STEM教育理念下3D打印課程的教學設計與實施

黃廷勛 周健

【摘要】STEM教育理念為是培養(yǎng)工程技術(shù)人才的重要手段，本文以“運動小車的設計與制作”為例分享本團隊在STEM教育理念下進行3D打印課程教學的設計思路與實施過程，以期為同類教育提供一些經(jīng)驗。

【關(guān)鍵詞】STEM教育;3D打印;課程設計;任務教學

引言

STEM教育是目前較流行的一種教育模式，它通過創(chuàng)設工程情境，讓學習者順應項目實施流程，自主完成工程任務。它強調(diào)學習者在創(chuàng)設的工程情境中，結(jié)合自身及團隊所擁有的多方知識解決情境中的問題，幫助學習者融合跨學科知識，構(gòu)建新的知識體系，是培養(yǎng)學習者解決問題能力，協(xié)作能力和實踐創(chuàng)新能力的直接途徑。

我國是世界上工程教育規(guī)模最大的國家之一，然而工程師的數(shù)量和質(zhì)量卻有待提高。2013年麥肯錫測算數(shù)據(jù)顯示，工程師在我國市場的需求數(shù)量將有大幅增長，2020年該類人才缺口預計將達2200萬。STEM課程資源的開發(fā)與實施無疑對我國培養(yǎng)工程技術(shù)人才有正面作用。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2012年1月，美國聯(lián)邦商業(yè)部發(fā)布了題為《美國競爭力與創(chuàng)新力》的報告，報告數(shù)據(jù)顯示肩負創(chuàng)新使命、推動經(jīng)濟發(fā)展的人力資本多數(shù)來自STEM領(lǐng)域。2012年德國聯(lián)邦教育與研究部在其調(diào)查報告《MINT展望——MINT事業(yè)與推廣指南》中指出“保證勞動力的數(shù)量和質(zhì)量是聯(lián)邦政府活動的重心”。

2016年，我國教育部印發(fā)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出“有條件的地區(qū)要積極探索信息技術(shù)在‘眾創(chuàng)空間、跨學科學習（sTEM教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，養(yǎng)成數(shù)字化學習習慣，促進學生的全面發(fā)展，發(fā)揮信息化面向未來培養(yǎng)高素質(zhì)人才的支撐引領(lǐng)作用”。2018年5月15日，中國教育科學研究院正式牽頭，啟動“中國STEM教育2029行動計劃”。

目前，國內(nèi)沿海城市學校紛紛建立學校教育創(chuàng)客空間，通過借助創(chuàng)客空間實施一定規(guī)模的STEM教育，上海、北京先后成立了STEM教育云中心，江蘇、浙江先后召開了全省STEM（STEAMl教育大會。我國STEM教育研究也呈現(xiàn)出逐漸繁榮的態(tài)勢。

我校于2015年成立了“3D打印創(chuàng)客社團”。社團成立初期，社團沒有培訓設備，教師們積極想辦法，克服困難，迎難而上，創(chuàng)造培訓條件。兩位指導教師自費購買了一臺3D打印機及配套耗材，借用學校計算機實驗室進行社團培訓。在極簡陋的條件下師生們共同學習、培訓、討論、研究，收到了較好的培訓成果。2016年12月社團選派了4名學生參加廣州市青少年3D打印創(chuàng)意設計大賽，獲得中學組三等獎1名。2018年我校配備了“創(chuàng)客實驗室”，社團依托該實驗室進行規(guī)劃、組織及培訓。2018年12月社團選派了5名優(yōu)秀學生參加廣州市中小學生3D打印設計大賽，其中三人進入決賽，獲得中學組一等獎1名、二等獎2名的好成績。

二、基于設計的跨學科四層STEM理論框架

經(jīng)過4年的摸爬滾打，筆者及團隊積累了一定的經(jīng)驗，并著手3D打印社團的STEM課程資源開發(fā)。筆者及團隊在課程資源開發(fā)中的設計思路與理論框架主要參考James A.Beane的“主題一概念一活動”的課程統(tǒng)整理念，制定出包括學科內(nèi)容層、跨學科概念層、教學設計層、學習目標層的理論框架。

學科內(nèi)容層面，本團隊所開發(fā)的3D打印課程主要以任務為導向，每個任務都充分融合科學（s）、技術(shù)（T）、工程（E），數(shù)學（M）等多學科（sTEM）內(nèi)容，讓學生在完成各項任務的過程中，實現(xiàn)知識的融合。

跨學科概念層面，在凝練學科間的核心概念的同時，通過細化分解、橫向聯(lián)結(jié)將相關(guān)聯(lián)的知識進行融合，實現(xiàn)跨越。

教學設計層面，通過環(huán)環(huán)相扣的形式，引導學生自主學習。教學過程的核心是基于主題情境設置相應任務，要求學生完成，學生在設計和制作的過程中，需融合多種知識，構(gòu)建系統(tǒng)的知識體系，并結(jié)合真實世界的設計和加工條件，制作出成品。

學習目標層面，該教學過程，可使學生在教師引導下自主學習新知識，融合并構(gòu)建知識體系，此外，真實的設計與制作也能讓學生在條件限制下想辦法解決所遇困難，培養(yǎng)學生解決問題能力、協(xié)作能力和實踐創(chuàng)新能力。同伴間互評與反饋，也會為學生提供新思路，促使其深入學習形成良性循環(huán)，切實提高教育教學效率。

