沈怡桑 羅德清

STEM是一種跨學(xué)科的教育理念，3D打印為三維設(shè)計(jì)與多學(xué)科融合提供了豐富的資源與廣闊的平臺(tái)，是值得老師深度研究的一門STEM課程。當(dāng)前的3D打印課程大多教學(xué)形式單一，停留在簡單的學(xué)習(xí)建模階段，忽視了3D打印具有培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)意的價(jià)值。本文引入EDIPT設(shè)計(jì)思維模型理念，構(gòu)建了基于設(shè)計(jì)思維的STEM課程——3D打印教學(xué)模式。以實(shí)際教學(xué)案例進(jìn)行相關(guān)實(shí)踐分析，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提升其創(chuàng)造能力及學(xué)習(xí)能力。

3D打印能幫助學(xué)生將腦海中的創(chuàng)意通過3D建模軟件，轉(zhuǎn)換為立體模型，再通過3D打印機(jī)打印出個(gè)性化定制的真實(shí)物體。學(xué)生在此過程中，感受設(shè)計(jì)所帶來的樂趣。然而，大部分老師在3D打印的STEM課程的課堂教學(xué)過程中，并沒有充分發(fā)揮3D打印個(gè)性化定制的特征，沒有充分挖掘3D打印的內(nèi)涵，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，導(dǎo)致3D打印教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施效果欠佳，學(xué)生的創(chuàng)造能力、學(xué)習(xí)能力等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)令人不太滿意。對于這樣的普遍現(xiàn)象，筆者在3D打印課程中融入設(shè)計(jì)思維，從設(shè)計(jì)思維的角度培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作力、學(xué)習(xí)力。

一、研究背景

（一）STEM課程下3D打印教育現(xiàn)狀分析

在STEM課程中，老師更應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，而非學(xué)習(xí)結(jié)果，始終以培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)為教學(xué)目標(biāo)。STEM課程往往以項(xiàng)目的形式展開，從提出問題到解決問題，始終以學(xué)生為中心，老師在各環(huán)節(jié)中均擔(dān)任輔助、引導(dǎo)的角色。學(xué)生在STEM課程的學(xué)習(xí)過程中，自然而然會(huì)運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行探究實(shí)踐。

在這樣的課程理念下，需要易于操作的技術(shù)或平臺(tái)支持，而3D打印正是這樣一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)。它可以是完成虛擬環(huán)境中的操作，也能將虛擬物體轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，這為STEM課程的實(shí)施提供了強(qiáng)大的支撐。學(xué)生在3D打印的學(xué)習(xí)中，能將心中所想，通過建模、打印的過程變得真實(shí)，體驗(yàn)從無到有的過程，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，因此在目前很多中小學(xué)中開設(shè)了3D打印的STEM課程。但在3D打印課程的具體實(shí)施過程中，仍存在一個(gè)普遍問題，即過于強(qiáng)調(diào)技術(shù)。由于開展3D打印課程的老師多數(shù)為信息技術(shù)老師，他們在不經(jīng)意間注重了學(xué)生的建模過程，以三維建模為主，這就導(dǎo)致技術(shù)型課堂的出現(xiàn)，影響了學(xué)生主動(dòng)性及設(shè)計(jì)思維、創(chuàng)造能力等一些綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，這對培養(yǎng)未來優(yōu)秀人才是不可取的。

（二）EDIPT設(shè)計(jì)思維模型

設(shè)計(jì)思維強(qiáng)調(diào)以人為中心，強(qiáng)調(diào)用戶的真實(shí)體驗(yàn)，運(yùn)用創(chuàng)新思維及手段解決實(shí)踐問題。斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)思維學(xué)院（D.School）將設(shè)計(jì)分為共情、定義、構(gòu)思、原型實(shí)現(xiàn)和測試優(yōu)化五個(gè)步驟，這些步驟以更靈活和非線性的方式進(jìn)行。共情階段，是指從用戶角度出發(fā)，體會(huì)用戶感受，理解用戶真實(shí)需求，這是設(shè)計(jì)思維的重要特征;定義階段，要求設(shè)計(jì)者明確做什么，準(zhǔn)備達(dá)到什么樣的目的;構(gòu)思階段是解決問題的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)者經(jīng)過一番頭腦風(fēng)暴，提出具有最佳創(chuàng)意的解決方案;原型實(shí)現(xiàn)階段是根據(jù)解決方案實(shí)踐的過程，將方案轉(zhuǎn)化為實(shí)際作品;測試優(yōu)化階段是通過測試的過程，提出改進(jìn)優(yōu)化方案，通過更新迭代使作品更合理優(yōu)化。該設(shè)計(jì)思維的五個(gè)階段簡稱為EDIPT模型，學(xué)習(xí)者經(jīng)過一番頭腦風(fēng)暴并通過反復(fù)操作實(shí)踐，不斷完善解決實(shí)際問題，從而提升創(chuàng)造能力及學(xué)習(xí)能力等綜合素質(zhì)。EDIPT模型下的3D打印課能讓學(xué)生更完整地體驗(yàn)3D打印創(chuàng)造的過程。

