王蕾

[摘? ?要]隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟，世界各國積極將3D打印技術(shù)引入教育領(lǐng)域，為教育事業(yè)帶來了新的發(fā)展契機。北京市第一中學(xué)立足3D打印課程，以初中綜合實踐課為切入點，積極組織學(xué)生參加STEAM競賽活動，通過多種方式將3D打印技術(shù)應(yīng)用于STEAM教育中，著力提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，促進學(xué)生的全面發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]3D打印技術(shù);STEAM教育;信息素養(yǎng)

教育部發(fā)布的《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導(dǎo)意見》提出，鼓勵中小學(xué)探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式，使學(xué)生具有較強的信息意識與創(chuàng)新意識，養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)習(xí)慣?！镀胀ǜ咧姓n程方案和語文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，3D打印被納入《17-1834普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》和《17-1847普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》兩大文件。為此，北京市第一中學(xué)立足3D打印課程，以初中綜合實踐課為切入點，通過多種方式將3D打印技術(shù)應(yīng)用于STEAM教育，提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，促進學(xué)生全面發(fā)展。

一、把想象變成現(xiàn)實，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力

自2014年起，學(xué)校開設(shè)了3D打印校本課程，教學(xué)內(nèi)容融合了三維軟件建模、3D打印創(chuàng)作、VR虛擬現(xiàn)實等，旨在培養(yǎng)學(xué)生的合作、創(chuàng)新和實踐動手能力。學(xué)生將自己的想法通過應(yīng)用軟件設(shè)計出來，在指導(dǎo)教師的幫助下進行打印、加工，最終呈現(xiàn)出一件件充滿創(chuàng)意的作品。

在“東城區(qū)3D打印設(shè)計作品展”中，學(xué)生們的作品是用3D打印制作出的學(xué)校沙盤模型。為了節(jié)省空間并便于管理，學(xué)生們進行了大膽設(shè)想，將教室設(shè)計成可以翻轉(zhuǎn)折疊的模塊，使用時打開，用畢則收起。更有趣的是，學(xué)生們還設(shè)計了一個運用了磁懸浮原理的教學(xué)樓體模型，當(dāng)?shù)卣鸬韧话l(fā)事件發(fā)生時，教室可以像工具箱一樣平鋪展開，使樓體不至于立刻坍塌，為學(xué)生快速撤離現(xiàn)場爭取時間，以避免踩踏事故，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

基于STEAM教育的3D打印課程，使學(xué)生親歷了從想象到圖紙再到實物制作的全過程，極大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。3D打印課堂為學(xué)生提供了展現(xiàn)非凡創(chuàng)造力的機會，使學(xué)生逐漸能夠打通“想象—虛擬—實體”三者之間的鴻溝，完成探索、思考和操作實現(xiàn)的完整過程，為學(xué)生開辟了一種全新的思維通道[1]。

二、結(jié)合綜合實踐課程，提高知識運用能力

綜合實踐活動課程是從學(xué)生的真實生活和發(fā)展需要出發(fā)，從生活情境中發(fā)現(xiàn)問題，并轉(zhuǎn)化為活動主題，通過探究、服務(wù)、制作、體驗等方式，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的跨學(xué)科的實踐性課程。STEAM教育與綜合實踐活動課程存在許多共性，都注重跨學(xué)科學(xué)習(xí)，注重知識的綜合運用，注重強調(diào)以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)方式[2]。為此，學(xué)校以綜合實踐活動課為切入點，全面開展STEAM教育。

1.探秘青銅器

“探秘青銅器”是學(xué)校初中綜合實踐課中的一個課題，約8課時，歷時兩個月。為了更好地實現(xiàn)課程目標(biāo)，在設(shè)計教學(xué)時結(jié)合了STEAM教育的理念，要求學(xué)生動手設(shè)計并制作出屬于自己的“青銅特色”的生活用品。在這個階段，學(xué)生遇到了很大的困難。中國古代青銅器的鑄造有塊范法和失蠟法兩種基本方法，此外還有分鑄法、焊接法等工藝。無論哪一種方法，學(xué)生實施起來都有很大的難度。這時，大家想到了應(yīng)用3D打印技術(shù)設(shè)計并打印出青銅器模型。

