基于STEAM的小学《3D打印》课程――设计与教学实践研究

基于STEAM的小学《3D打印》课程——设计与教学实践研究编者注：郑贤老师曾荣获国培专家、全国模范教师、广东省小学特级教师、广东省劳动模范、广东省首批名教师、广州市优秀专家等称号。她现不仅是全国模范教师，而且是全国五一劳动奖章者、广州亚运会火炬手，执教20多年，所培训的学生参加全国、省、市小学计算机竞赛获奖达392人次。受省教育厅的委托，她合编的广东省小学计算机课本第三册《上机实验手册》，获得1998年度海珠区优秀科技项目四等奖；所撰写的教学设计、论文也多次获得省、市、区一等奖。基于3DOne编写的3D设计学习课程受到了教育界的关注与好评。一、引言21世纪的教育，以培养具有创新精神和创新能力的新型人才，推动社会发展和进步为使命。2015年，李克强总理在政府工作报告中提出“大众创业，万众创新”，更把“创新”提升到了一个前所未有的高度。近年来，为了进一步探索教学创新，一些国家尝试将3D打印技术应用于STEAM课程中，以推动技术对创新教学的发展，使得技术与艺术人文教育和工程教育融合成学校文化的一部分。虽然3D打印技术适应信息化时代发展的需求，在国内也较为新颖，但是目前设计成熟并适合小学生学习的3D打印课程却是极度缺乏。面对新技术和教育新理念的变革浪潮，在基于STEAM教育思想的教育教学实践中，教育工作者需要不断反思，不断创新教育教学新思想、新经验，提高教学质量。二、STEAM教育理念20世纪80年代，STEM课程在美国逐渐发展，其本身是为了提高美国学生对理工科知识的兴趣而建立的课程。STEM教育通过整合Science(科学)、Technology(技术)、Engineering(工程)、Mathematics(数学)领域内容指引教学和学习的途径和方法，它并不是将这四门课程知识的简单叠加，而是要将多学科内容的交叉融合形成有机整体，倡导问题解决驱动的跨学科教育，旨在培养学生的问题解决能力、团队合作能力、设计能力和实践创新能力。STEM教育的出现改变了传统的教育理念和思维方式，引导人们重新探索新型的教学方式。随着课程的改革以及STEM教育实践研究的开展，艺术(Arts)类课程也添加到STEM课程中，形成以STEAM课程为主要特色的STEAM教育，并逐渐在美国、韩国、英国等国家受到关注。在国内，2015年新媒体联盟《地平线报告》(K12版)，将STEAM列为未来1-2年技术驱动K12教育的重要趋势。傅骞等认为，STEM教育是一种教学策略，通过借助基于设计的学习、基于项目的学习和探究性学习等学习方式，培养学习者解决实际问题的能力。任友群等人提出，STEAM教育是以项目学习、问题学习为主的学习方式，它在STEM教育基础上进行了延伸和拓展，形成一种新的教育模式，是技术与工程教育和艺术人文教育的融合，旨在推动技术驱动的教学创新。余胜泉等认为，STEAM教育以多学科整合的教学方式，注重过程实践，以真实问题为向导，强调知识与能力并重，倡导“做”中“学”；强调创新思维和能力的培养，注重知识的跨学科迁徙及其与学习者之间的关联。STEAM教育的这些理念和思想融入到信息技术课程和教学中，有利于通过技术的学习培养学生的创新能力。三、3D打印课程作者以中望3DOne打印技术为依托，设计了适合小学生学习的3DOne打印课程。该课程采用项目学习的形式，以STEAM教育思想为导向，以做中学为策略，并以激发学生学习兴趣、贴近学生生活为出发点，进行课程的设计与实践。(一)3D打印与3D打印课程(3DPrinting)3D打印也叫“三维打印”，基于所创建的原型样品或者实体模型，运用塑料、树脂、粉末状金属或其他材料，通过逐层打印实现快速成型。3D打印技术为科技的创新提供了一个新的平台，被喻为第三次工业革命的核心技术之一。3D打印课程是以3D打印技术为主的课程，是以“傻瓜型”三维设计软件为基础的课程。为了促进我国中小学的创新教育，结合时下影响意义深远的3D打印技术，国内有关公司，根据8-18岁孩子的教育特点，开发出适用于中小学的3D打印设计软件——3DOne，并配套3D打印教学课程资源。通过3D打印实体的触觉过程，建立新型的简易3D建模学习通道，快速搭建起某种类型的简易模型，最终利用3D打印机将设计实体化。(二)3DOne打印软件的特点趣味性学习是3DOne打印软件的核心关键。3DOne打印软件界面简洁，功能强大，易于上手，非常符合中小学的开放思维创意操作，让学生能够简单、轻松、快捷地表达创意想法，能让没有任何基础的学生在短短的十分钟通过“搭积木”堆砌、拖拉等操作方式，掌握最基础的3D绘画设计，极大地激发了学生学习3D打印的兴趣与热情。