程美

摘要：3D打印是創(chuàng)客和創(chuàng)客教育不可缺少的“利器”，盡管很多高職院校都采購了3D打印設(shè)備，但是由于課程開發(fā)不成熟，效率并不高。文章提出了基于STEAM理念開發(fā)3D打印課程，構(gòu)建3D打印創(chuàng)新教育培養(yǎng)的“4C”能力模型，認為STEAM融入3D打印教學具有創(chuàng)新、整合和實踐三大價值取向，并開展了3D打印課程開發(fā)模式研究，開發(fā)了《3D打印創(chuàng)意與設(shè)計》課程，令學生在體驗學習的過程中建構(gòu)科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學等跨界知識以及創(chuàng)新意識和能力，對豐富高職創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理論具有一定的價值。

關(guān)鍵詞：STEAM;3D打印;課程開發(fā)

中圖分類號：G40-1;G40-057? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）08-0042-03

一、引言

3D打印（Three-Dimension Printing，3DP）作為第三次工業(yè)革命最具標志性的生產(chǎn)工具[1]，是一種增材制造技術(shù)，通過逐層疊加將三維模型轉(zhuǎn)化為實物，從食品打印到生物打印，再到工業(yè)打印，越來越多地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，是創(chuàng)客教育的重要工具。

近年來，3D打印技術(shù)受到教育界的關(guān)注，學生用三維軟件設(shè)計出3D模型，然后再3D打印出來，能有效提高學生跨界整合能力、創(chuàng)新意識和能力[2]。雖然當前很多高職院校都采購了3D打印設(shè)備，但是3D打印課程的開發(fā)未成體系，整合目標研究、整合內(nèi)容選擇、教學模式創(chuàng)新等都存在不足。本文提出將STEAM理念融入3D打印教學，創(chuàng)新3D打印課程開發(fā)。

二、3D打印創(chuàng)新教育目標分析

相關(guān)研究表明，到2030年機器人將取代全球8億工作崗位[3]。然而，人工智能難以模擬思維、意識、情感、判斷、交流、跨界推理、創(chuàng)新創(chuàng)造、藝術(shù)審美等能力。因此，教育亟需由簡單的知識傳遞向多元化能力培養(yǎng)發(fā)展。

本文通過組建專家團隊，運用德爾菲法開展高職3D打印教育目標研究，認為3D打印教育在發(fā)展批判性思維、團隊協(xié)作、創(chuàng)新創(chuàng)造以及自我價值的實現(xiàn)等方面有重要作用，并構(gòu)建了3D打印教育“4C”能力模型，即 Critical Thinking（批判性思維）、Communication（溝通能力）、Collaboration（協(xié)作能力）、Creativity（創(chuàng)新創(chuàng)造能力）。

1.批判

批判性思維能力是通過有效的推理與思考，運用系統(tǒng)化的思維，作出判斷和決定以及解決問題等能力，主要采用分析、討論、對比、描述、評估、解釋和問題解決等方法培養(yǎng)提升。

2.溝通

溝通能力是使用語言或非語言，有效利用口頭、書面等形式，使用各種手段、多種媒體、通信技術(shù)等清晰地傳遞思想、表達觀點以及有效傾聽對方深層意圖，通常采用傾聽、閱讀、說、寫等策略提升有效溝通。

3.協(xié)作

協(xié)作是與同伴合作完成任務(wù)，這個過程中需要共享知識，促進高階認知，形成創(chuàng)新知識的能力。在協(xié)作過程中，應(yīng)尊重差異，作出必要妥協(xié)，承擔相應(yīng)責任。促進協(xié)作能力提升的策略通常有頭腦風暴、任務(wù)驅(qū)動、委派責任和團隊建設(shè)等。

4.創(chuàng)造

創(chuàng)新創(chuàng)造能力是深度思考產(chǎn)生創(chuàng)意點子，形成創(chuàng)新方案勇于嘗試的能力。促進創(chuàng)新創(chuàng)造能力發(fā)展主要有頭腦風暴、設(shè)計、想象、即興創(chuàng)作、提問和解決問題等方法。

