STEAM背景下小学3D打印课程教学设计模式构建研究
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摘 要： 培养具有创造性思维的创新性人才是教育新时代的新使命，以3D打印课程为寄托融入STEAM教育理念是培养创新性人才的有效途径。论文以提升小学生的创造性思维为出发点，针对我国STEAM教育教学发展的客观实际提出了小学3D打印课程的全新教学模式。该模式提出了课内学科融合和课外在线互动两个教学环节。其中，课内学科融合中设计了提问引入、分析自学、创造生成、交流反馈四个课堂环节，旨在进行指引、激发、组织思考和反思的教学活动;课外在线互动设计了分享微课资源、展示作品成果、答疑评价四个学习环节，旨在查缺补漏与巩固提高。最后以小学信息技术课程《我的糖果屋》为案例开展教学实践，以期为3D打印课程的实践与研究提供参考，探索培养学生的创造性思维的教学方法，从而助力推动教育改革。
关键词： STEAM教育理念;3D打印课程;创造性思维;教学设计
中图分类号： G434 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.063
【Abstract】： Cultivating creative talents with creative thinking is a new mission in the new era of education. It is an effective way to cultivate innovative talents by integrating STEAM education ideas with 3D printing courses. Based on the theory of the tower of Dale’s experience， “doing middle school” and project-style teaching， the thesis changes the traditional teaching model in the past. Combined with the objective reality of the development of STEAM education and teaching in China， a new teaching model adapted to the 3D printing curriculum in primary schools is proposed. This model puts forward the teaching method of integration of subject in class and online interaction， and promotes students to continue and deepen their learning. Among them， the design of the classroom questions introduction， analysis of self-study， creation generation， and exchange feedback are designed to organize students to guide， stimulate， organize and reflect on the teaching activities; The extra-curricular design of the sharing of microlesson resources， the display of work results， and the evaluation of questions and questions is designed to identify gaps and consolidate and improve. Finally， the teaching practice of the primary school information technology course “My Candy House” is carried out to provide reference for the negotiation and research of the 3D printing course， and explore the teaching methods to cultivate students’ creative thinking， thus helping to promote the educational transformation.
