摘 要：隨著3D打印技術(shù)的普及，越來越多的學(xué)校開設(shè)3D打印課程，希望通過課程的開展實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)。文章基于STEAM教育理念，對高中3D打印校本課程進行課程設(shè)計，探索通過課程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的方法；針對普通高中進行3D打印校本課程的教學(xué)實踐并反思，挖掘課程開展的策略與建議。

關(guān)鍵詞：STEAM；3D打印校本課程；課程設(shè)計；教學(xué)實踐

作者簡介：張成，南京大學(xué)附屬中學(xué)教師。（江蘇 南京 210008）

中圖分類號：G40-057 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）25-0033-03

美國新媒體聯(lián)盟發(fā)布的《地平線報告》（The Hori-zon 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 2～3年內(nèi)3D打印將走進教學(xué)。[1]正如報告所說，近兩年國內(nèi)越來越多的中學(xué)引進3D打印技術(shù)和設(shè)備，探索開展3D打印日常教學(xué)，但目前國內(nèi)設(shè)計成熟且適合高中生學(xué)習(xí)的3D打印課程比較缺乏。本文即在STEAM教育理念的指導(dǎo)下，對高中3D打印校本課程進行課程設(shè)計，同時開展教學(xué)實踐，不斷反思，以期提高教學(xué)質(zhì)量。

一、STEAM教育理念

STEAM教育源于發(fā)達國家，原型為STEM課程，是為了提高學(xué)生對理工科知識的興趣而建立的。STEM教育通過整合Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學(xué)）領(lǐng)域內(nèi)容指引教學(xué)和學(xué)習(xí)的途徑和方法，它并不是這四門課程知識的簡單疊加，而是要將多學(xué)科的內(nèi)容交叉融合形成有機整體，倡導(dǎo)問題解決驅(qū)動的跨學(xué)科教育，旨在培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、團隊合作能力、設(shè)計能力和實踐創(chuàng)新能力。隨著STEM教育的出現(xiàn)以及教育實踐研究的開展，藝術(shù)（Arts）課程也被添加到STEM中，形成STEAM教育。STEAM課程是關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的課程，具體來說，STEAM課程不僅僅是提倡學(xué)習(xí)科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)這五個學(xué)科的知識，其倡導(dǎo)的是一種新的教學(xué)或?qū)W習(xí)方式，該課程的特色就是讓學(xué)習(xí)者自己動手完成他們感興趣的項目或是在生活中完成他們需要解決的問題。[2]

STEAM教育主要是以基于項目和基于問題的學(xué)習(xí)為主，注重跨學(xué)科項目設(shè)計，這是一種以建構(gòu)主義為指導(dǎo)的教學(xué)設(shè)計模式。STEAM教育以多學(xué)科整合的教學(xué)方式，注重過程和實踐，以真實問題為向?qū)?，強調(diào)知識與能力并重，倡導(dǎo)“做”中“學(xué)”；強調(diào)創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)，注重知識的跨學(xué)科遷徙及其與學(xué)習(xí)者之間的關(guān)聯(lián)。

二、3D打印課程

本文以3DOne打印技術(shù)為依托，對高中3D打印校本課程開展課程設(shè)計及教學(xué)實踐研究。該課程基于STEAM教育思想，采用項目學(xué)習(xí)的形式進行課程設(shè)計和教學(xué)實踐。

3D打印是利用塑料或樹脂等可粘連的原料進行層層打印形成物件的增材制造技術(shù)，它的工作原理是將3D打印機與計算機連接，通過設(shè)計輔助軟件進行數(shù)字建模，再將數(shù)字信息傳輸給打印機，利用打印機中的絲狀、粉狀或是液體狀的材料以逐層堆疊的方式制作出產(chǎn)品。3D打印課程是以該技術(shù)為基礎(chǔ)開展的課程，學(xué)生可以利用3D建模軟件將自己的設(shè)計畫出來，最后通過打印機打出實物，讓創(chuàng)意變成實物，讓抽象的概念具體化、形象化。目前，國內(nèi)3D建模軟件有多種，包括3ds Max、Rhino、123D Design、3DOne等，本文選擇3DOne設(shè)計軟件開展教學(xué)。

