我國(guó)中小學(xué)生學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)比較扎實(shí)，但創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力相對(duì)薄弱。近年，各地根據(jù)需要陸續(xù)開(kāi)設(shè)了綜合實(shí)踐活動(dòng)課程，以期培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，提高實(shí)踐、創(chuàng)新水平。一些教師對(duì)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程的性質(zhì)、形態(tài)等缺乏準(zhǔn)確理解和把握，實(shí)施過(guò)程中隨意性較大。依據(jù)教育部于2017年9月發(fā)布的《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》精神，人教數(shù)字教育研究院結(jié)合學(xué)校教學(xué)實(shí)際，在國(guó)家級(jí)項(xiàng)目“基于3D打印的STEAM數(shù)字化課程出版”研究的基礎(chǔ)上，編寫了《基于3D打印的STEAM課程叢書初中綜合實(shí)踐活動(dòng)學(xué)生用書》，供具備條件的學(xué)校選用。以活動(dòng)主題作為基本單元，根據(jù)初中學(xué)生各學(xué)科知識(shí)水平，設(shè)計(jì)符合學(xué)生發(fā)展特點(diǎn)的活動(dòng)項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生選擇制訂合理的解決方案，在活動(dòng)中應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題、制作成品、培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力，這不失為一條好路子。

一、3D打印實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意物化

將3D打印技術(shù)作為STEAM課程中的主要技術(shù)支撐方式，有助于實(shí)現(xiàn)課程中的知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐創(chuàng)作。此書有十三個(gè)單元，分為兩大部分：前三個(gè)單元為第一部分，先讓學(xué)生了解3D打印技術(shù)原理，學(xué)習(xí)三維建模的方法和使用3D打印機(jī)的方法;后十個(gè)單元為第二部分，主要應(yīng)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)、制作生活和工程技術(shù)中常用的結(jié)構(gòu)、零件、物品或儀器等，為學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)意并將創(chuàng)意物化提供充足的機(jī)會(huì)。

對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)3D建模方法較難，第一單元不涉及此內(nèi)容，只是讓學(xué)生對(duì)3D打印有個(gè)大概了解，知道3D打印制作的基本步驟以及處理方法。

3D建模方法則安排在第二、三單元，讓學(xué)生由易到難漸進(jìn)學(xué)習(xí)。第二單元只讓學(xué)生練習(xí)調(diào)整3D建模軟件中已經(jīng)存在的模型，通過(guò)在軟件的工作界面中導(dǎo)入模型、多角度觀察模型、調(diào)整參數(shù)框內(nèi)的參數(shù)（或用鼠標(biāo)）以改變模型的大小、導(dǎo)出模型等步驟，使學(xué)生對(duì)3D建模軟件有初步的感性認(rèn)識(shí)。第三單元，借助設(shè)計(jì)和制作筆帽，詳細(xì)介紹3D建模中圖形之間“交”“并”“差”三種運(yùn)算，使學(xué)生掌握運(yùn)用三種運(yùn)算構(gòu)造圖形的方法。

學(xué)生了解了3D打印的原理、3D打印制作的基本步驟，有了應(yīng)用3D打印方式制作物品的基本能力，再通過(guò)適當(dāng)導(dǎo)引，就能夠完成第二部分十個(gè)單元的學(xué)習(xí)任務(wù)。

二、3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)文化結(jié)合

書中活動(dòng)主題的選擇非常講究，注重3D打印技術(shù)與中國(guó)傳統(tǒng)文化的結(jié)合。例如，公道杯、印章、榫卯結(jié)構(gòu)、橋、日晷等主題都源自中國(guó)傳統(tǒng)文化。第四單元中介紹的奇妙的公道杯又稱“戒盈杯”，是利用虹吸原理制作的，其真實(shí)存在竟能追溯到宋代。從“第八單元跨河越塹的梁橋”介紹了我國(guó)古今在橋梁方面的重要貢獻(xiàn)，如我國(guó)現(xiàn)存古代最長(zhǎng)的石梁橋、最早的跨海梁式大石橋、長(zhǎng)江上第一座公鐵兩用大橋——武漢長(zhǎng)江大橋等?！暗诰艈卧苁w虹的拱橋”則介紹了拱橋在我國(guó)的悠久歷史。此外，從這兩個(gè)單元的“擴(kuò)展閱讀”欄目中，還能進(jìn)一步了解橋的起源與分類、現(xiàn)代的拱橋等。

