基于STEAM的小學《3D打印》課程——設計與教學實踐研究

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1、基于STEAM的小學《3D打印》課程——設計與教學實踐研究 編者注：鄭賢老師曾榮獲國培專家、全國模范教師、廣東省小學特級教師、廣東省勞動模范、廣東省首批名教師、廣州市優(yōu)秀專家等稱號。她現不僅是全國模范教師，而且是全國五一勞動獎章者、廣州亞運會火炬手，執(zhí)教20多年，所培訓的學生參加全國、省、市小學計算機競賽獲獎達392人次。受省教育廳的委托，她合編的廣東省小學計算機課本第三冊《上機實驗手冊》，獲得1998年度海珠區(qū)優(yōu)秀科技項目四等獎；所撰寫的教學設計、論文也多次獲得省、市、區(qū)一等獎?；?DOne編寫的3D設計學習課程受到了教育界的關注與好評。 ? 一、引言 ?21世紀的教育，以培養(yǎng)

2、具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的新型人才，推動社會發(fā)展和進步為使命。2015年，李克強總理在政府工作報告中提出“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”，更把“創(chuàng)新”提升到了一個前所未有的高度。近年來，為了進一步探索教學創(chuàng)新，一些國家嘗試將3D打印技術應用于STEAM課程中，以推動技術對創(chuàng)新教學的發(fā)展，使得技術與藝術人文教育和工程教育融合成學校文化的一部分。 ?雖然3D打印技術適應信息化時代發(fā)展的需求，在國內也較為新穎，但是目前設計成熟并適合小學生學習的3D打印課程卻是極度缺乏。面對新技術和教育新理念的變革浪潮，在基于STEAM教育思想的教育教學實踐中，教育工作者需要不斷反思，不斷創(chuàng)新教育教學新思想、新經驗，提高教學質

3、量。 ? 二、STEAM教育理念 20世紀80年代，STEM課程在美國逐漸發(fā)展，其本身是為了提高美國學生對理工科知識的興趣而建立的課程。STEM教育通過整合Science(科學) 、T e c h n o l o g y ( 技術) 、E n g i n e e r i n g ( 工程) 、Mathematics(數學)領域內容指引教學和學習的途徑和方法，它并不是將這四門課程知識的簡單疊加，而是要將多學科內容的交叉融合形成有機整體，倡導問題解決驅動的跨學科教育，旨在培養(yǎng)學生的問題解決能力、團隊合作能力、設計能力和實踐創(chuàng)新能力。STEM教育的出現改變了傳統(tǒng)的教育理念和思維方式，引導人們重

4、新探索新型的教學方式。隨著課程的改革以及STEM教育實踐研究的開展，藝術(Arts)類課程也添加到STEM課程中，形成以STEAM課程為主要特色的STEAM教育，并逐漸在美國、韓國、英國等國家受到關注。 ?在國內，2015年新媒體聯盟《地平線報告》(K12版)，將STEAM列為未來1-2年技術驅動K12教育的重要趨勢。傅騫等認為，STEM教育是一種教學策略，通過借助基于設計的學習、基于項目的學習和探究性學習等學習方式，培養(yǎng)學習者解決實際問題的能力。任友群等人提出，STEAM教育是以項目學習、問題學習為主的學習方式，它在STEM教育基礎上進行了延伸和拓展，形成一種新的教育模式，是技術與工程教育

5、和藝術人文教育的融合，旨在推動技術驅動的教學創(chuàng)新。余勝泉等認為，STEAM教育以多學科整合的教學方式，注重過程實踐，以真實問題為向導，強調知識與能力并重，倡導“做”中“學”；強調創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)，注重知識的跨學科遷徙及其與學習者之間的關聯。STEAM教育的這些理念和思想融入到信息技術課程和教學中，有利于通過技術的學習培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。 ?三、3D打印課程 ?作者以中望3DOne打印技術為依托，設計了適合小學生學習的3DOne打印課程。該課程采用項目學習的形式，以STEAM教育思想為導向，以做中學為策略，并以激發(fā)學生學習興趣、貼近學生生活為出發(fā)點，進行課程的設計與實踐。 ? (一)

6、3D打印與3D打印課程(3D Printing) ?3D打印也叫“三維打印”，基于所創(chuàng)建的原型樣品或者實體模型，運用塑料、樹脂、粉末狀金屬或其他材料，通過逐層打印實現快速成型。3D打印技術為科技的創(chuàng)新提供了一個新的平臺，被喻為第三次工業(yè)革命的核心技術之一。3D打印課程是以3D打印技術為主的課程，是以“傻瓜型”三維設計軟件為基礎的課程。為了促進我國中小學的創(chuàng)新教育，結合時下影響意義深遠的3D打印技術，國內有關公司，根據8-18歲孩子的教育特點，開發(fā)出適用于中小學的3D打印設計軟件——3DOne，并配套3D打印教學課程資源。通過3D打印實體的觸覺過程，建立新型的簡易3D建模學習通道，快速搭建起某

7、種類型的簡易模型，最終利用3D打印機將設計實體化。 ? (二)3DOne打印軟件的特點 ?趣味性學習是3DOne打印軟件的核心關鍵。3DOne打印軟件界面簡潔，功能強大，易于上手，非常符合中小學的開放思維創(chuàng)意操作，讓學生能夠簡單、輕松、快捷地表達創(chuàng)意想法，能讓沒有任何基礎的學生在短短的十分鐘通過“搭積木”堆砌、拖拉等操作方式，掌握最基礎的3D繪畫設計，極大地激發(fā)了學生學習3D打印的興趣與熱情。 ?促進學科融合是3DOne打印軟件的創(chuàng)新特色。運用3DOne打印軟件進行創(chuàng)意操作，所涉及的學科學習有信息技術、綜合實踐、美術、科學、通用技術等，由此也促進了特色課程的產生，如校本教材、創(chuàng)客空間(

