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(yīng)用體現(xiàn)在多個(gè)方面?；赟TEAM教育理念，以H小學(xué)3D打印校本課程為實(shí)踐案例，為3D打印技術(shù)的教育推廣和STEAM教育的路徑推進(jìn)提供方向參考。

關(guān)鍵詞 STEAM教育;3D打印;校本課程;創(chuàng)客教育

中圖分類號(hào)：G620? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）07-0044-03

1 前言

美國(guó)新媒體聯(lián)盟發(fā)布的《地平線報(bào)告》（The Horizon?Report）從2013年起連續(xù)三年提到3D打?。?D Printing）將成為教學(xué)的主要技術(shù)，并指出未來(lái)2～3年內(nèi)3D打印將走進(jìn)教學(xué)[1]。STEAM教育是一種倡導(dǎo)多學(xué)科交叉融合并應(yīng)用到綜合實(shí)踐過(guò)程的教學(xué)方式，注重學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等新技術(shù)在我國(guó)教育領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，許多地區(qū)的中小學(xué)開展了機(jī)器人、3D打印等一系列STEAM教育實(shí)踐活動(dòng)。本文通過(guò)對(duì)STEAM教育的內(nèi)涵、特征等進(jìn)行闡述，以小學(xué)3D打印校本課程為抓手，進(jìn)行可實(shí)踐案例分析，以此為我國(guó)中小學(xué)3D打印校本課程和STEAM教育的實(shí)施與推進(jìn)提供有益參考。

2 STEAM教育概述與發(fā)展

STEAM教育源于美國(guó)，目前在我國(guó)還處于基礎(chǔ)入門階段，挖掘其發(fā)展的內(nèi)在潛能，培養(yǎng)能適應(yīng)未來(lái)發(fā)展的具備多方面技能的綜合型人才，對(duì)促進(jìn)我國(guó)教育改革與發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

STEAM教育的提出? STEM教育包括Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學(xué)），2016年加入Arts（藝術(shù)）學(xué)科后，形成現(xiàn)在的STEAM教育。STEAM教育就是一種培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)五大方面綜合素養(yǎng)的教育[2]。它并不是在課程設(shè)置上將五門課程簡(jiǎn)單相加，而是采取一種融合多學(xué)科的思想，以問(wèn)題解決、項(xiàng)目學(xué)習(xí)為導(dǎo)向，通過(guò)借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者自主創(chuàng)新和問(wèn)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(xiàn)有的發(fā)展路徑逐漸轉(zhuǎn)向人文、科學(xué)、實(shí)踐、創(chuàng)新多維方面。在分析STEAM教育內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，進(jìn)而探索STEAM教育的發(fā)展路徑，明確我國(guó)STEAM教育的推進(jìn)思路和實(shí)施措施。從國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀可發(fā)現(xiàn)，STEAM課程主要是從現(xiàn)在已有的學(xué)科主題發(fā)展而來(lái)，即依托現(xiàn)有課程開展，傾向于設(shè)置在綜合實(shí)踐課、信息技術(shù)課、通用技術(shù)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(xiàn)有課程中形成STEAM課程的教學(xué)形式正是當(dāng)前STEAM教育發(fā)展之路[3]。

3 STEAM教育實(shí)踐方式——融合創(chuàng)客思想的3D打印技術(shù)

筆者通過(guò)研讀相關(guān)文獻(xiàn)，了解STEAM教育的本質(zhì)和特色，將著力點(diǎn)選在中小學(xué)校本課程這一范疇，探索行之有效的發(fā)展路徑，力求實(shí)現(xiàn)STEAM教育的切實(shí)落地。美國(guó)2015地平線報(bào)告指出，在未來(lái)三到五年內(nèi)，學(xué)生有從知識(shí)的消費(fèi)者轉(zhuǎn)化為創(chuàng)造者的趨勢(shì)[4]。創(chuàng)客教育倡導(dǎo)“做中學(xué)、從創(chuàng)新中學(xué)”的理念，其實(shí)踐思想對(duì)STEAM教育發(fā)展具有啟發(fā)意義，通過(guò)推進(jìn)創(chuàng)客教育來(lái)變革STEAM教育的發(fā)展路徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二者的有效融合。筆者選擇校本課程這一范疇，以H小學(xué)3D打印技術(shù)校本課程作為實(shí)踐案例，對(duì)STEAM教育的培養(yǎng)進(jìn)行路徑分析。

3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用? 3D打印作為一種快速成型技術(shù)，早在20世紀(jì)90年代中期就已經(jīng)出現(xiàn)。它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體。該技術(shù)通過(guò)利用三維數(shù)字的方式構(gòu)建出立體的物理對(duì)象，從而完成快速成像。