【Key words】： STEAM education concept; 3D printing course; Creative thinking; Teaching design
0 引言
現如今是科技快速发展的时代，在这个时代里，创新作为核心竞争力是决定国际地位的重要因素，那么培养具有创造性思维的创新性人才成为教育新时代的新使命[1]。2016年国家实施了创新驱动发展“三步走”战略，明确到2050年建成世界科技创新强国，这在国家层面上将创新推到了一个新的高度，青少年作为国家的后备军，如何培养具有创新性和创造性思维的学生成为我们亟待解决的问题。3D打印技术是一种新型快速成型的技术，它的出现不仅改变了产品的制造方法，也随着3D打印技术不断成熟和发展脱离了高科技的象牙塔，逐渐融入教育中，成为推动创新教育和培养学习者创造性思维的新工具。然而3D打印课程作为一种新型课程，应用传统教学方式显然不能满足在学习过程中提高思维的灵活性和流畅性的要求，无法达到培养学习者创造性思维的目标。通过分析相关教育文献发现，STEAM教育理念可以增强学习者的信息意识与创新意识，其理念注重过程和实践，以解决实际问题为向导，旨在培养学习者的创造性思维，与3D打印课程的课程目标不相为谋[5]。那么如何将STEAM教育理念融合到小学3D打印课堂中，用以培养小学生的创造性思维，适应新时代对于创新型人才的新要求，进而面对时代变革的浪潮，推动创新教学的发展。基于此，将STEAM教育与小学3D打印课程进行深度融合，课程借鉴STEAM教育中先进的教育理念和教学方法，改变传统教育中“以知识传授为主“的教学方式，探索新型的教学方式，以期来培养小学生的创造性思维，来适应未来社会的人才要求，为促进技术对创新教学的发展提供可行 之路。 1 STEAM教育理念概况
STEM教育是通过整合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）、数学（Mathematics）来指引教学活动和学习活动进行的途径和方法，其倡导问题解决驱动的跨学科教育。到21世纪初，艺术（Art）也作为一种人为因素所被重视，在原先STEM的基础上加入了“Art”因素，发展成了STEAM教育理念，形成“以数学为基础，通过工程和艺术理解科学和技术”的跨学科、整合的STEAM教育理念[4]。20世纪80年代，美国为了保持在国际竞争力中的领先地位，国家科学委员会首次提出“STEM教育集成”的国家纲领性建议[2]。美国科学教育者认为提高国民的科学素养是提高国家综合实力的关键，是社会发展的推动力。推广STEM教育理念的本身是为了提高美国学生对理工学科的兴趣，以促进培养数学领域的人才，高质量产出科学、工程技术领域的人才，对学生的未来生活或工作产生必要的影响[3]。STEAM教育理念不仅仅是将五学科的知识进行简单的叠加，而是将多学科知识内容进行交叉融合成一个有机整体，以培养学习者的问题解决能力、团队合作能力、设计能力、创造性思维和实践能力。
在我国，STEAM教育理念是提倡通过学生完成他们感兴趣并和生活相关的项目，在实践过程中学生不断创造，激发学生的潜能，在过程中进行学科的整合，综合提升学习者的能力。与传统教学不同的是，STEAM教育理念注重学习过程中能力的提升，而不是结果。2015年教育部办公厅关于征求对《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》中首提探索“STEAM教育”“创客教育”新模式。在2018年教育部办公厅发布文件《2018年教育信息化和网络安全工作要点》中指出探索信息技术在跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等教育教学新模式中的应用。在同年3月教育部发布《教育部教育装备研究与发展中心2018年工作要点》，表明积极探索新理念新方式，持续关注STEAM教育等对中小学教育、课程发展的影响，开展移动学习、虚拟现实、3D打印技术在教育中的 应用。
2 3D打印课程
2.1 3D打印简介