三、STEAM融入3D打印教學的價值取向

Eisner認為教育價值分為技術(shù)取向、認知過程取向、學術(shù)理性取向、社會重建取向、個人適應(yīng)取向和社會適應(yīng)取向，為教育分析與體系建構(gòu)提供了理論依據(jù)[4]。本文在此理論的基礎(chǔ)上，運用調(diào)查法、專家咨詢法等方法，對STEAM理念融入3D打印教育的價值取向進行了調(diào)查研究。研究認為，科學（Science）、數(shù)學（Mathematics）具有學術(shù)理性取向，技術(shù)（Technology）具有技術(shù)取向，藝術(shù)（Art）具有人文取向，工程（Engineering）具有認知過程取向，基于此綜合分析認為主要具有創(chuàng)新、整合和實踐三大價值取向。同時，研究還認為以往的3D打印技術(shù)教學，主要通過強調(diào)掌握結(jié)構(gòu)和原理、能夠操作訓(xùn)練，是解決“是什么”和“怎么做”的問題，而融入STEAM理念能夠解決“為了什么”的問題。

1.創(chuàng)新價值取向

傳統(tǒng)教學中，知識分塊和封閉在一定程度上阻礙了學生綜合能力的提升，導(dǎo)致學生綜合能力不夠，難以解決復(fù)雜問題。STEAM融合跨界知識，能促進學生綜合素質(zhì)提升，提高解決問題的能力，打通各領(lǐng)域知識和技能聯(lián)結(jié)的脈絡(luò)，幫助學生提升直覺、識別、想象與創(chuàng)造等能力，不斷進行功能性反思，從而提升分析思維、審辨式思維與創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

2.整合價值取向

“整合”和“制作”是STEM的重要哲學觀點。“整合”是將五個領(lǐng)域關(guān)聯(lián)融合，“制作”是將“行動”貫穿全過程。在內(nèi)容上，STEAM通過實踐項目，將碎片化知識與信息之間建立聯(lián)系，突出綜合運用。在方法上，以學生為中心，以項目驅(qū)動、問題導(dǎo)向、自主探究等方式開展，融合多種方法圍繞具體項目展開教學，讓學生明確“做什么”“用什么”“怎么做”“達到何種效果”，進一步推動學生走向深度學習。

3.實踐價值取向

STEAM強調(diào)技術(shù)運用的社會動機，強調(diào)經(jīng)驗與知識源于探究活動，將“冰冷”的科技用于現(xiàn)實問題的解決，讓技術(shù)“有溫度”，因而將他們在課內(nèi)外所學會的知識與真實世界相聯(lián)系。

四、基于STEAM的《3D打印創(chuàng)意與設(shè)計》課程設(shè)計

STEAM強調(diào)跨界解決真實問題，關(guān)注培養(yǎng)綜合素質(zhì)。3D打印教學強調(diào)“做中學”，關(guān)注培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。高職3D打印教學目前還處于初級階段，迫切需要融入STEAM，加強跨界整合。圖1為高職3D打印教學關(guān)聯(lián)圖，即以STEAM為支持、以3D打印教學為手段，突出跨界知識的運用，實現(xiàn)4C能力的提升，解決當前高職3D打印課程設(shè)計基礎(chǔ)不足和融合不夠等問題。在此基礎(chǔ)上，研究提出課程設(shè)計框架和開發(fā)流程，并開展了《3D打印創(chuàng)意與設(shè)計》課程的設(shè)計與實踐。

1.課程設(shè)計框架與流程

（1）課程設(shè)計框架

本研究提出了如圖2所示的高職3D打印課程設(shè)計框架，一是以跨界知識為基礎(chǔ)，選取真實生活問題設(shè)計學習主題，突出訓(xùn)練批判性思維能力;二是通過小組學習，突出協(xié)作能力培養(yǎng);三是構(gòu)建靈活多樣的開放式學習空間，在連續(xù)不斷的觀察、研究、協(xié)作、分享等過程中提升創(chuàng)造能力;四是以學生自評、小組互評、作品展示、成果分享等多元化途徑評價成果產(chǎn)出，注重綜合能力的培養(yǎng)。

（2）課程開發(fā)流程

研究認為，融入STEAM的3D打印課程開發(fā)，是采用自上而下的開發(fā)方法，對傳統(tǒng)3D打印技術(shù)課程的重構(gòu)，如圖3所示。在新的教學理念的指導(dǎo)下，圍繞解決真實問題構(gòu)建主題式結(jié)構(gòu)，以跨界知識為內(nèi)容，以實踐探究與小組協(xié)作的課程活動貫穿始終，最終對開發(fā)的課程進行動態(tài)評價，實現(xiàn)“4C”能力目標。