3DOne是一款專為中小學(xué)生開發(fā)打造的3D設(shè)計軟件。該軟件界面簡潔、功能強大、易于上手，尤其是軟件整合了常用的實體造型和草圖繪制命令，簡化了操作界面和工具欄，可以讓初次接觸3D打印的學(xué)生通過簡單的“積木拼搭”完成3D設(shè)計，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

三、3D打印校本課程設(shè)計與教學(xué)實踐

1. 基于STEAM的課程教學(xué)基本思想和課程目標?；赟TEAM的3D打印課程教學(xué)的基本思想包括“做中學(xué)”和“項目學(xué)習(xí)”。美國著名教育家杜威認為，“做中學(xué)”即從生活經(jīng)驗中積累知識、從實際活動中進行學(xué)習(xí)，在情景化的教學(xué)場所中，讓學(xué)生通過親身體驗，在不斷地觀察、實驗、探究、創(chuàng)作中解決真實問題。而項目學(xué)習(xí)（PBL）是一套系統(tǒng)的教學(xué)方法，它是以解決真實、負責(zé)的問題為目的，對項目任務(wù)進行精心設(shè)計、探究、實施的過程。在這個過程中，學(xué)生能夠進行設(shè)想、驗證、完善、創(chuàng)造出某種東西，從而培養(yǎng)創(chuàng)新能力和動手操作能力。這兩種思想其實是共通的，項目學(xué)習(xí)即是學(xué)生實現(xiàn)做中學(xué)的一種教學(xué)形式。

基于STEAM的3D打印課程定位為一門綜合課程，教學(xué)內(nèi)容不止單一的建模設(shè)計步驟，而應(yīng)將編程、科學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)及數(shù)學(xué)問題有機融合，讓學(xué)生在實際生活中發(fā)現(xiàn)問題，通過項目學(xué)習(xí)分解問題，利用3D打印技術(shù)將解決思路可視化，最終解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2. 課程設(shè)計。高中生自我意識進一步增強且求知欲旺盛，邏輯思維能力進一步發(fā)展，對生活中遇到的各種問題有自己的想法，希望通過自己的創(chuàng)意解決問題，3D打印課程正是這一過程的媒介。高中3D打印課程依托校本課程展開，以項目為主線，依據(jù)生活中發(fā)現(xiàn)的問題，分小組開展各自的項目，通過3DOne軟件設(shè)計自己的作品，最后展示作品，解決問題，完成項目報告。課程由基礎(chǔ)知識和多個項目組成，包括桌面書立設(shè)計、拎袋護手設(shè)計、理線盒設(shè)計等，每個項目分三個課時完成。第一課時展示學(xué)生生活中遇到的問題，比如高中生課本與資料較多，在桌面上堆放散亂，找起來也比較困難，設(shè)計工具收納整理，分小組開展頭腦風(fēng)暴，完成項目報告草圖設(shè)計，利用3DOne軟件畫出設(shè)計。教師在討論階段提供各方面理論知識支撐，包括物理、數(shù)學(xué)、科技等，在制作階段幫助學(xué)生解決軟件操作疑惑，將軟件中各功能講解融入學(xué)生的需求。第二課時完成作品制作并完善，將藝術(shù)教育融入其中，對作品的美感加以強調(diào)。第三課時打印出作品并展示，完成項目報告。通過一個完整的項目完成過程，讓學(xué)生真實參與，把學(xué)習(xí)到的物理、數(shù)學(xué)等知識用到實際的問題解決中，同時注重作品的美觀性。另外，做項目的過程中，學(xué)生的團隊合作意識也能增強。

3. 教學(xué)實踐。下文以“拎袋護手”為例，介紹教學(xué)實施的過程。

第一課時重在設(shè)計，主要由情境導(dǎo)入、小組討論、設(shè)計制作三個部分組成。

（1）情境導(dǎo)入。日常生活中我們經(jīng)常在超市購物，但每次把購物袋拎回家都會非常頭疼，每每手掌都被勒得通紅，有沒有什么方式能夠讓拎購物袋不在費勁？請各小組展開討論，設(shè)計個性的拎袋護手。