二、基于EDIPT設(shè)計(jì)思維的3D打印教學(xué)實(shí)踐

基于設(shè)計(jì)思維模型下的學(xué)習(xí)能發(fā)揮并提升學(xué)生的創(chuàng)造力，在3D打印的學(xué)習(xí)過程中引入EDIPT模型能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，在探索、發(fā)現(xiàn)、實(shí)踐的過程中，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力、學(xué)習(xí)能力等。該教學(xué)實(shí)踐案例在小學(xué)階段的3D打印社團(tuán)的課堂中開展實(shí)踐，旨在研究EDIPT設(shè)計(jì)思維模型下的3D打印教學(xué)設(shè)計(jì)。

（一）主題的確定

幾年前，帶學(xué)生參加過一次3D打印創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，比賽圍繞三個(gè)主題準(zhǔn)備，分別為生活類、藝術(shù)類、環(huán)保類。學(xué)生提交了兩份作品，分別為工具收納盒及創(chuàng)意景觀盆，以改造塑料瓶、變廢為寶為亮點(diǎn)。基于這次有趣的比賽體驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)塑料瓶改造是一個(gè)有意義的項(xiàng)目。塑料瓶是貼近學(xué)生生活實(shí)際的一件物品，大量的塑料瓶給環(huán)境造成了一定污染，除了進(jìn)行垃圾合理分類回收之外，我們還可以對塑料瓶進(jìn)行“再定義”，變廢為寶，借此激發(fā)學(xué)生創(chuàng)意、培養(yǎng)設(shè)計(jì)意識(shí)、鍛煉學(xué)生小組合作能力。于是，我開展了基于EDIPT設(shè)計(jì)思維下改造塑料瓶項(xiàng)目教學(xué)。

（二）教學(xué)實(shí)踐過程

以“改造塑料瓶”項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目主要分為五課時(shí)，圍繞認(rèn)識(shí)塑料瓶的危害、認(rèn)識(shí)不同形狀塑料瓶的作用展開，然后，通過小組合作的方式，分別提出改造塑料瓶方案、初步形成圖紙，最后，結(jié)合身邊材料，初步完成塑料瓶改造。下面是該項(xiàng)目的第四、五課時(shí)的教學(xué)過程，學(xué)生將結(jié)合3D打印的方式改造塑料瓶。

環(huán)節(jié)一：共情思考——發(fā)現(xiàn)問題

課堂上，各小組紛紛對1.0版本的作品進(jìn)行展示介紹，接著各組針對任一小組的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)、提出建議。此環(huán)節(jié)將作品置于實(shí)際生活場景中，從用戶真實(shí)體驗(yàn)角度出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并思考作品中存在的問題，在真實(shí)的場景中發(fā)散思維，建立設(shè)計(jì)思維。

設(shè)計(jì)思維遵從以人為本的原則，強(qiáng)化學(xué)生的自我思維意識(shí)，通過各組學(xué)生對作品的“吐槽”，讓各組在交流的基礎(chǔ)上形成共情，初步感受設(shè)計(jì)思維，并為下一環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)二：需求定義——確定問題

各組學(xué)生結(jié)合自身體驗(yàn)感受及用戶的建議，將大家的“吐槽”點(diǎn)精準(zhǔn)提煉，明確要解決的實(shí)際問題。根據(jù)課上的反饋情況，各小組均存在明顯的問題：有的小組計(jì)劃制作灑水壺，但由于工具、材料等的限制，不方便制作灑水噴頭;有的小組計(jì)劃制作的是植物景觀容器，但處理后的塑料瓶存在邊緣鋒利、易剮傷的問題，需要對邊緣處進(jìn)行防剮設(shè)計(jì);有的小組設(shè)計(jì)的是盆栽，但容器材料不具備滲水功能。

需求定義這一環(huán)節(jié)能幫助各小組明確自己的項(xiàng)目方向，引出后續(xù)方案的提出。

環(huán)節(jié)三：創(chuàng)意構(gòu)思——明確方案

根據(jù)需求定義環(huán)節(jié)，各小組都有以下幾個(gè)問題需要解決，即材料易變形、不牢固等，這時(shí)，我們就引出了3D打印技術(shù)，各小組主要圍繞設(shè)計(jì)合理的模型問題展開深刻討論，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，發(fā)散思維，提出多種解決問題的方案，并得出最優(yōu)解決方案。

在該環(huán)節(jié)中，通過成員間的思維碰撞，確定最終設(shè)計(jì)方案，能夠鍛煉學(xué)生創(chuàng)意構(gòu)思的方法，提升自身的設(shè)計(jì)思維，讓設(shè)計(jì)思維通過語言、文字、圖形等形式得以表達(dá)。

