【导师分享】郑贤：基于STEAM的小学《3D打印》课程——设计与教学实践研究

本文转载自《中国电化教育》2016年8月刊

作者：郑贤

学校：广州海珠区实验小学

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) 、T e c h n o l o g y ( 技术) 、E n g i n e e r i n g ( 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(3D Printing)

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。

(三)3D打印课程的教学设计与实践

1.教学设计思路与实施

《3D打印》课程教学以“我的乐园我做主”为主线，通过让学生运用3DOne打印软件，设计游乐园的城堡、海盗船、摩天轮、大风车、旋转椅等等的游乐设施，把3DOne打印软件所要掌握的命令工具融合到设计乐园的活动中，给学生提供情景化的学习场所，以真实问题出发，在解决问题的过程中掌握3DOne打印知识，从而提高学生问题探究能力、解决问题能力、创新思维能力。下面以3DOne打印课程中的第2课《设计3D神笔——基本实体与颜色渲染》为例，介绍3DOne教学设计的思路和实施。

(1)创设情境，激发兴趣

课程设计了三位虚拟人物魔法公主(充当教师角色)、龙龙和贝贝(充当学生角色)的卡通造型，并且课程自始至终是从这三位虚拟人物进入3DOne世界后的相互对话来展开整个学习活动。丰富的情景，再配上引人入胜的故事情节，使学生的学习就如进入神奇的世界。卡通人物的设计能抓住学生的眼球，凸显出STEAM教育的Art部分，培养学生的审美意识。

如第2课的开篇语，龙龙和贝贝说：“魔法公主，我们有一个梦想，想设计一个乐园。 ”

魔法公主说：“那就用3DOne软件设计吧，这如同‘搭建积木’一样形象、快捷。你们看，我这里就有一个3D乐园的模型。”

龙龙和贝贝说：“哗，好漂亮！我们也想学习设计，这样我们就可以‘我的乐园我做主’”。魔法公主：“好！在学习前，我先‘送’你们一支3D神笔，有了它，你们就可以实现创意设想了。”

“笔”在3DOne设计里是由圆柱体和圆锥体组成的，通过设计一支笔，就很自然引出3DOne命令工具“基本实体”中的“圆柱体”和“圆锥体”的新知学习。在圆锥体和圆柱体的创建中，学生对于怎样才能创建出有美感的、体积大小合适的物体要进行衡量，这样的过程能够激发学生的工程素养、数学思维和艺术素养。

(2)新知学习，方式多样

3DOne课程教学设计的教学理念是以培养学生的创新思维、实践操作能力、问题解决能力、自我学习能力、审美意识和数学思维为目标。所以新知学习的形式多样，有自学教材、微课导学、合作学习等。本课的新知主要是学习：命令工具“基本实体”中的“圆柱体”和“圆锥体”；命令工具“材质渲染”“浮动菜单”中的“移动”。

a.自学教材：绘制、并给笔上颜色、复制笔

绘制3 D笔。由于命令工具“基本实体”中的“圆柱体”和“圆锥体”、命令工具“材质渲染”以及复制功能的学习较为容易，所以采取的学习方式是教师引导，学生自学教材。同理，运用绘制笔杆的方法，学生很容易就能绘制出笔尖。随着情境的进一步创设，自然过渡到新知命令工具“材质渲染”的学习。

贝贝说：“魔法公主，这就是3D神笔？从外表看很普通哦。”

魔法公主说：“3D神笔奇妙在此！它看似普通，其实内有乾坤。教你一招：变！变！变！变出一支漂亮的3D神笔。”

这样，学生带着浓厚的兴趣，通过教师点拨和自学课本也掌握了给笔杆上颜色的新知。

情境引入，继续激发孩子的兴趣，学习新知复制功能。

龙龙说：“谢谢魔法公主！这支3D神笔确实很漂亮。我还想要不同颜色的3D神笔去绘制五彩缤纷的3D世界，可以吗？”

魔法公主说：“当然可以。3D神笔奇妙在此！教你一招：变！变！变！变出色彩多样的3D神笔。”

在情境、故事的不断深入下，学生带着极大地兴奋不断探索，从而掌握一个又一个新知。

最后，综合运用所学新知，学生发挥创意，给笔渲染不同的颜色。

b.利用微课学习，给笔带上漂亮的笔帽

新知的学习，教师除了引导学生自学课本外，对于难度较大的新知，还有配套学习资源，如微视频、教学视频等等。

如学习“浮动菜单”中的“移动”命令，给笔带上漂亮的笔帽，因其操作步骤稍多，且涉及到要在多个窗口中进行图形的移动切换，所以通过微视频，以微课的方式引导学生开展学习。