3D打印也称为“三维打印”，通过建模软件创建出原型样品后，将计算机与3D打印机链接，打印机运用塑料、树脂、粉末金属或其他材料将模型材料逐层打印成实物[6]。国内建模软件包括3ds Max、Rhino、123D Design、3DOne等，本课程选择3DOne设计软件开展教学。
2.2 3D打印课程
目前，我国小学教育主要以分科教学，同时受应试教育的影响，虽然3D打印相关课程在小学有所开设，但是不被受重视，这无疑是对人才培养的阻碍。3D打印课程与应试教育学科相比较，具有课程整合，能够提升学生的知识整合和实践能力。但是3D打印课程缺乏教育部门的统一指导，缺乏相应的教学模式支撑，以培养学生的知识整合能力，提升学生的综合素养。所以使得3D打印课程很难在学校课程教育中立足。3D打印课程所体现的合作性、创新性、设计性和实践性的理念与STEAM教育及其相似，所以3D打印课程可以依托STEAM教育理念的支撑，对3D打印课程进行教学设计，以期培养学生的实践能力和创造性思维，提升学习者的综合素养。
2.3 3D打印课程特点
（1）趣味性
趣味学习是3D打印课程的一大特点，由于3Done软件界面简单，便于操作，大部分工具呈现在软件界面上，所以便利于小学生上手操作，能够让学生将自己的思維创意想法轻松便捷的表达出来，小学生通过立体图形的堆砌、相切等操作方式，将创意表达出来后，通过3D打印机变成实物，极大激发了学生学习3D打印的兴趣与热情[7]。
（2）促进学科融合
促进学科融合是3D打印课程的第二大特点。学生在3Done建立模型过程中，需要涉及的学科有信息技术、数学、美术、科学等，正符合新课标改革中提出的跨学科融合交叉的要求，以适应社会的需求[7]。在3D打印课程中，学生通过多学科的融合运用建立起一个模型，在建立过程中，充分调动了学生的探究能力、创新能力，促进学生创新思维以及逻辑思维的发展。
3 依据的相关理论
3.1 戴尔的经验之塔
戴尔的经验之塔理论是美国教育学家戴尔在1946年所著的《教学中的视听方法》中提出的。该经验之塔是“具体经验”到“抽象经验的综合，从塔的下层到上层分为三个大层次，在三大层的基础上又分为十个小层。塔的最下层是具体经验，随着层次的上移，抽象度也随之上移，这符合学习者的学习路径。教育教学从具体经验开始，逐步上升到抽象阶段[12]。如图1所示，“经验之塔”三个层次分别是做的经验、观察的经验和抽象的经验，做的经验就是实践的的经验，通过亲身经历或者亲身体验来习得知识，在实践过程中去获得真实的学习体验。在3D打印课程中正是围绕了“做的经验”。整个过程为学生亲手操作，学生通过学科融合并结合自己的创造能力建立模型，后通过打印机快速形成模具，实现将虚拟的物体变成实物，弥补抽象经验不足，同时发展了学生的创造思维和设计思维。
3.2 “做中学”理论
“做中学”是美国著名教育家杜威提出的，杜威认为真正的学习活动是从实际活动中获得的，只有通过做才能获得经验，有了经验才能学到东西。
在情景化的教学场所中，让学生通过亲身体验，在不断地观察、实验、探究、创作中解决真实问题。在杜威看来，“从做中学”充分体现了学与做的结合，也是知与行的结合[13]。3D打印课程教学正是符合杜威的“做中学”理论，学生按照自己的想法进行设计，想法来源可能是解决生活的问题，通过打印机快速成型，将自己的想法变成实物，在这个过程中，可能会遇到问题，学生根据知识的学习和技能的掌握去解决问题，真正实现知识的运用。最后得到成品后，也满足了学生的成就感。 3.3 项目式学习
项目式学习是一套系统的教学方法，它是以解决真实、负责的问题为目的，对项目任务进行精心设计、探究、实施的过程，解决一系列问题的一种新型探究型学习模式。在这个过程中，学生能够进行设想、验证、完善、创造出某种东西，培养创新能力和动手操作能力[14]。在3D打印课程中，教师运用项目式学习是运用现实生活中存在的问题为向导，从解决问题和达成目标着手，探究解决问题的方案。学生应用3D打印技术提出解决方案，并将作品向他人展示交流，通过迭代的方法，从而改善自己的作品。
4 3D打印课程的教学设计模式构建
基于STEAM的教育理念，以问题、项目和案例为导向，结合具体的课程实践，提出了一个3D打印课程教学模式图如图2所示。该模式是以培养学生探究能力、创新能力，促进学生创新思维以及逻辑思维为目标进行发展培养的。分为课内学习和课外学习两个部分，课内以线下方式进行，以促进学科融合;课外以学生在线学习的方式，通过师生、同伴互动，以弥补个人短板和提高巩固。