學(xué)生經(jīng)過小組討論確定了器型及器物功能，并進行了設(shè)計圖的繪制，對器型長、寬、高數(shù)據(jù)的設(shè)定為3D建模做好了準(zhǔn)備。前期的三維建模相對簡單，在塑形的過程中，學(xué)生很容易實現(xiàn)空間的想象，直觀地體驗直角坐標(biāo)系中物體的建立過程，會對三維數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)有更深刻的認識。學(xué)生對“線生成面，面生成體”的原理有一個接受的過程，但只要實際操作幾次后就將這一過程內(nèi)化了。這種內(nèi)化正是個體空間感形成的一種方式，有利于后續(xù)平面及立體幾何的學(xué)習(xí)。學(xué)生在觀察中發(fā)現(xiàn)，3D打印的過程實際上是一種立體繪制，是將熔解后的材料依據(jù)預(yù)先建立的坐標(biāo)數(shù)據(jù)重塑的過程，涉及多種化學(xué)和物理交織的成型方法，最常見的是“熔積成型”和“激光燒結(jié)”，當(dāng)然還有更多的堆疊技術(shù)，這些對材料的選擇及熱熔方法的探討會讓學(xué)生對物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生更多的興趣[3]。

2.傳統(tǒng)文化之簪釵、宮燈、射藝

學(xué)校初二年級的綜合實踐課程以傳承傳統(tǒng)文化為大主題，由學(xué)生自主選擇題目進行研究性學(xué)習(xí)。學(xué)生分組自定了三個主題：簪釵文化、宮燈文化及射藝文化。簪釵文化研究小組探索新時代女子審美及成人禮文化，考察并傳承傳統(tǒng)發(fā)簪的設(shè)計與制作，開發(fā)符合新時代氣質(zhì)的新式發(fā)簪。宮燈文化研究小組從燈文化入手，探究如何在生活中更好地傳承中國傳統(tǒng)燈飾文化，研發(fā)集聚宮燈氣質(zhì)的新式生活產(chǎn)品。射藝文化研究小組通過新式弓箭與新射藝文化活動的研發(fā)，繼承和發(fā)揚傳統(tǒng)射藝文化中“君子修德”的文化精髓。

這三個研究小組在研究的后期都不約而同地想到了利用3D打印技術(shù)進行創(chuàng)作。簪釵文化研究小組利用3D打印技術(shù)創(chuàng)作出了蘊含現(xiàn)代元素的古典發(fā)簪，這些精美獨特的發(fā)簪受到了同學(xué)們的喜愛，還吸引了教師和家長們。宮燈文化研究小組利用3D打印技術(shù)創(chuàng)作出了多款個性化宮燈，有按季節(jié)變換圖案的四季宮燈，有一直旋轉(zhuǎn)圖案的走馬燈……這些宮燈全部是由3D打印機制作的結(jié)構(gòu)零部件組裝拼接而成的，無需模具和后期加工處理，可直接使用，將以往復(fù)雜、多線程的宮燈制作流程大大簡化了，并且作品也很精美。射藝文化研究小組利用3D打印技術(shù)制作了適合引入學(xué)校的安全弓箭，為了達到安全目標(biāo)，學(xué)生們進行了三次改良。

綜合實踐活動課注重學(xué)生的探究過程，使學(xué)生在體驗動手制作“產(chǎn)品”的過程中，提升創(chuàng)造力和綜合運用跨學(xué)科知識解決問題的能力。而應(yīng)用3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)虛擬世界與實體世界的有機結(jié)合，使學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手實踐能力得到訓(xùn)練，將學(xué)生的創(chuàng)意、想象變?yōu)楝F(xiàn)實[4]，也使綜合實踐活動課程得到進一步優(yōu)化。

三、鼓勵參與競賽活動，發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)與團隊協(xié)作能力

STEAM教育鼓勵學(xué)生動手完成自己感興趣的并且和自己生活相關(guān)的項目，在過程中學(xué)習(xí)多學(xué)科知識，并使跨學(xué)科的綜合能力得到提升。除了課堂教學(xué)以外，學(xué)校還積極組織學(xué)生參加各級各類STEAM競賽。與學(xué)科類競賽的標(biāo)準(zhǔn)化考核相比，STEAM競賽的最大特點就是“不確定性”，而3D打印技術(shù)由于使用工具少、建模快、組裝式等特點在競賽中得到了廣泛應(yīng)用。學(xué)生在競賽活動中既熟練掌握了3D打印技術(shù)，又提升了科學(xué)素養(yǎng)。