8、設計、制作、展示)、特色教室、學習資源的開發(fā)等。在3DOne打印軟件的創(chuàng)意學習中，綜合運用多學科知識與技能，學科的融合，更有利于充分調動學生探究能力、創(chuàng)新能力，促進學生創(chuàng)新思維以及邏輯思維的發(fā)展。 ?(三)3Done打印軟件的教學模式 ?3DOne打印軟件賦予了教學互聯網社區(qū)的性質，幫助教師設計更加豐富多彩的講課方案，是“互聯網+”對傳統(tǒng)教育的最大推動。目前，在3DOne創(chuàng)意社區(qū)中，學生可以在自己的社區(qū)賬戶中將隨手設計的圖紙上傳，并且展示到個人空間中。教師可以查看學生作品的進展，欣賞學生設計的作品，鼓勵學生之間進行評論和點贊，提高師生之間、生生之間的交互。此外3DOne所具有簡單易用的程序

9、環(huán)境，支持專業(yè)級的涂鴉式平面草圖繪制，可進行豐富實用的3D實體設計，提供多種多樣的顯示控制，并能通過內嵌于軟件的社區(qū)網站下載3D打印模型。3DOne強大的功能與簡單易用的程序環(huán)境相結合，使得學生更易上手，創(chuàng)意更容易實現，更有助于對學生創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。 ? 四、3D打印課程的教學設計與實踐 ?(一)3D打印課程教學的基本思想 ?1.做中學 ?美國著名教育家杜威認為，“做中學”即從生活經驗中積累知識、從實際活動中進行學習，在情景化的教學場所中，讓學生通過親身體驗，在不斷地觀察、實驗、探究、創(chuàng)作中解決真實問題。3D打印課程思想，也正符合杜威的“教育即經驗”“教育生活”“教育即生長”三個核心

10、命題。3D打印課程教學也正是讓學生在現實生活中發(fā)現問題，在實際操作中完成知識的學習和技能的掌握，從而達成最終的教育目標，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。 ?2.項目學習 ?項目學習(PBL)是一套系統(tǒng)的教學方法，它是以解決真實、負責的問題為目的，對項目任務進行精心設計、探究、實施的過程，在這個過程中，學生能夠進行設想、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。在3D打印課程的學習中，運用項目學習是指在現實生活中借助豐富的資源進行探究活動，主動完成項目的實施和完善，應用3D打印技術將制作的作品向他人展示，并解決其他一系列相關問題的一種新型探究型學習模式。 ?3.設計思維 ?設計思維

11、是以解決方案為導向的思維形式，它不是從某個問題入手，而是從目標或者是要達成的成果著手，探究問題的解決方案，是一種獨特的“在行動中進行創(chuàng)意思考”的方式。3D打印學習所倡導的就是設計思維。通過發(fā)現生活中的問題，以解決問題作為要達成的成果，獨立思考，合作分享，利用3D打印技術進行技術解決，3D打印為問題的解決方案提供了有效的實施措施。 ? (二)基于STEAM思想的《3D打印》課程教學目標 ?新媒體聯盟《地平線報告》(2015基礎教育版)將3D打印列為未來2-3年技術驅動K12教育的重要趨勢。在小學階段，信息技術課程是一門綜合學科，教學內容不再局限在作品創(chuàng)作的具體操作步驟，而是將編寫程序、科學

12、、技術、各種軟環(huán)境的分析比較、作品美感和數學問題有機融合到信息技術課程體系當中，這也正符合STEAM注重學生設計能力、批判性思維和問題解決能力的教育理念和思想。3D打印課程教學旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、提高學生的科學素養(yǎng)。在課程中，不斷激發(fā)學生的想象力，讓學生體驗作品從無到有的產生過程，感受創(chuàng)意變成真實事物的設計、開發(fā)過程。與傳統(tǒng)教育中“以知識傳授為主”的課程相比，3D打印課程的教學顯得格外生動形象，它讓學生通過自己的感覺器官親自接觸具體的事物，“做中學”，使抽象的概念具體化、形象化。由于3D打印將創(chuàng)意變成真實，有助于提高學生的參與能力和動手能力，激發(fā)學生的學習積極性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性和創(chuàng)造力。將3D打印技術嵌入STEAM課程使知識可視化，催生創(chuàng)客式的教學新樣態(tài)，培養(yǎng)學生的科技素養(yǎng)和數字素養(yǎng)，從而為教育科技創(chuàng)新提供平臺，實現平面教育到立體教育的轉變。 ?許多專家試圖探索信息技術課程結構的穩(wěn)定性，希望將其變成一門成熟的學科，但是在信息化社會不斷發(fā)展的背景下，信息技術又必須保持不斷求新、不斷求變的方式。這似乎是一個互相矛盾的問題，其實不然，在基礎教育領域匯總，教師更多的是教授學生一種科學化、創(chuàng)新化的思維方式，了解運用不同技術手段解決問題的區(qū)別和聯系。因此，不斷變化發(fā)展的信息技術課程是一個學科發(fā)展的需求，基于STEAM教育思想的3D打印課程的設計也符合信息化社會發(fā)展的要求。