在活動(dòng)中展現(xiàn)中國(guó)自古以來(lái)的科技成就等內(nèi)容，能夠幫助學(xué)生在打好扎實(shí)的多學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)之上，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新、國(guó)家認(rèn)同、社會(huì)責(zé)任、人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神等多種核心素養(yǎng)的綜合提升。

三、融合傳統(tǒng)學(xué)科，培養(yǎng)實(shí)踐操作技能

作者和編輯都強(qiáng)調(diào)落實(shí)“立德樹(shù)人”的根本任務(wù)，突出STEAM課程與傳統(tǒng)學(xué)科課程之間的融合關(guān)系。此書將3D 打印技術(shù)與STEAM 課程內(nèi)容、數(shù)字教材結(jié)合起來(lái)，在以創(chuàng)新為發(fā)展核心驅(qū)動(dòng)力的今天，為義務(wù)教育創(chuàng)新人才能力的培養(yǎng)提供了一條重要途徑。

書中與物理學(xué)科融合的案例包括：第二單元通過(guò)設(shè)計(jì)和制作讀書架，使學(xué)生了解物體的重心、支撐面與支架穩(wěn)定性之間的關(guān)系;第四單元通過(guò)制作公道杯，使學(xué)生知道傳統(tǒng)樣式公道杯的結(jié)構(gòu)和能夠排水的原因，從而知道什么是虹吸現(xiàn)象，初步了解虹吸現(xiàn)象的原理;第六單元?jiǎng)t揭示，人們使用螺絲釘時(shí)，利用了斜面省力的原理，而螺絲釘能保持緊固狀態(tài)，則與靜摩擦有關(guān)。

第十一單元日晷的設(shè)計(jì)和制作，涉及多個(gè)學(xué)科，包括數(shù)學(xué)、物理等知識(shí)。

除此之外，在各單元的3D設(shè)計(jì)中融入了對(duì)藝術(shù)素養(yǎng)的培養(yǎng)。實(shí)用性和藝術(shù)性兼具的印章（“第五單元雅致的印章”）的制作、對(duì)八仙桌模型的二次設(shè)計(jì)（“第七單元精巧的榫卯”），都使得學(xué)生既能發(fā)揮各自的藝術(shù)修養(yǎng)，又能在此過(guò)程中得到藝術(shù)方面的鍛煉?！暗诰艈卧{石飛虹的拱橋”介紹我國(guó)形式多樣的拱橋，不僅堅(jiān)固耐用，而且體現(xiàn)出一種藝術(shù)的美感。比如，僅拱形就有半圓、多邊形、圓弧、橢圓、蛋形、馬蹄形和尖拱形等各種式樣。

四、“拓展”類模塊激勵(lì)探究、“擴(kuò)展閱讀”欄目開(kāi)闊視野

“拓展”類模塊分為“拓展探究”和“拓展學(xué)習(xí)”兩種。對(duì)不影響基本活動(dòng)內(nèi)容的完成，但探究難度和設(shè)計(jì)制作靈活性有所增加的內(nèi)容，在“拓展探究”模塊中予以呈現(xiàn)，激勵(lì)有興趣的學(xué)生進(jìn)一步探究制作。如“第二單元制作我的讀書架”中的“拓展探究”，在學(xué)生通過(guò)測(cè)量和估算，在3D建模軟件（此書的配套軟件）中設(shè)置參數(shù)調(diào)整讀書架模型的大小，通過(guò)3D打印制作出折疊式讀書架的基礎(chǔ)上，讓他們用類似的步驟，設(shè)計(jì)和制作其他類型的支架，如插板式讀書架、折疊式平板電腦（手機(jī)）支架等。第八單元的“拓展探究制作其他類型梁橋的模型”，在學(xué)生了解簡(jiǎn)支梁橋的基本結(jié)構(gòu)和原理，用3D打印設(shè)計(jì)和制作出其模型的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生查找、學(xué)習(xí)其他梁橋，如懸臂梁橋的有關(guān)知識(shí)，并嘗試設(shè)計(jì)制作。