學(xué)生參與積極性最高的是“北京市中小學(xué)生科技創(chuàng)客活動”，2018年參賽的團隊取名為“我們開車不掛檔”，由高一年級的6名學(xué)生組成。在參賽過程中，六名成員協(xié)調(diào)合作、并肩作戰(zhàn)，發(fā)揮了無限的潛能與創(chuàng)造力。當(dāng)團隊獨自設(shè)計的賽車構(gòu)件及車殼利用3D打印技術(shù)得以呈現(xiàn)時，當(dāng)經(jīng)過集思廣益完成一輛炫酷的MEV機動電能車的拼裝時，隊員們體驗到了滿滿的成就感并更加自信。擔(dān)任團隊工程師的學(xué)生說道：“作為團隊工程師，我在此次比賽中收獲頗豐?，F(xiàn)在我可以熟練地操作3D打印機，雖然在學(xué)習(xí)的過程中多次失敗，但還是希望能達到打印成型的那一刻。通過這次比賽，我看到了未來科技的走向，也看到了我的問題和漏洞，所以我決定向老師學(xué)習(xí)各種新技術(shù)，完善漏洞，為團隊再創(chuàng)輝煌?！?/p>

學(xué)生們通過參與STEAM競賽，不但提升了動手實踐、解決實際問題的能力，也培養(yǎng)了團隊協(xié)作能力。比賽結(jié)束后，作為團隊經(jīng)理的學(xué)生感慨道：“從初冬時節(jié)的整裝待發(fā)到十二月份載譽而歸，在這一個月的時間里，我們收獲了友情，見證了奇跡。我至今依舊清晰地記得在那間小小的科技教室里，大家沒日沒夜地擺弄著3D打印機和打印材料，耳畔響起的是大家熱烈的討論聲。我能真實地看到大家在這輛小車上所傾注的心血。”

各級STEAM競賽活動豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)生活，拓寬了學(xué)生的視野。尤其是對一些在以往學(xué)科學(xué)習(xí)中很少獲獎的學(xué)生來說，在STEAM活動中體驗到的愉悅，用3D打印出成果后的興奮和滿足，以及班級、學(xué)校、家庭和社會對他們創(chuàng)作成果的肯定與贊賞，極大地鼓舞了他們，激發(fā)了他們的自信心和探究能力[5]。這些競賽活動進一步促進了學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，像工程師一樣設(shè)計和實踐，發(fā)展了獨立思考和自主實踐的能力，全面提升了科學(xué)素養(yǎng)和團隊協(xié)作能力。

四、總結(jié)與反思

應(yīng)用3D設(shè)計及3D打印技術(shù)，極大地拓寬了STEAM教育的思路。首先，學(xué)生在設(shè)計作品的時候，不再受標(biāo)準(zhǔn)化零件的限制，而是通過3D創(chuàng)意設(shè)計軟件定制更加個性化的零件。其次，在3D設(shè)計過程中，只有充分運用多學(xué)科知識才能實現(xiàn)精準(zhǔn)打印，正貼合了STEAM教育培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維和實踐能力的宗旨。同時，3D打印技術(shù)涉及的數(shù)理化知識不僅會使學(xué)生體會獲取的興趣、直接的觸感，更會為學(xué)生增加學(xué)習(xí)的動力[6]。

通過幾年的應(yīng)用與實踐探究，學(xué)生們認識到STEAM活動中所要求的創(chuàng)造、設(shè)計、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作都可以通過3D打印技術(shù)來呈現(xiàn)。3D打印技術(shù)可以把學(xué)生天馬行空的創(chuàng)意打印出來，讓學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力得到釋放，真正做到讓創(chuàng)意、設(shè)計、制作、展示融入教學(xué)，極大地激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)意實踐的積極性。以3D打印為載體進行STEAM教育，將科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程和藝術(shù)各個領(lǐng)域的知識很好地結(jié)合起來，對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，提高學(xué)生解決實際問題的能力發(fā)揮著重要作用。

參考文獻

[1]丁焱.中小學(xué)開設(shè)3D打印課程的意義[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2014（14）：84-85，88.

[2]吳積軍.STEAM教育與綜合實踐活動課程[N].中國財經(jīng)新聞網(wǎng)，2019-01-19.

[3][6]李劍鳴，周競超.3D打印技術(shù)與學(xué)科融合中的應(yīng)用與探索——以綜合實踐課《探秘青銅器》為例[J].課堂內(nèi)外：教師版，2017（6）：76-77.

[4]蜂巢積木.3D打印在學(xué)校教育領(lǐng)域的運用[EB/OL].http：//baijiahao.baidu.com/s？id=1599429790617496491&wfr=spider&for=pc

[5]宋德智.STEAM教育對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)提升的調(diào)查報告[EB/OL].http：//ghb.xzedu.net.cn/27602/archives/407267.aspx

（責(zé)任編輯? 郭向和）