3D打印涉及領(lǐng)域頗多，剛開始常用于制造一些模具和工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的模型，而后逐漸用于直接制造某些產(chǎn)品。該技術(shù)作為一種技能性拓展類課程應(yīng)用于教育領(lǐng)域，對(duì)學(xué)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?yuàn)W的知識(shí)概念更加形象具體易懂，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)的探究興趣，促進(jìn)理論與實(shí)踐、知識(shí)與思維、現(xiàn)實(shí)與未來(lái)三方面的相互結(jié)合。

3D打印技術(shù)與STEAM教育之間的聯(lián)系? 3D打印技術(shù)就是加入創(chuàng)客理念后把創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，將設(shè)計(jì)變?yōu)樽髌?。從設(shè)計(jì)到輸出的過(guò)程需要融合STEAM教育理念中的跨學(xué)科性、藝術(shù)性、協(xié)作性等，通過(guò)一系列環(huán)節(jié)體驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

4 3D打印技術(shù)校本課程的教學(xué)實(shí)踐分析

在對(duì)3D打印技術(shù)與STEAM教育兩者的內(nèi)涵與關(guān)系進(jìn)行梳理和總結(jié)后，筆者對(duì)基于STEAM教育理念的3D打印技術(shù)校本課程實(shí)踐案例的設(shè)計(jì)及應(yīng)用部分展開深入分析。3D打印走進(jìn)校園步入課堂是3D打印行業(yè)發(fā)展的重要機(jī)遇。目前，國(guó)內(nèi)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(shè)計(jì)軟件開展教學(xué)。3D One是一款專為中小學(xué)生開發(fā)打造的3D設(shè)計(jì)軟件，軟件界面簡(jiǎn)潔且導(dǎo)航清晰、功能豐富且操作簡(jiǎn)單，易于教授且便于學(xué)習(xí)，因此非常適用于H小學(xué)此次3D打印校本課程實(shí)踐。具體實(shí)踐情況如下。

實(shí)踐對(duì)象? 本次教學(xué)實(shí)踐的對(duì)象是H小學(xué)四、五年級(jí)的60名學(xué)生，處于這個(gè)年齡段的學(xué)生不但活潑好動(dòng)，而且對(duì)外界充滿好奇。此外，作為學(xué)校高年級(jí)學(xué)生，他們具有一定的知識(shí)儲(chǔ)備和對(duì)3D打印有所了解，成為課程實(shí)施的重要前提。

實(shí)踐環(huán)境? 本次教學(xué)實(shí)踐的環(huán)境是學(xué)校特別開設(shè)的3D實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室配備了30臺(tái)全新計(jì)算機(jī)和一批制作優(yōu)良的3D打印機(jī)，并在每臺(tái)計(jì)算機(jī)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(shí)講解。學(xué)校安排社團(tuán)活動(dòng)的時(shí)間為每周五下午，組織兩個(gè)年級(jí)的學(xué)生分成前后批次進(jìn)行學(xué)習(xí)。

實(shí)踐目標(biāo)? 知識(shí)與能力：認(rèn)識(shí)3D打印和了解打印流程;掌握3D打印機(jī)的操作步驟，能夠設(shè)計(jì)并打印出三維模型。過(guò)程與方法：通過(guò)與其他學(xué)科整合，進(jìn)行個(gè)人思維發(fā)散;通過(guò)小組合作交流，增強(qiáng)集體意識(shí)和責(zé)任感;通過(guò)創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣;通過(guò)完成學(xué)習(xí)任務(wù)，提升知識(shí)遷移和問(wèn)題解決的能力。情感態(tài)度與價(jià)值觀：增強(qiáng)對(duì)新事物的探究意識(shí);培養(yǎng)追求科學(xué)和認(rèn)真求實(shí)的精神;培養(yǎng)面對(duì)挫折的勇氣和分享交流的合作精神。

實(shí)踐思想? 本次校本課程以“跨創(chuàng)統(tǒng)整”為核心思想，體現(xiàn)學(xué)科融合和創(chuàng)新理念。將3D打印與其他各學(xué)科相對(duì)接，基于現(xiàn)有課程體系來(lái)發(fā)展本課程。授課教師由學(xué)校信息技術(shù)教師擔(dān)任，在教學(xué)實(shí)踐之前向?qū)W校反映，成立課程設(shè)計(jì)小組，分別由信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、美術(shù)教師和校外人員組成。筆者作為課程設(shè)計(jì)人員之一，與其他學(xué)科教師一起負(fù)責(zé)此次工作。