4.1 3D打印课程的教学设计模式
（1）展示模型——提问引入
本设计的提问引入阶段需要教师创设一定的情景，把学生带到真实场景中，在真实场景中提出实际需要解决的问题，设计的成品一般选择生活中常见的用品，这一部分屬于指引思考，教师指引学生进行思考。有趣生动的课堂导入是一节课教学成功的保障，有趣的开头可以引起学生的注意，激起学生的学习兴趣，调动学生的求知欲，让学生由被动学转变为主动学，更有利于开发学生的创新性思维。比如教师设计两个虚拟人物，小兔子和兔子妈妈。兔子妈妈最近一直在为没有给牙刷找到合适的放置位置而发愁，小兔子每天被牙痛折磨的寝食难安，牙医说是因为牙刷放在牙缸里滋生细菌，牙刷把细菌带到牙齿才会导致牙痛的，可是牙刷不放在牙缸里又能放在哪里呢？将学生带入一个虚拟场景中，引导学生动脑思考帮兔子妈妈解决烦恼，在思考过程中，学生异想天开，想象出不同的创意造型，无论想法有多荒谬，都要给予肯定，使学生的创造性思维得以无限开发。进行创意后，由教师展示出由3D打印机打印出的成品牙刷放置架，之后提出相应问题，比如模型是由哪几类立体图形构成，各个图
形如何组合会更美观，立体图形的长宽高如何设置会更符合科学，如何改变物体的外形会使其更有趣。在提问引入阶段引起学习者的注意力，激起学习者的求知欲，同时打开学生的想像力，为以后教学中进行实际创造打开思路，通过提问的方式引导学生朝着老师设定的思考方向进行拓展。
（2）自主探究——分析自学
本设计的分析自学阶段由教师引导学生分析上一阶段所提出的问题，同时引导学生学习使用相应的命令工具，这一部分属于激发思考，教师通过问题的设置激发学生对问题进行思考。在传统课堂中，注重将知识全部灌输给学生，这样无法给学生思考的空间，而在引导过程中，通过逐步分析的过程，学生跟随教学思路进行思考，在思考中激发学生的创新思维或创造行为。比如在分析”糖果屋“的过程中，首先要分析“糖果屋”构成的图形，由学生通过观察成品，去思考模型的各个部分由什么类型的立体图形构成，在观察出是由长方体，圆柱体组成后，学生会对如何将各个图形组合在一起充满求知欲，自然而然引出本课新知知识是学习命令工具中“基本实体”中“圆柱体”和“长方体”，以及“特征造型”中“圆角”、“切角”命令。由于3Done软件简单、操作容易上手的优点，可以通过自学教材的方式进行学习。最后还要分析图形的搭配比例，图形长宽高数值置需要学生运用先知知识中数学知识和工程知识进行分析，同时将自己预测的长宽高
数据记录下来，以便在创造设计阶段进行验证是否符合实际的科学规律。这充分凸显了STEAM教育理念中的Math数学素养和Engineering工程素养深度融合后应用到解决实际问题中。
（3）融合知识——创造生成
在此阶段学生综合上一阶段所掌握的工具命令对模型进行创造，继续发挥学生的创造性思维，这一部分属于学习者独立进行组织思考的阶段，学生将前两个阶段所掌握的技术和对问题的解决策略综合后进行创造。在创造过程中由于所创造的模型一般是生活用品，所以要符合科学规律，同时出于作品的美观要求，要对作品的颜色进行搭配，在创造过程中，学生的S科学素养、T技术素养、A艺术素养会不断被激发，学生会不断对这些知识进行融合，之后去解决创造过程中所遇到的问题。学生在创造过程中，思维不断发生碰撞，可能会有各种想法涌出，来激发学生的创造力，以培养学生的创造思维。
（4）发放评价量表——交流反馈
学生完成作品后，教师组织学生进行交流，在交流过程中每个人陈述作品的完成情况，反馈自己的创造过程，向全班讲解自己的创造思路。在交流结束后，教师向所有学生发布STEAM评价量表，评价量表主要侧重评价学生的科学、技术、工程、艺术、数学素养的体现以及模型的创新性。在交流之后，学生对自身的表现和在完成项目作品中知识技能的提升进行反思。
（5）分享微课资源——查缺补漏
在线上，会建立一个QQ群和网盘，为了弥补综合能力稍弱学生的短板，将3Done命令工具的基本使用方法的微课视频发布到网盘里，以便于基础较弱的学生去观看。由于3Done软件平台界面简洁，上手比较容易，同时在分析自学阶段，学生有了一定的基础，在课下通过观看视频可以查缺补漏，弥补课上遗漏的知识点。
（6）展示作品成果——分享提高
为了鼓励学生发挥想想进行创意设计，在课下学生的作品也可以上传到线上，以供学生观赏。
（7）答疑评价——迭代完善
