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(yùn)動(dòng)小車的設(shè)計(jì)與制作”為例分享本團(tuán)隊(duì)在STEM教育理念下進(jìn)行3D打印課程教學(xué)的設(shè)計(jì)思路與實(shí)施過程，以期為同類教育提供一些經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】STEM教育;3D打印;課程設(shè)計(jì);任務(wù)教學(xué)

引言

STEM教育是目前較流行的一種教育模式，它通過創(chuàng)設(shè)工程情境，讓學(xué)習(xí)者順應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施流程，自主完成工程任務(wù)。它強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者在創(chuàng)設(shè)的工程情境中，結(jié)合自身及團(tuán)隊(duì)所擁有的多方知識(shí)解決情境中的問題，幫助學(xué)習(xí)者融合跨學(xué)科知識(shí)，構(gòu)建新的知識(shí)體系，是培養(yǎng)學(xué)習(xí)者解決問題能力，協(xié)作能力和實(shí)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(yù)計(jì)將達(dá)2200萬。STEM課程資源的開發(fā)與實(shí)施無疑對(duì)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(bào)告，報(bào)告數(shù)據(jù)顯示肩負(fù)創(chuàng)新使命、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)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(bào)告《MINT展望——MINT事業(yè)與推廣指南》中指出“保證勞動(dòng)力的數(shù)量和質(zhì)量是聯(lián)邦政府活動(dòng)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(xué)科學(xué)習(xí)（sTEM教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用，著力提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)習(xí)慣，促進(jìn)學(xué)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(xué)研究院正式牽頭，啟動(dòng)“中國STEM教育2029行動(dòng)計(jì)劃”。

目前，國內(nèi)沿海城市學(xué)校紛紛建立學(xué)校教育創(chuàng)客空間，通過借助創(chuàng)客空間實(shí)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(huì)。我國STEM教育研究也呈現(xiàn)出逐漸繁榮的態(tài)勢(shì)。

我校于2015年成立了“3D打印創(chuàng)客社團(tuán)”。社團(tuán)成立初期，社團(tuán)沒有培訓(xùn)設(shè)備，教師們積極想辦法，克服困難，迎難而上，創(chuàng)造培訓(xùn)條件。兩位指導(dǎo)教師自費(fèi)購買了一臺(tái)3D打印機(jī)及配套耗材，借用學(xué)校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行社團(tuán)培訓(xùn)。在極簡陋的條件下師生們共同學(xué)習(xí)、培訓(xùn)、討論、研究，收到了較好的培訓(xùn)成果。2016年12月社團(tuán)選派了4名學(xué)生參加廣州市青少年3D打印創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽，獲得中學(xué)組三等獎(jiǎng)1名。2018年我校配備了“創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室”，社團(tuán)依托該實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行規(guī)劃、組織及培訓(xùn)。2018年12月社團(tuán)選派了5名優(yōu)秀學(xué)生參加廣州市中小學(xué)生3D打印設(shè)計(jì)大賽，其中三人進(jìn)入決賽，獲得中學(xué)組一等獎(jiǎng)1名、二等獎(jiǎng)2名的好成績。

二、基于設(shè)計(jì)的跨學(xué)科四層STEM理論框架

經(jīng)過4年的摸爬滾打，筆者及團(tuán)隊(duì)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，并著手3D打印社團(tuán)的STEM課程資源開發(fā)。筆者及團(tuán)隊(duì)在課程資源開發(fā)中的設(shè)計(jì)思路與理論框架主要參考James A.Beane的“主題一概念一活動(dòng)”的課程統(tǒng)整理念，制定出包括學(xué)科內(nèi)容層、跨學(xué)科概念層、教學(xué)設(shè)計(jì)層、學(xué)習(xí)目標(biāo)層的理論框架。

學(xué)科內(nèi)容層面，本團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的3D打印課程主要以任務(wù)為導(dǎo)向，每個(gè)任務(wù)都充分融合科學(xué)（s）、技術(shù)（T）、工程（E），數(shù)學(xué)（M）等多學(xué)科（sTEM）內(nèi)容，讓學(xué)生在完成各項(xiàng)任務(wù)的過程中，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的融合。

跨學(xué)科概念層面，在凝練學(xué)科間的核心概念的同時(shí)，通過細(xì)化分解、橫向聯(lián)結(jié)將相關(guān)聯(lián)的知識(shí)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)跨越。

教學(xué)設(shè)計(jì)層面，通過環(huán)環(huán)相扣的形式，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。教學(xué)過程的核心是基于主題情境設(shè)置相應(yīng)任務(wù)，要求學(xué)生完成，學(xué)生在設(shè)計(jì)和制作的過程中，需融合多種知識(shí)，構(gòu)建系統(tǒng)的知識(shí)體系，并結(jié)合真實(shí)世界的設(shè)計(jì)和加工條件，制作出成品。

學(xué)習(xí)目標(biāo)層面，該教學(xué)過程，可使學(xué)生在教師引導(dǎo)下自主學(xué)習(xí)新知識(shí)，融合并構(gòu)建知識(shí)體系，此外，真實(shí)的設(shè)計(jì)與制作也能讓學(xué)生在條件限制下想辦法解決所遇困難，培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力、協(xié)作能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。同伴間互評(píng)與反饋，也會(huì)為學(xué)生提供新思路，促使其深入學(xué)習(xí)形成良性循環(huán)，切實(shí)提高教育教學(xué)效率。

三、3D打印課程《運(yùn)動(dòng)小車的設(shè)計(jì)與制作》的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