首先是數(shù)學(xué)，實(shí)踐環(huán)節(jié)非常重要的一項(xiàng)就是由“2D轉(zhuǎn)3D”，這一點(diǎn)與數(shù)學(xué)中“平面幾何到立體幾何”的思想不謀而合，數(shù)學(xué)教師負(fù)責(zé)“幾何體設(shè)計(jì)”范疇的規(guī)劃和教學(xué)思想的設(shè)計(jì);然后是美術(shù)，頁(yè)面美化也是一項(xiàng)重要工作：對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行美工設(shè)計(jì)來(lái)增加頁(yè)面的趣味性和藝術(shù)性，可以更好地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐參與度;最后是技術(shù)，教材內(nèi)容的可操作性是課程得以實(shí)施的關(guān)鍵：在教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要注意用語(yǔ)是否科學(xué);操作步驟是否正確;情境創(chuàng)設(shè)是否合理;任務(wù)設(shè)計(jì)是否具有探究性;等等。

課程設(shè)計(jì)是課程實(shí)施的基礎(chǔ)，將前期設(shè)計(jì)方案進(jìn)行妥善編排，切實(shí)做好后期STEAM教育的活動(dòng)實(shí)踐。

實(shí)踐過(guò)程? 本次校本課程的實(shí)踐過(guò)程具體分為四部分。

1）選題依據(jù)。本研究基于石家莊地域文化進(jìn)行“火車”的主題設(shè)計(jì)，開設(shè)“走進(jìn)神奇的3D打印世界”校本課程，意在通過(guò)對(duì)“火車”文化背景、車廂、站臺(tái)、車軌、列車員、火車頭等元素的創(chuàng)建及組成，一來(lái)激發(fā)學(xué)生的靈活思維和潛在創(chuàng)造力，二來(lái)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)當(dāng)?shù)匚幕牧私馀c認(rèn)同。

2）內(nèi)容設(shè)計(jì)。在課程方案設(shè)計(jì)之前，筆者對(duì)實(shí)踐對(duì)象進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，主要調(diào)查內(nèi)容包括3D打印的操作水平、學(xué)習(xí)風(fēng)格和學(xué)習(xí)興趣、生活中接觸到的幾何體種類、能夠繪制的幾何圖形、對(duì)“火車”的了解程度及其制作的想法和課程結(jié)束后的預(yù)期收獲等。通過(guò)調(diào)查總結(jié)出，處于此年級(jí)階段的學(xué)生思維發(fā)散、想象力豐富、創(chuàng)造力強(qiáng)，具備一定的繪制操作能力，傾向于科技感和生活化的風(fēng)格設(shè)計(jì)?；诖?，3D打印技術(shù)校本課程從內(nèi)容選擇到樣張?jiān)O(shè)計(jì)，都以科學(xué)性、趣味性、交互性、靈活性為著力點(diǎn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3）教學(xué)活動(dòng)。實(shí)踐過(guò)程中前期設(shè)計(jì)和后期打印同等重要，建模設(shè)計(jì)進(jìn)行“創(chuàng)”，打印工作完成“造”，二者妥善結(jié)合才能保證成品的正確輸出，任務(wù)才算完成。教師根據(jù)每一章節(jié)內(nèi)容安排學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行活動(dòng)探究，完成任務(wù)。工作流程：第一步，在計(jì)算機(jī)上利用建模軟件（3D One）構(gòu)造立體幾何模型，并導(dǎo)出為“.stl”格式的文件;第二步，利用處理軟件將設(shè)計(jì)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(shù)據(jù);第四步，將離散分層的數(shù)

據(jù)導(dǎo)入3D打印設(shè)備進(jìn)行制造;第五步，耐心等待形成成品。

在整個(gè)實(shí)踐過(guò)程中，教師要給予循序漸進(jìn)的操作指導(dǎo)和對(duì)于疑難問(wèn)題的課堂講解，以期學(xué)生能夠收獲更好的探究效果。

4）教學(xué)評(píng)價(jià)。對(duì)于學(xué)生成績(jī)的評(píng)定采用形成性與總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，既可以讓學(xué)生更加注重體驗(yàn)整個(gè)的操作過(guò)程，又能夠保證評(píng)定過(guò)程的公正性。學(xué)生在整個(gè)學(xué)期的階段性表現(xiàn)將遵從評(píng)價(jià)量表（表1）中的各項(xiàng)指標(biāo)分配與權(quán)重占比作出評(píng)價(jià)。