学生和教师也可以将网上一些优质资源分享到线上，在线上，学生对于难点进行提问或者对其他同学的疑问进行解答。同时也可以对他人的作品作出评价，以便与学生不断完善自己的作品。 4.2 STEAM教育理念下3D打印课程教学模式设计的实践案例——以小学六年级下册《我的糖果屋》学习为例
3D打印课程教学设计是以广东省教育研究院教研室编著的常规教材《广东省小学课本信息技术第四册（下）》六年级下册的“我的糖果屋”为例，学生运用3D打印软件设计糖果屋的造型，通过设计糖果屋的窗户、门、房檐、名字等设施，把3Done打印软件中所要掌握的基本实体、草图绘制、特征造型、材质渲染等命令工具融合到设计糖果屋的活动中，从项目出发，在解决问题过程中熟悉3Done打印功能，同时激发学生的创造性思维，从而提高学生的问题解决能力、团队合作能力、设计能力、创造性思维和实践能力。
（1）提问引入阶段
课程设计两位虚拟人物，糖果爷爷和小兔两个卡通形象，并且课程由这两位虚拟人物作为向导来展开学习活动。丰富的场景和故事情节指引学生进入学习活动中。
糖果爷爷有一个糖果屋，小兔子很羡慕，于是对糖果爷爷说出自已的愿望：“我也想拥有一个自己的糖果屋。”糖果爷爷说“你看我的糖果屋就是通过3Done软件设计出来的，如果设计优美观的话还可以链接打印机打印出来，变成一个模型实体。给你展示一下我的模型成品。”教师将成品进行展示。同时向学生提出问题：
①糖果屋是由哪几类立体图形构成的？如何创建这几类图形才会形成糖果屋？
②立体图形的长宽高如何衡量才会符合科学 规律？
③是否能将糖果屋变的更有色彩一点？
问题①是为凸显学生的数学素养而提出的;
问题②是为凸显学生的科学素养而提出的;
问题③是为凸显学生艺术素养而提出。
整个阶段以解决具体问题为目标，问题是围绕科学、数学知识所提出的，依据问题的指引，为学生思考提供方向，思维整理也有了一定依据。
（2）分析自学阶段
教师带领学生观察糖果屋模型。
老师：“小兔子很想拥有自己的糖果屋，我们大家一起来帮助小兔子吧。下面请同学们仔细观察一下糖果屋的的屋顶、屋体、窗户分别是由什么形状构成的？”
在问题抛出来后，同学们开始七嘴八舌的进行猜想。大家开始由屋顶到屋体进行图形分解分析，部分学生能够分析出糖果屋的构成图形，但是具体的操作方法不能用专业词汇准确作答。于是需要教师对学生的专业用词进行纠正。
老师：“大家都很棒，能够分析出糖果屋屋顶是由两块长方体组成;屋体是由正方体构成;窗户是由四个长方体构成;屋体的门也是由长方体构成。具体是如何操作的呢？这就是我们本节课的所要掌握的目标：第一是学习命令工具“基本实体”中的长方体及长方体的相加减操作;第二是学习命令工具“特征造型”中圆角、倒角操作;第三是学习“草图绘制”中预制文字，将“糖果屋”三个字进行嵌入到屋体上。”
教师需要将本节课教学目标准确传达给学生，使学生能明确自己的学习重点，由于这些操作命令在界面能够轻易找到，所以通过学生自学教材、合作学习能够掌握其基本操作。
（3）创造生成阶段
通过学习基本操作，学生有了一定的基础，有能力将本节课所习得的操作进行融合，同时验证自己对问题的解答是否合理，也是对先前知识学习的巩固，最后形成糖果屋。在创造过程中学生进行数学、工程、科学、技术素养的融合，从而激发学生的创造思维。对于问题③有能力的学生进行拓展，学生可以运用先前所学习“材质渲染”对糖果屋进行染色，使房屋更有色彩;也可以运用先前学习“基本实体”对糖果屋添加其他元素，以期培养学生的审美意识。
（4）反馈交流阶段
学生完成自己的作品之后进行展示，同伴进行交流，教师对于作品进行评价，对于作品中有特色的部分给予肯定，同时对不足的地方进行迭代改造，展示之后填写STEAM评价量表。
5 结束语
面对第三次工业革命的挑战和机遇，培养适应新时代的创新型人才成为教育的新使命，3D打印作为发展创新性人才的教学工具更是推向了更高的层面。实践证明将STEAM教育理念融入到3D打印课堂中，通过学生亲自感受具体的事物，使抽象的概念具体化、形象化，拓展了学生创新思维的应用范围，构建起基于STEAM教育的学习情境，提升创新教育水平，使得学生动手能力、设计能力、思维能力有所提高。3D打印课程势必作为基于创造的学习平台融入到教育生态新环境中，我们需要更多的思考如何连通学习和创新，培养具有创造力和设计力的系靠着，从而成为智能教育时代推动教育变革的重要利器，助力教育育创新和变革。
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