学习为前提。③教师指导活动设计。“学生为主，教师为辅”是目前提倡的教学模式，教学活动中，由于学生知识库受限，还不具备独立解决问题的能力，教师需要对学生未达到的知识水平进行辅助讲解，指导学生更顺利地完成教学目标。
4.课后
每节课教学完成之后进行教学评价，教学评价在教师教学设计和学生学习不断进步的过程中起着至关重要的作用。
首先，评价指标设计，设计一个表格，分别从数据准确度、美观程度、软件和机器使用流程和汇报陈述表达等几方面进行评价;然后，评价工具设计，打印评价表格，各个小组之间进行相互打分，每个人有一个贴签，在自己喜欢的作品上贴签。
四、基于STEAM教育的3D打印课程的教学设计案例
基于STEAM教育与3D打印融合的教学模式包括三个环节，以课中为核心环节。笔者基于该模式展开了一节利用3D打印机和SolidWorks软件设计地球和月球模型的教学设计。
1.准备工作
学习对象为7年级学生，拥有自主上网查询资料的能力，不会使用SolidWorks软件和3D打印机，目前在学习地球与月球和相关知识;拥有圆的相关知识。教师具备教授3D打印机和SolidWorks的能力。
2.课前
教师首先展示教学目标，然后播放微课视频，让学生带着问题观看微课视频。
教学目标：①学生根据最近所学的地理知识，回顾地球和月球的半径大小的关系，两个星球分别为什么形状;②学生设计并打印出两个星球的模型，要求比例符合实际情况。
微课导入：微课内容为两个星球的运动情况和两个星球半径的数据，并且加入已做出的模型。
3.课中（见表2）
4.课尾
小组评价：各小组都收到一个表格，这个表格分别从数据的准确性、软件设计的流程、3D打印使用过程的规范性、汇报的流利性、作品的美观程度等五个方面对各小组作品进行打分，每项20分，把分数写在表格上，交给教师。
个人评价：每个人手里都有一个贴纸，把它贴在你认为上等的作品上。
五、基于STEAM教育的3D打印课程的教学设计原则
1.以“培养全面发展的人”为中心
STEAM教育要培养学生的跨学科综合能力，换言之就是培养全面发展的人，是在传统教育的反思上形成的新型的教育思想。基于STEAM教育的3D打印课程，需要结合科学、数学、工程学、技术和美学等多学科知识，在设计模型时，我们需要收集数据、数学计算和技术基础，在进行3D 打印时，回顾和重组之前所学的各学科知识，使学生把所学的知识进行系统构建，进而可以跨学科运用，全面发展。
2.以“项目、问题或分歧”为驱动
基于STEAM教育的3D打印课程，教师设计项目或问题，使学生在分析项目或问题、解决问题和反思问题的过程中实现跨学科学习，形成创意和实现创物[9]。同时，促进学生在项目实践过程中发现问题并提出分歧，进而能在解决过程中提出新的创意，并在创设的过程中再次发现新问题，促进新的创意迭代产生[10]。
3.以“学生为主、教师为辅”为基础
在STEAM教育到来之前，就有很多学者注意到教育的误区。随着STEAM教育的深入，开始改变传统的教学模式，基于STEAM教育的3D打印课程，教师只是把技术使用的入门教给学生，然后设计一个问题或一个项目，让学生以解决问题或完成项目为目的展开学习，学生成为课堂的主体，教师只是在学生遇到棘手的问题时，给出建议或者技术支持。
4.以“展示和交流”为动力
STEAM教育是一个不断迭代的过程，教学模式没有绝对的起点以及终点，要在“问题—设计—制作—调整”的循环过程中，培养学生的创造性思维。学生在创造一个作品时都希望得到大家的欣赏，因为要展示，所以学生会更有动力去设计创造。通过展示之后的交流，可以根据其他同学分享的可行性提议对作品进行调整修改和完善。
5.以“微课和3D打印环境”为载体
基于STEAM教育的3D打印課程，以微课的形式导入，激发学生创造的兴趣，同时引起学生对知识的回顾。3D打印环境为学生创造作品提供机器、工具、材料和软件等的支持，一方面有利于学生提高动手操作能力，另一方面为学生实现创意提供条件[10]。
6.以STEAM课程的“科学性和严谨性”为尺度
一方面，目前很多STEAM教育只是流于形式，并没有注重与学生当前整个知识形成一个系统;另一方面，在搜集数据和进行数据分析时，会出现大概、近似于之类的词语，而科学应是严谨的。STEAM教学一般是问题驱动的，从现实世界中发现问题，运用各学科知识进行研究解决的，对于问题的确立一般可以从科学性、可行性、价值性、创新性四个方面进行考虑。探究问题不单凝固于形式，而要开展真正的探究活动，鼓励学生为主体互相讨论探究，形成自己的想法，进行迭代，继续修正进行探究活动，使学生的类属不断扩大，对于知识的理解不断加深[7]。STEAM的教学中其关注点不在于特定的答案，而在于帮助学生学习形成良好的学习素养[7]。
六、结束语
本文提出基于STEAM教育理念的3D打印课程的教学设计，并在教学设计中，强调学生为主体，基于STEAM的理念，综合跨学科知识进行应用。任何一个新的教学设计，从提出到被接受都要经过一个过程，本文提出的基于STEAM教育理念的3D打印课程的教学设计在教学实践过程中的应用还存在一些不足之处：[10]一是本研究实验的时间较短，没有大量的数据充分证明新提出来的教学设计模式的效果，是否能达到培养学生综合能力的目的;二是提出的教学设计模式是基于传统的教学设计模板，教学模式由于学科类别的不同也具有一定的差异性，如何在传统的教学设计模式中体现与以往教学设计的效果差异仍有待进一步研究的考证。
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]王玲玲.基于STEM的小学科学课程设计研究[D].上海：华东师范大学，2015.
[3]余显志.STEAM教育理念下的慧鱼机器人课程教学设计研究[D].桂林：广西师范大学，2017.
[4]王素.《2017年中国STEM教育白皮书》解读[J].现代教育，2017（7）：4-7.
[5]张子仪，刘文静，焦宝聪，等.面向逻辑能力培养的编程课程教学设计研究——以Scratch为例[J].软件导刊，2019， 18（6）：216-220.
[6]王萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育，2013（8）：83-87.
[7]刘文静，张子仪，焦宝聪，等.基于STEAM教育的教学模式设计与研究[J].中国信息技术教育，2019（10）：77-81.
[8]李刚生，李春荣.数字化教学环境下教学模式的构建[J].软件导刊（教育技术），2010，9（10）：64-66.
[9]吴俊杰.“创客”运动与STEM教育——专访“创客”教父”Mitch? Altman[J].中小学信息技术教育，2013（12）：39-42.
[10]董黎明，焦宝聪.基于课程融合的“创客”教学设计与应用模型研究[J].中国电化教育，2018（3）：89-96.
[11]陈志强.浅谈开放教育中的实验室管理[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2016（7）：32-33.
[12]梁小帆，赵冬梅，陈龙.STEM教育国内研究状况及发展趋势综述[J].中国教育信息化，2017（9）：8-11.
（编辑：鲁利瑞）
*基金项目：北京市教育科学“十二五”规划重点课题“基础教育学校课堂教学实验研究”（编号：ABA15008）。