首先以情境学习为引领，导入新知学习：美化3D笔——戴上笔套。

贝贝说：“如此丰富、漂亮的3D神笔，我要好好爱护它，我想给它戴上笔套。”

魔法公主说：“你如此爱护3D神笔，那我就‘送’你可爱的笔套吧。”

直观、明了、生动的微视频，并配上简明扼要的语音与文字解说，且对于如果在学习过程中未能掌握“浮动菜单”中“移动”命令使用的学生来说，还可以重复播放视频再学习，以收到较好的学习效果。

c.巩固学习，形式多种

要运用所学的知识进行创新设计，关键是对新知的熟练掌握与运用。在课程设计中，通过采取多种的学习形式，如看一看、做一做、练一练、试一试、小技巧等，使学生的新知学习得到进一步的巩固，也为学生继续学习和综合运用打下了坚实基础。

d.综合运用，创新设计

充满趣味性、故事性的教学环节，让学生沉浸在3DOne打印世界的创作中。学生在学完了新知后，迫不及待地综合运用所学过的知识进行创新设计，并创作了很多新颖的作品。

2.课程实践与效果

笔者在2015学年下学期在所在学校四年级信息技术课堂中实施了具有浓厚的“在玩中学，在学中玩”的3DOne打印课程。经过一个学期的实践，取得了不错的效果。

(1)激发了学生极大的兴趣

3DOne打印课程《我的乐园我做主》的教材内容是学生喜闻乐见的，操作的软件又如“砌积木”般所见即所得，给学生带来前所未有的全新学习体验。直观、立体、真实的模型，通过3D打印技术马上能一一呈现眼前，极大地激发了学生的兴趣和求学、求知、求真的欲望。

3DOne打印软件的学习课程让学生乐此不疲，每节课的下课，就是学生对下节课的热切期待以及对自己所设计模型的交流。“老师，下节课学习什么内容?”“老师，下节课能把这节课设计的模型打印出来吗？”“老师，您觉得我设计的3D神笔怎么样？”“老师，请你看一看我设计的城堡是不是很有特色？”等等。

(2)丰富了学生的想象力

具体形象思维是小学生思维的特点。生活中的物体都是立体的，观察这些几何体，分析其几何形状，并要注意对比和想象。例如设计游乐园的城堡，有各种造型，从三视图的角度观察城堡的组成，再利用3DOne打印软件来完成“建模”“运算”，形成所需的模型。学生通常是先根据教材、微视频或者老师的示范操作进行模仿学习，从而掌握新知，在此基础上再进行自由创意。

(3)发挥了学生的创造力

立体模型激发了学生的创造兴趣，学生在建模过程中，从平面到立体的转变，不断地让学生发现物体的神奇变化，通过建模中的放样、圆角等命令让物体发生变化，通过运算让实体进行组合、去除等，在虚拟的立体世界里培养学生动手操作能力，在操作过程中不断发展学生的创造力。

在本课程的教学中，时刻体现着STEAM教育思想。学生通过使用3D打印技术感受新技术的强大，提高技术素养；通过设计游乐园的城堡，观察城堡的三视图，分析其几何体组成，培养学生的科学素养和数学素养；利用3D打印软件完成“建模”和“运算”，形成需要的模型，发展学生的工程素养；卡通人物的创设以及整体场景的布置，体现学生的艺术素养。总之，教学设计中都贯穿STEAM教育思想，强调学生的问题解决能力、批判性思维和设计能力，这也与3DOne课程教学设计的教学理念不谋而合。

五、结语

随着新的控制技术、信息技术和材料技术的广泛应用，3D打印技术也逐渐推向更高的层面。本研究将3DOne打印引入课堂教学中，充分体现了STEAM教育的思想，激发了学生的想象力，将学生的创意有了变为现实的可能，激发了学生DIY的兴趣，使学习更加生动有趣，将艺术的美感与作品的创作融合在一起，为学生的学习开辟了新的空间，培养学生的实践操作能力，从设计到打印，更是大大激发了学生实践的积极性，提高了学生的学习热情，增强了学生的动手能力、设计能力和思维能力。实践证明：3DOne打印设计的课堂有利于学生科学素养、技术素养、工程素养、艺术素养和数学素养的发展。但是3D打印对学生的影响不仅仅在于能让学生学习建模软件，3D打印机和建模只是一个工具软件或者一台机器，想要充分发挥3D打印技术在教育领域中的积极作用，在课程教学的设计方面，我们需要更多地思考如何在课堂教学中把学生培养成为有思想、有创造力的设计者与思考者，让学生拥有一个观察、探索、实践和不断完善的完整过程，为学生开辟一种全新的思维通道。

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