促进学科融合是3DOne打印软件的创新特色。运用3DOne打印软件进行创意操作，所涉及的学科学习有信息技术、综合实践、美术、科学、通用技术等，由此也促进了特色课程的产生，如校本教材、创客空间(设计、制作、展示)、特色教室、学习资源的开发等。在3DOne打印软件的创意学习中，综合运用多学科知识与技能，学科的融合，更有利于充分调动学生探究能力、创新能力，促进学生创新思维以及逻辑思维的发展。(三)3Done打印软件的教学模式3DOne打印软件赋予了教学互联网社区的性质，帮助教师设计更加丰富多彩的讲课方案，是“互联网+”对传统教育的最大推动。目前，在3DOne创意社区中，学生可以在自己的社区账户中将随手设计的图纸上传，并且展示到个人空间中。教师可以查看学生作品的进展，欣赏学生设计的作品，鼓励学生之间进行评论和点赞，提高师生之间、生生之间的交互。此外3DOne所具有简单易用的程序环境，支持专业级的涂鸦式平面草图绘制，可进行丰富实用的3D实体设计，提供多种多样的显示控制，并能通过内嵌于软件的社区网站下载3D打印模型。3DOne强大的功能与简单易用的程序环境相结合，使得学生更易上手，创意更容易实现，更有助于对学生创新精神的培养。四、3D打印课程的教学设计与实践(一)3D打印课程教学的基本思想1.做中学美国著名教育家杜威认为，“做中学”即从生活经验中积累知识、从实际活动中进行学习，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。3D打印课程思想，也正符合杜威的“教育即经验”“教育生活”“教育即生长”三个核心命题。3D打印课程教学也正是让学生在现实生活中发现问题，在实际操作中完成知识的学习和技能的掌握，从而达成最终的教育目标，培养学生的创新能力。2.项目学习项目学习(PBL)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，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，从而培养创新能力和动手操作能力。在3D打印课程的学习中，运用项目学习是指在现实生活中借助丰富的资源进行探究活动，主动完成项目的实施和完善，应用3D打印技术将制作的作品向他人展示，并解决其他一系列相关问题的一种新型探究型学习模式。3.设计思维设计思维是以解决方案为导向的思维形式，它不是从某个问题入手，而是从目标或者是要达成的成果着手，探究问题的解决方案，是一种独特的“在行动中进行创意思考”的方式。3D打印学习所倡导的就是设计思维。通过发现生活中的问题，以解决问题作为要达成的成果，独立思考，合作分享，利用3D打印技术进行技术解决，3D打印为问题的解决方案提供了有效的实施措施。(二)基于STEAM思想的《3D打印》课程教学目标新媒体联盟《地平线报告》(2015基础教育版)将3D打印列为未来2-3年技术驱动K12教育的重要趋势。在小学阶段，信息技术课程是一门综合学科，教学内容不再局限在作品创作的具体操作步骤，而是将编写程序、科学、技术、各种软环境的分析比较、作品美感和数学问题有机融合到信息技术课程体系当中，这也正符合STEAM注重学生设计能力、批判性思维和问题解决能力的教育理念和思想。3D打印课程教学旨在培养学生的创新能力、提高学生的科学素养。在课程中，不断激发学生的想象力，让学生体验作品从无到有的产生过程，感受创意变成真实事物的设计、开发过程。与传统教育中“以知识传授为主”的课程相比，3D打印课程的教学显得格外生动形象，它让学生通过自己的感觉器官亲自接触具体的事物，“做中学”，使抽象的概念具体化、形象化。由于3D打印将创意变成真实，有助于提高学生的参与能力和动手能力，激发学生的学习积极性，培养学生的创新性和创造力。将3D打印技术嵌入STEAM课程使知识可视化，催生创客式的教学新样态，培养学生的科技素养和数字素养，从而为教育科技创新提供平台，实现平面教育到立体教育的转变。许多专家试图探索信息技术课程结构的稳定性，希望将其变成一门成熟的学科，但是在信息化社会不断发展的背景下，信息技术又必须保持不断求新、不断求变的方式。这似乎是一个互相矛盾的问题，其实不然，在基础教育领域汇总，教师更多的是教授学生一种科学化、创新化的思维方式，了解运用不同技术手段解决问题的区别和联系。因此，不断变化发展的信息技术课程是一个学科发展的需求，基于STEAM教育思想的3D打印课程的设计也符合信息化社会发展的要求。