環(huán)節(jié)四：原型實(shí)現(xiàn)——建模創(chuàng)作

此時(shí)，學(xué)生進(jìn)行到了建模環(huán)節(jié)，要將最優(yōu)方案付諸實(shí)踐。老師在此環(huán)節(jié)中可提供大量的幫助學(xué)習(xí)視頻，以滿足不同小組的學(xué)習(xí)需求，對具有普遍性的操作難點(diǎn)，應(yīng)在課堂上進(jìn)行重點(diǎn)闡述并演示。各小組主要通過合作探究的方式完成模型的創(chuàng)作，并在建模過程中體驗(yàn)不斷調(diào)整改進(jìn)的過程。

在課堂上，大部分小組能完成建模環(huán)節(jié)，模型打印環(huán)節(jié)會(huì)放在課后。通過此環(huán)節(jié)，學(xué)生能將小組方案轉(zhuǎn)為真實(shí)物體，切身感受在該項(xiàng)目中所獲得的小小成就感，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造的激情。

環(huán)節(jié)五：測試分享——優(yōu)化方案

學(xué)生將3D打印作品與塑料瓶進(jìn)行組裝，并真實(shí)體驗(yàn)塑料瓶改造物一周時(shí)間，從用戶切身角度感受實(shí)際使用情況。此環(huán)節(jié)放在第五課時(shí)，分組分享展示結(jié)合3D打印的塑料瓶改造成品，介紹成品的特點(diǎn)、優(yōu)勢等，并說一說一周體驗(yàn)后的感受，談?wù)勈欠裥枰薷姆桨?，使作品更加完美，其他小組可對各組的作品提出合理建議。通過各組給出的建議及實(shí)際體驗(yàn)后，重新優(yōu)化方案。

此環(huán)節(jié)非常重要，有些最初的想法可能會(huì)在該環(huán)節(jié)重新定義，甚至挖掘出新的問題，進(jìn)一步提升學(xué)生的設(shè)計(jì)思維能力。

三、感悟與思考

該項(xiàng)目形成了“3D打印與塑料瓶碰撞”的課程，在實(shí)際項(xiàng)目教學(xué)中運(yùn)用EDIPT設(shè)計(jì)思維的方法培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力、學(xué)習(xí)力等綜合素質(zhì)。

（一）EDIPT設(shè)計(jì)思維模型使學(xué)生的作品不再單一

相比較傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)課堂，設(shè)計(jì)思維模型下的3D打印課堂能讓學(xué)生在指定的主題下，通過小組合作的方式展開創(chuàng)意設(shè)計(jì)。以“塑料瓶改造”項(xiàng)目為例，學(xué)生的改造方案具有各組的個(gè)性化特征，有可愛的存錢罐、實(shí)用的灑水壺、別致的景觀盆……在作品匯報(bào)分享環(huán)節(jié)，精彩紛呈，各具特色。

（二）學(xué)生的設(shè)計(jì)思維在迭代修正中得到提升

在整個(gè)項(xiàng)目中，老師僅僅擔(dān)任著引導(dǎo)、輔助的角色，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的特點(diǎn)。學(xué)生在整個(gè)項(xiàng)目開展的過程中，作品的完成并不是一蹴而就的，而是在反復(fù)修正迭代中完善。尤其在構(gòu)思、原型實(shí)現(xiàn)和測試優(yōu)化環(huán)節(jié)中，小組成員通過多次討論、思維碰撞，在感受體驗(yàn)、修正中逐漸提升思維高度，掌握設(shè)計(jì)思維的方法。

（三）多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)助力設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)

在項(xiàng)目的實(shí)施推進(jìn)過程中，需要學(xué)生先將已有的知識(shí)和創(chuàng)造性思維相結(jié)合，去實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)想法，然后通過搜集更多學(xué)科資料去填補(bǔ)、修正前期的設(shè)計(jì)方案。在“塑料瓶改造”項(xiàng)目中，打破學(xué)科界限，學(xué)生會(huì)運(yùn)用到科學(xué)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科的知識(shí)解決實(shí)際問題。多學(xué)科知識(shí)的整合，幫助學(xué)生在項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施過程中更有序開展，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力及設(shè)計(jì)思維能力。

EDIPT設(shè)計(jì)思維模型下的STEM課程能讓學(xué)生學(xué)會(huì)創(chuàng)造性思考，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用設(shè)計(jì)思維的方式學(xué)習(xí)、創(chuàng)造，也促進(jìn)了老師的專業(yè)成長。每一位3D打印老師應(yīng)當(dāng)不斷提升自身的專業(yè)水平，將設(shè)計(jì)思維融入課堂，從多學(xué)科角度探索培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)思維、創(chuàng)造力、學(xué)習(xí)力的教學(xué)策略與方法。