教師以培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知、合作、創(chuàng)新三項(xiàng)技能為出發(fā)點(diǎn)，了解學(xué)生年齡階段特征和知識(shí)基礎(chǔ)后，對(duì)學(xué)生進(jìn)行異質(zhì)分組，主要采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法展開教學(xué)活動(dòng)。學(xué)生按照章節(jié)任務(wù)要求進(jìn)行學(xué)習(xí)探究，最后由教師將整個(gè)學(xué)期的階段成果進(jìn)行匯總，以形成性與總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的考評(píng)方式進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。

在3D打印技術(shù)校本課程教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，教師始終堅(jiān)持以學(xué)校的實(shí)際情況為依據(jù)，從課程目標(biāo)出發(fā)，選擇合適的設(shè)計(jì)工具和操作裝備，設(shè)計(jì)出具有針對(duì)性的教學(xué)活動(dòng)方案并進(jìn)行有效實(shí)施，對(duì)學(xué)生的整個(gè)參與過(guò)程采取多樣化的評(píng)價(jià)，以期實(shí)現(xiàn)更佳的教學(xué)效果。

5 3D打印技術(shù)校本課程實(shí)踐效果分析

筆者通過(guò)實(shí)踐期間的課堂活動(dòng)觀察，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中興趣很高，小組討論非常熱烈，在設(shè)計(jì)作品過(guò)程中兼顧藝術(shù)性與科學(xué)性，通過(guò)聯(lián)系各種知識(shí)點(diǎn)，最終完成自己的作品設(shè)計(jì)，并通過(guò)3D打印機(jī)將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。學(xué)生在合作探究過(guò)程中對(duì)所學(xué)的數(shù)學(xué)、美術(shù)等學(xué)科知識(shí)進(jìn)一步鞏固加深。

在此期間，筆者對(duì)參與實(shí)踐的學(xué)生進(jìn)行效果訪談，了解到教材內(nèi)容上的二維碼使用情況不夠好，主要原因是學(xué)生課上不允許攜帶手機(jī)等電子設(shè)備、課外作業(yè)較多等，從而降低了使用次數(shù)。除此之外，在學(xué)習(xí)任務(wù)的甄選上應(yīng)該更加貼近學(xué)生的真實(shí)生活，來(lái)源于學(xué)生生活中的各種實(shí)際情境能讓他們產(chǎn)生共鳴，激發(fā)探究心，進(jìn)行討論、合作、跨學(xué)科知識(shí)的梳理，找到解決問(wèn)題的思路，鍛煉用STEAM理念進(jìn)行知識(shí)拓展遷移和解決生活實(shí)際問(wèn)題的能力。

基于STEAM理念的小學(xué)3D校本課程的設(shè)計(jì)具有知識(shí)與資源的跨界性，其應(yīng)用過(guò)程幫助學(xué)生建構(gòu)了融合科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、藝術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。教師在課前做好根據(jù)學(xué)生需要開展教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、方法、資源等準(zhǔn)備工作，學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中不斷地進(jìn)行跨學(xué)科性的創(chuàng)新思考。實(shí)踐活動(dòng)的開展促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)能力、思考能力和動(dòng)手能力的整體提升，實(shí)現(xiàn)了從一般性解決問(wèn)題到創(chuàng)造性解決問(wèn)題的能力培養(yǎng)目標(biāo)。

6 結(jié)語(yǔ)

STEAM教育所倡導(dǎo)的超學(xué)科理念，為學(xué)科融合開辟了一條新的發(fā)展路徑。本研究通過(guò)將STEAM教育與創(chuàng)客教育相結(jié)合，設(shè)計(jì)出基于STEAM理念的小學(xué)3D打印技術(shù)校本課程的可實(shí)踐案例并進(jìn)行應(yīng)用實(shí)施。在這一過(guò)程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和參與積極性得到激發(fā)，自己的創(chuàng)意通過(guò)自主設(shè)計(jì)與打印成為現(xiàn)實(shí)，獲得極大的學(xué)習(xí)成就感。但是在具體實(shí)施中也發(fā)現(xiàn)一些不足之處，如何進(jìn)一步加強(qiáng)與教育的有機(jī)結(jié)合，仍需要理論與實(shí)踐層面的積極探索。

參考文獻(xiàn)

[1]張成.基于STEAM的高中3D打印校本課程設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐研究[J].新課程研究，2018（9）：33-35.

[2]夏曼華.基于STEAM教育的高中創(chuàng)新課程實(shí)踐研究：以上海市F高中為例[D].上海：上海師范大學(xué)，2018：4-5.

[3]胡衛(wèi)平，首新，陳勇剛.中小學(xué)STEAM教育體系的建構(gòu)與實(shí)踐[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：教育科學(xué)版，2017（4）：31-39，134.

[4]焦建利.《地平線報(bào)告》2015基礎(chǔ)教育版簡(jiǎn)評(píng)[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2015（21）：31-32.