2.《3D打印創(chuàng)意與設(shè)計》課程設(shè)計

（1）課程目標

從實際應(yīng)用需求出發(fā)，以典型產(chǎn)品的快速開發(fā)為項目載體，開展逆向設(shè)計和3D打印的項目訓(xùn)練，讓學生掌握逆向工程技術(shù)體系，具備工具應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理、模型重建和原型重構(gòu)的技術(shù)能力，培養(yǎng)學生逆向思維和創(chuàng)新意識。基于STEAM教育理念，設(shè)計知識目標、能力目標和素質(zhì)目標。

知識目標：掌握逆向工程技術(shù)、數(shù)據(jù)測量、3D打印等技術(shù)原理以及三坐標測量儀、3D打印機等設(shè)備構(gòu)成和工作原理。

能力目標：能對逆向工程形成自我認知，使用設(shè)備采集三維數(shù)據(jù)，運用軟件重構(gòu)模型，用3D打印機制作原型件。

素質(zhì)目標：有正確的工程價值取向，品位不低俗，具有環(huán)保節(jié)能意識、精益求精的精神、創(chuàng)新創(chuàng)造的意識以及團隊協(xié)同、主動探究的意識。

（2）課程結(jié)構(gòu)與學習內(nèi)容

本課程以創(chuàng)新為驅(qū)動，以行動為導(dǎo)向，設(shè)計了表1所示的四個學習項目。四個項目相對獨立，學習和任務(wù)工作流程是一致的，隨著相關(guān)知識和技能的逐漸增多，任務(wù)難度也逐漸增大。

（3）學習活動

為提高學習效率，引導(dǎo)學生自主學習、自主探究，本課程采取線上線下混合式學習模式，設(shè)計了圖4所示在線開放課，按照圖5所示的“學—練—解—做—評—創(chuàng)”流程開展教學。

學微課：學生登錄學習平臺，自主學習微課，并進行在線測試，掌握相應(yīng)知識和技能要點。

練軟件：學生根據(jù)提供的點云數(shù)據(jù)、示范教學視頻，開展Geomagic Studio軟件學習，創(chuàng)建模型，完成后將模型截圖上傳共享。

解疑惑：分析學生在線學習數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)和預(yù)計學生存在的疑惑，在課堂上通過講授、討論等方式方法，為學生解決問題。

做任務(wù)：“清除”問題后，小組設(shè)計合理流程，分步實施，完成任務(wù)訓(xùn)練。

評效果：學生展示作品、分享經(jīng)驗，開展自評和互評以及教師評價。

創(chuàng)新品：學生在課內(nèi)學習的基礎(chǔ)上，自主獲取信息，深入學習，追求精益求精，用點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建新模型、打印新產(chǎn)品，提升技能和創(chuàng)新能力。這個階段，實訓(xùn)室為“半開放”，即學生在課外的指定時間打印自己的新作品，并將相關(guān)資料和經(jīng)驗通過學習平臺分享。

五、結(jié)論

基于STEAM理念開發(fā)的《3D打印創(chuàng)意與設(shè)計》課程，開展了3個學期的教學實踐。結(jié)果表明，學生自己組隊學習，通過組內(nèi)設(shè)計、動手制作、組內(nèi)溝通等方式來解決實踐過程中遇到的各種問題，制作出自己認為好看且有用的作品。學生在“做”中主動完成了科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學等跨界知識的習得和內(nèi)化，思維得以拓展，創(chuàng)新意識和能力提升明顯。

參考文獻：

[1]蔣建科，李秋榮，杭慧喆.3D打印第三次工業(yè)革命的重大標志[J].新湘評論，2013（6）：57-58.

[2]邱望潔，李昊陽.3D打印技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展前景研究[J].中國教育信息化，2017（5）：11-14.

[3]麥肯錫預(yù)測2030年：全球8億人被機器人取代[EB/OL].https：//new.qq.com/omn/20181218/20181218A06 TJB.html.

[4]李義茹，彭援援.STEAM課程的發(fā)展歷程、價值取向與本土化建設(shè)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2019，29（9）：115-120.

（編輯：李曉萍）