（2）小組討論。教師提供相關(guān)的理論知識，包括數(shù)學(xué)空間幾何圖形的相關(guān)知識、圓環(huán)的性質(zhì)、物理壓強的相關(guān)知識，小組討論中如果還需要其他知識，可以隨時上網(wǎng)查找。在設(shè)計的過程中，教師在思路上積極引導(dǎo)，護手的設(shè)計首先應(yīng)該確定形狀，要符合人體手掌彎曲，同時應(yīng)該增大拎袋與手掌的接觸面積，才能減少拎袋對手掌產(chǎn)生的壓力。

（3）設(shè)計制作。在討論的過程中，引導(dǎo)學(xué)生填寫項目報告，記錄提出的各種需求和問題，然后繪制草圖，把想要設(shè)計的拎袋護手先畫出來，小組成員共同討論修改。設(shè)計快的項目組可以先一步打開3DOne軟件開始制作。

第二課時完成作品建模，主要分為3D軟件制作和完善兩個部分。一是3D軟件制作。根據(jù)前一節(jié)課的設(shè)計，利用3DOne軟件進行設(shè)計制作。教師提供相關(guān)軟件功能使用的微視頻，包括圓環(huán)制作、減運算等，學(xué)生在遇到操作困難時，可以直接利用微視頻學(xué)習(xí)。根據(jù)設(shè)計出現(xiàn)的其他問題，教師提供技術(shù)支持；二是完善。小組討論，完善作品的設(shè)計，包括邊緣的圓角、倒角設(shè)計，使作品更美觀實用。

第三課時打印作品并展示。因為3D打印比較耗時，課前應(yīng)將小組作品利用3D打印機打印出來，課上由各小組推薦同學(xué)進行展示說明，其他小組提出看法和建議，將建議在項目報告中做好記錄。小組對項目作品開展自評，并做記錄，結(jié)合小組互評記錄，對項目完成情況進行反思總結(jié)。

4. 教學(xué)效果與反思。筆者2017年下半年在普通高中一年級開設(shè)了3D打印校本課程，在課程項目學(xué)習(xí)過程中學(xué)生興趣很高，小組討論過程非常熱烈，大家在團隊合作的過程中對已經(jīng)學(xué)習(xí)的物理知識和數(shù)學(xué)空間幾何知識做了鞏固加深。同時，在設(shè)計作品過程中兼顧作品藝術(shù)性，通過關(guān)聯(lián)各種知識點，最終完成自己的作品設(shè)計，并通過3D打印機將設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實。與此同時，反思校本課程的開展情況，筆者認為，可以從項目甄選和微課制作等方面加以改進。

基于STEAM理念的高中3D打印校本課程的開展需要以項目教學(xué)為依托，同時項目的來源應(yīng)該取自學(xué)生的真實生活。來源于學(xué)生生活中的各種項目情境能讓他們產(chǎn)生共鳴，發(fā)現(xiàn)問題的癥結(jié)所在。通過項目團隊討論、合作，跨學(xué)科知識的梳理，找到解決問題的思路，設(shè)計出自己的作品，從而解決生活中的小問題。

基于STEAM理念的3D校本課程具有知識與資源的跨界性，其中學(xué)生所需建構(gòu)的知識往往不只是一個學(xué)科，其融合了科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、藝術(shù)等多個學(xué)科知識，需要學(xué)生不斷地進行跨界思考，這種情況下需要教師做好充足的知識儲備，同時需要選擇一種適合學(xué)生根據(jù)自己需要開展學(xué)習(xí)的教學(xué)手段。微課正是這樣一種適合不同學(xué)生根據(jù)自己計劃需求開展學(xué)習(xí)的教學(xué)手段，教師在課前準備好各學(xué)科知識的資料或知識點的微課，為學(xué)生在做項目的過程中做好知識儲備，讓不同的學(xué)生能夠根據(jù)自己的需求隨時學(xué)習(xí)相關(guān)知識。

綜上所述，基于STEAM教育理念開展的3D打印課程，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和實踐積極性，讓學(xué)生將自己的創(chuàng)意變成現(xiàn)實。在這一過程中，學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)的綜合素養(yǎng)得以提高。3D打印課程教學(xué)不僅僅是讓學(xué)生學(xué)習(xí)建模，更重要的是利用3D打印技術(shù)解決生活中的問題，這就需要教師在課程設(shè)計過程中，更多的思考如何通過課堂教學(xué)把學(xué)生培養(yǎng)成有創(chuàng)造力的設(shè)計者。

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責(zé)任編輯 黃 晶