技術(shù)性較強(qiáng)，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)3D打印的知識(shí)性內(nèi)容被放在“拓展學(xué)習(xí)”模塊中，感興趣的學(xué)生可以探究學(xué)習(xí)。如第一單元中的“拓展學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)3D打印機(jī)的基本結(jié)構(gòu)”就在學(xué)生學(xué)習(xí)了3D打印的基本原理、體驗(yàn)過(guò)3D打印過(guò)程之后，讓學(xué)生簡(jiǎn)單了解3D打印機(jī)的主要構(gòu)件，如打印機(jī)噴頭、擠出器、打印平臺(tái)、控制面板及顯示屏，以及3D打印材料等。

此書還設(shè)有“擴(kuò)展閱讀”欄目。其中的內(nèi)容都是與模塊相關(guān)性較密切的知識(shí)和技能，可以拓寬學(xué)生的視野，便于有興趣的學(xué)生進(jìn)一步探索學(xué)習(xí)。如第三單元的活動(dòng)3 模塊內(nèi)的“擴(kuò)展閱讀關(guān)于筆帽的小知識(shí)”，說(shuō)明了筆帽上設(shè)有小孔的目的是防止窒息。第六單元活動(dòng)3模塊內(nèi)的“擴(kuò)展閱讀”欄目介紹了螺栓的起源和標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。

五、評(píng)價(jià)方式多樣化，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展

在完成了一個(gè)單元的學(xué)習(xí)后，需要幫助學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，使他們了解經(jīng)過(guò)這一階段的學(xué)習(xí)后，應(yīng)該知道什么、能夠做什么，以及通過(guò)什么方法、獲得哪些證據(jù)。此書將終結(jié)性評(píng)價(jià)和過(guò)程性評(píng)價(jià)相結(jié)合，不僅在每單元末設(shè)置了“學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)”模塊，而且適時(shí)在活動(dòng)進(jìn)行的主要節(jié)點(diǎn)上設(shè)有“試一試”“比一比”等具有評(píng)價(jià)功能的小欄目，由此保證評(píng)價(jià)的全面、真實(shí)、有效性，達(dá)到檢查效果、診斷問(wèn)題、明確方向，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的目的。

例如，“第五單元雅致的印章”的“活動(dòng)2”“活動(dòng)3”模塊中都設(shè)置了具有評(píng)價(jià)功能的欄目，并根據(jù)活動(dòng)內(nèi)容，評(píng)價(jià)的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。其中，“活動(dòng)2”模塊中的欄目是“試一試，比一比”，讓學(xué)生先自我評(píng)價(jià)一下：試用制作好的印章，確認(rèn)實(shí)際效果，思考改進(jìn)方法，然后組間互評(píng)：小組代表介紹各組的印章如何設(shè)計(jì)、有何特點(diǎn)、印制效果怎樣，小組之間比印章的外形、印制效果?！盎顒?dòng)3”模塊中的欄目是“比一比，議一議”則重在組間互評(píng)：各小組展示藝術(shù)印章，介紹設(shè)計(jì)思路和文化意義，對(duì)比作品，思考改進(jìn)設(shè)計(jì)和制作的方法。

單元末的“學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)”模塊中，采用的評(píng)價(jià)方式除自我評(píng)價(jià)、組間互評(píng)，還有自測(cè)等。