（一）課程的教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)分析

3D打印課程《運(yùn)動(dòng)小車的設(shè)計(jì)與制作》是我校3D打印社團(tuán)開展的一個(gè)STEM綜合實(shí)踐主題課，如表1所示，是本團(tuán)隊(duì)結(jié)合STEM課程理念，根據(jù)課程設(shè)計(jì)框架制定的教學(xué)內(nèi)容及目標(biāo)分析。

（二）課程的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

STEM教學(xué)理念下的課程通過不同學(xué)科的視域透視“運(yùn)動(dòng)小車的設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目中所涉及的多種問題，形成不同學(xué)科的能力要求，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、自主學(xué)習(xí)能力、協(xié)作能力、解決問題能力及設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)與創(chuàng)新思維能力，增強(qiáng)教育教學(xué)的有效性。具體的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施如圖l所示。

（1）學(xué)生確定“運(yùn)動(dòng)小車的設(shè)計(jì)與制作”的主題，通過網(wǎng)絡(luò)檢索學(xué)習(xí)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)常可以見到汽車，學(xué)生對(duì)汽車也比較熟悉，但汽車種類繁多，真正要將其設(shè)計(jì)制作出來，對(duì)于學(xué)生還是有一定的難度，所以我們選擇該主題。學(xué)生接到該任務(wù)，首先以小組為單位通過網(wǎng)絡(luò)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(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其自學(xué)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(shí)，也是一種思想和學(xué)習(xí)的融合過程，大家要在不同的意見中統(tǒng)一思想，對(duì)于學(xué)生來說，是一種很好的鍛煉。

（2）學(xué)生在教師的引導(dǎo)下提取知識(shí)點(diǎn)，如動(dòng)能、傳動(dòng)、車重計(jì)算、阻力計(jì)算、測量工具的使用等。通過自主學(xué)習(xí)及小組交流，融合跨學(xué)科知識(shí)，構(gòu)建自己的知識(shí)體系。

制作運(yùn)動(dòng)小車涉及多個(gè)跨學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生很難準(zhǔn)確地提取各類知識(shí)點(diǎn)并自主學(xué)習(xí)，因此教師的引導(dǎo)很有必要。小車運(yùn)動(dòng)涉及的動(dòng)能包括太陽能、電能、風(fēng)能等知識(shí);所需傳動(dòng)涉及帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等知識(shí);各種零件的測量涉及直尺、游標(biāo)卡尺、千分尺等測量工具的使用。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生可以明確知道自己所需學(xué)習(xí)的一系列跨學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行精準(zhǔn)學(xué)習(xí)，高效學(xué)習(xí)。

（3）學(xué)生通過前期的自主學(xué)習(xí)及小組討論，明確本組作品的設(shè)計(jì)方案初稿。學(xué)生經(jīng)過這一系列的探究能夠培養(yǎng)其科學(xué)探索能力及自主學(xué)習(xí)能力。

這一環(huán)節(jié)學(xué)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(shí)情況求同存異、統(tǒng)一小組思想最終定出本組的設(shè)計(jì)方案。學(xué)生們通過思想火花的碰撞，不斷鞏固學(xué)習(xí)，強(qiáng)化記憶，還能通過知識(shí)的投射效應(yīng)進(jìn)一步拓展新知識(shí)，并進(jìn)行融合，構(gòu)建自己的知識(shí)體系。

（4）學(xué)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(xué)生強(qiáng)化設(shè)計(jì)能力，實(shí)操能力，并鍛煉其綜合實(shí)踐能力。

這一環(huán)節(jié)學(xué)生開始實(shí)操，面對(duì)現(xiàn)實(shí)情況，許多天馬行空的想法需要根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化設(shè)計(jì)一方面能強(qiáng)化學(xué)生的操作技巧，另一方面也提升了他們的綜合實(shí)踐能力。如圖2所示，學(xué)生們多次優(yōu)化后，制作出來的運(yùn)動(dòng)小車成品。為了讓作品更美觀，學(xué)生們還為自己的作品上色，如圖3所示。

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

作品展示是教師在教學(xué)中有意營造的激勵(lì)環(huán)境。各小組充分展示自己的產(chǎn)品，說明自己的設(shè)計(jì)思路及制作流程，并在同伴間相互評(píng)價(jià)反饋，迭代完善產(chǎn)品，以競爭方式促進(jìn)共同提高。展示中，學(xué)生們提高了語言表達(dá)能力，品嘗到成功的喜悅，找到了自信，更激發(fā)了不斷進(jìn)步的欲望，自主學(xué)習(xí)的積極性得到了進(jìn)一步提高，解決問題能力得以升華。同時(shí)筆者還要求學(xué)生們使用微信等社交平臺(tái)進(jìn)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(píng)價(jià)不但可以提高學(xué)生的參與度，還能為學(xué)生提供新思路，促使其深入學(xué)習(xí)形成良性循環(huán)，切實(shí)提高教育教學(xué)效率。

四、總結(jié)與思考

“運(yùn)動(dòng)小車的設(shè)計(jì)與制作”是本團(tuán)隊(duì)開展的STEM教育理念下3D打印課程的其中一個(gè)課程設(shè)計(jì)，從目前的教學(xué)效果來看，在融合跨學(xué)科知識(shí)，構(gòu)建新的知識(shí)體系、培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力、協(xié)作能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，提高教育教學(xué)的有效性方面都取得較好的效果，學(xué)生參與熱情也比較高。但該課程開展的時(shí)間尚短，尚有不足，日后筆者及團(tuán)隊(duì)還需通過更多的教學(xué)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(dǎo)式課程資源及有效的學(xué)習(xí)途徑。根據(jù)職業(yè)教育要求，提升教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效率，為后續(xù)教學(xué)提供資源參考，并促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的全面提高，促使學(xué)生綜合職業(yè)能力全面發(fā)展。