三、3D打印課程《運動小車的設計與制作》的教學設計與實施

（一）課程的教學內(nèi)容與目標分析

3D打印課程《運動小車的設計與制作》是我校3D打印社團開展的一個STEM綜合實踐主題課，如表1所示，是本團隊結(jié)合STEM課程理念，根據(jù)課程設計框架制定的教學內(nèi)容及目標分析。

（二）課程的教學設計與實施

STEM教學理念下的課程通過不同學科的視域透視“運動小車的設計與制作”項目中所涉及的多種問題，形成不同學科的能力要求，培養(yǎng)學生的探究能力、自主學習能力、協(xié)作能力、解決問題能力及設計能力，提高學生的核心素養(yǎng)與創(chuàng)新思維能力，增強教育教學的有效性。具體的教學設計與實施如圖l所示。

（1）學生確定“運動小車的設計與制作”的主題，通過網(wǎng)絡檢索學習小車造型、結(jié)構(gòu)等相關(guān)內(nèi)容，初步形成解決問題的能力。

日常生活中我們經(jīng)?？梢砸姷狡?，學生對汽車也比較熟悉，但汽車種類繁多，真正要將其設計制作出來，對于學生還是有一定的難度，所以我們選擇該主題。學生接到該任務，首先以小組為單位通過網(wǎng)絡及書籍找出各類車輛的造型及結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息，這一過程可以激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)其自學檢索能力，鍛煉其解決問題能力。組員在相互交流和分享查閱信息的同時，也是一種思想和學習的融合過程，大家要在不同的意見中統(tǒng)一思想，對于學生來說，是一種很好的鍛煉。

（2）學生在教師的引導下提取知識點，如動能、傳動、車重計算、阻力計算、測量工具的使用等。通過自主學習及小組交流，融合跨學科知識，構(gòu)建自己的知識體系。

制作運動小車涉及多個跨學科知識點，學生很難準確地提取各類知識點并自主學習，因此教師的引導很有必要。小車運動涉及的動能包括太陽能、電能、風能等知識;所需傳動涉及帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等知識;各種零件的測量涉及直尺、游標卡尺、千分尺等測量工具的使用。在教師的引導下，學生可以明確知道自己所需學習的一系列跨學科知識點，進行精準學習，高效學習。

（3）學生通過前期的自主學習及小組討論，明確本組作品的設計方案初稿。學生經(jīng)過這一系列的探究能夠培養(yǎng)其科學探索能力及自主學習能力。

這一環(huán)節(jié)學生們既能發(fā)揮奇思妙想創(chuàng)造自己想要的造型，又要根據(jù)現(xiàn)實情況求同存異、統(tǒng)一小組思想最終定出本組的設計方案。學生們通過思想火花的碰撞，不斷鞏固學習，強化記憶，還能通過知識的投射效應進一步拓展新知識，并進行融合，構(gòu)建自己的知識體系。

（4）學生通過建模、切片、優(yōu)化、打印、組裝等步驟制作出成品，該過程幫助學生強化設計能力，實操能力，并鍛煉其綜合實踐能力。

這一環(huán)節(jié)學生開始實操，面對現(xiàn)實情況，許多天馬行空的想法需要根據(jù)現(xiàn)實情況進行調(diào)整，優(yōu)化設計一方面能強化學生的操作技巧，另一方面也提升了他們的綜合實踐能力。如圖2所示，學生們多次優(yōu)化后，制作出來的運動小車成品。為了讓作品更美觀，學生們還為自己的作品上色，如圖3所示。

（5）學生以小組為單位進行作品展示與評價，并通過多種形式收集反饋信息，最終提高表達能力，溝通能力，提升解決問題能力。

作品展示是教師在教學中有意營造的激勵環(huán)境。各小組充分展示自己的產(chǎn)品，說明自己的設計思路及制作流程，并在同伴間相互評價反饋，迭代完善產(chǎn)品，以競爭方式促進共同提高。展示中，學生們提高了語言表達能力，品嘗到成功的喜悅，找到了自信，更激發(fā)了不斷進步的欲望，自主學習的積極性得到了進一步提高，解決問題能力得以升華。同時筆者還要求學生們使用微信等社交平臺進行作品展示，收集身邊人的意見和建議，這些多元化的展示與評價不但可以提高學生的參與度，還能為學生提供新思路，促使其深入學習形成良性循環(huán)，切實提高教育教學效率。

四、總結(jié)與思考

“運動小車的設計與制作”是本團隊開展的STEM教育理念下3D打印課程的其中一個課程設計，從目前的教學效果來看，在融合跨學科知識，構(gòu)建新的知識體系、培養(yǎng)學生解決問題能力、協(xié)作能力和實踐創(chuàng)新能力，提高教育教學的有效性方面都取得較好的效果，學生參與熱情也比較高。但該課程開展的時間尚短，尚有不足，日后筆者及團隊還需通過更多的教學及反饋數(shù)據(jù)不斷完善其相關(guān)內(nèi)容，繼續(xù)探索更好的STEM教育理念引導式課程資源及有效的學習途徑。根據(jù)職業(yè)教育要求，提升教學質(zhì)量，提高教學效率，為后續(xù)教學提供資源參考，并促進教學質(zhì)量的全面提高，促使學生綜合職業(yè)能力全面發(fā)展。