六、配套軟件提升數(shù)字化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作能力

我國(guó)有些學(xué)校的綜合實(shí)踐活動(dòng)課程的授課教師，是從其他學(xué)科教師轉(zhuǎn)任或兼任的，缺少信息技術(shù)專業(yè)背景。現(xiàn)有的3D建模軟件，往往感覺(jué)難以上手，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)使用難度更大?！盎?D打印的STEAM數(shù)字化課程出版”項(xiàng)目組為此研發(fā)了軟件，降低課程實(shí)施的門檻。軟件與教材配套，能實(shí)現(xiàn)教材中的建模和設(shè)計(jì)要求，且具有一定拓展性。此書配套的3D建模軟件有四大功能。

一是預(yù)置了長(zhǎng)方體、圓柱體、圓錐體、球體、正棱柱等規(guī)則三維圖形，能在工具主操作界面中導(dǎo)入一個(gè)或多個(gè)規(guī)則三維圖形。每個(gè)圖形為一個(gè)獨(dú)立操作對(duì)象，能通過(guò)調(diào)整長(zhǎng)、寬、高參數(shù)改變圖形的形狀，能通過(guò)調(diào)整位置參數(shù)或拖曳等方式改變圖形的方位;能對(duì)兩個(gè)三維圖形進(jìn)行“交”“并”“差”運(yùn)算，以構(gòu)造復(fù)雜圖形;能實(shí)現(xiàn)平面圖形、文字的3D化，預(yù)置長(zhǎng)方形、菱形、圓形等圖形。

二是能保存3D建模過(guò)程的工程文件，支持導(dǎo)入和導(dǎo)出3D圖形文件（STL文件）。

三是包含螺栓、螺母獨(dú)立模塊，能通過(guò)調(diào)整參數(shù)設(shè)計(jì)出不同規(guī)格的螺栓和螺母，還有圓柱齒輪、錐形齒輪、冠齒輪獨(dú)立模塊，能通過(guò)調(diào)整參數(shù)設(shè)計(jì)不同規(guī)格的齒輪。

四是根據(jù)此書13個(gè)單元的內(nèi)容，預(yù)置了曲別針、鑰匙扣、陀螺、書架、筆帽等模型，并可被3D建模軟件調(diào)用。

利用此書配套的易學(xué)易用的軟件，在從熟悉的生活中衍生出的、與多門學(xué)科有機(jī)聯(lián)系的各活動(dòng)主題內(nèi)容的引導(dǎo)下，學(xué)生不僅能夠了解與應(yīng)用3D打印技術(shù)，而且能制作出兼具美觀性與實(shí)用性的物品。這對(duì)于培養(yǎng)初中學(xué)生的綜合素質(zhì)、發(fā)展實(shí)踐創(chuàng)新意識(shí)和審美意識(shí)，以及提高他們的創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)能力，都是十分有益的。

3D打印作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，對(duì)全球制造業(yè)有著巨大的影響，其中的熔融沉積3D打印是目前使用范圍最廣的，其操作難度小、成本低、打印速度快，非常有利于學(xué)生應(yīng)用它完成多種跨學(xué)科的綜合實(shí)踐活動(dòng)。綜觀市面上關(guān)于3D打印的書籍，其中多為講述3D打印技術(shù)、技術(shù)應(yīng)用、技術(shù)入門、建模等方面的，而STEAM教育方面的書籍基本上是一些講述教育理論、創(chuàng)客、創(chuàng)新教育等內(nèi)容的。從學(xué)生的日常學(xué)習(xí)生活、社會(huì)生活出發(fā)，提出了富有教育意義的活動(dòng)選題，以3D打印作為主要技術(shù)支持方式，應(yīng)用STEAM教育理念，逐步引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)，將各種創(chuàng)意設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的物品，有利于提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，著力發(fā)展核心素養(yǎng)，特別是創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。核心素養(yǎng)培育任重道遠(yuǎn)，出版并使用這部創(chuàng)新且使用的教材正當(dāng)其時(shí)。

（作者系人民教育出版社課程教材研究所高級(jí)編輯）