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(rèn)為STEAM融入3D打印教學(xué)具有創(chuàng)新、整合和實(shí)踐三大價(jià)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(jì)》課程，令學(xué)生在體驗(yàn)學(xué)習(xí)的過程中建構(gòu)科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等跨界知識(shí)以及創(chuàng)新意識(shí)和能力，對(duì)豐富高職創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理論具有一定的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STEAM;3D打印;課程開發(fā)

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

一、引言

3D打?。═hree-Dimension Printing，3DP）作為第三次工業(yè)革命最具標(biāo)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(shí)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(gè)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(xué)生用三維軟件設(shè)計(jì)出3D模型，然后再3D打印出來，能有效提高學(xué)生跨界整合能力、創(chuàng)新意識(shí)和能力[2]。雖然當(dāng)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(biāo)研究、整合內(nèi)容選擇、教學(xué)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(xué)，創(chuàng)新3D打印課程開發(fā)。

二、3D打印創(chuàng)新教育目標(biāo)分析

相關(guān)研究表明，到2030年機(jī)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(shí)、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(jiǎn)單的知識(shí)傳遞向多元化能力培養(yǎng)發(fā)展。

本文通過組建專家團(tuán)隊(duì)，運(yùn)用德爾菲法開展高職3D打印教育目標(biāo)研究，認(rèn)為3D打印教育在發(fā)展批判性思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新創(chuàng)造以及自我價(jià)值的實(shí)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(yùn)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(duì)比、描述、評(píng)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(dá)觀點(diǎn)以及有效傾聽對(duì)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(gè)過程中需要共享知識(shí)，促進(jìn)高階認(rèn)知，形成創(chuàng)新知識(shí)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(dān)相應(yīng)責(zé)任。促進(jìn)協(xié)作能力提升的策略通常有頭腦風(fēng)暴、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、委派責(zé)任和團(tuán)隊(duì)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(diǎn)子，形成創(chuàng)新方案勇于嘗試的能力。促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)造能力發(fā)展主要有頭腦風(fēng)暴、設(shè)計(jì)、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(xué)的價(jià)值取向

Eisner認(rèn)為教育價(jià)值分為技術(shù)取向、認(rèn)知過程取向、學(xué)術(shù)理性取向、社會(huì)重建取向、個(gè)人適應(yīng)取向和社會(huì)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(yùn)用調(diào)查法、專家咨詢法等方法，對(duì)STEAM理念融入3D打印教育的價(jià)值取向進(jìn)行了調(diào)查研究。研究認(rèn)為，科學(xué)（Science）、數(shù)學(xué)（Mathematics）具有學(xué)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(rèn)知過程取向，基于此綜合分析認(rèn)為主要具有創(chuàng)新、整合和實(shí)踐三大價(jià)值取向。同時(shí)，研究還認(rèn)為以往的3D打印技術(shù)教學(xué)，主要通過強(qiáng)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(jià)值取向

傳統(tǒng)教學(xué)中，知識(shí)分塊和封閉在一定程度上阻礙了學(xué)生綜合能力的提升，導(dǎo)致學(xué)生綜合能力不夠，難以解決復(fù)雜問題。STEAM融合跨界知識(shí)，能促進(jìn)學(xué)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(shí)和技能聯(lián)結(jié)的脈絡(luò)，幫助學(xué)生提升直覺、識(shí)別、想象與創(chuàng)造等能力，不斷進(jìn)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(jià)值取向

“整合”和“制作”是STEM的重要哲學(xué)觀點(diǎn)?！罢稀笔菍⑽鍌€(gè)領(lǐng)域關(guān)聯(lián)融合，“制作”是將“行動(dòng)”貫穿全過程。在內(nèi)容上，STEAM通過實(shí)踐項(xiàng)目，將碎片化知識(shí)與信息之間建立聯(lián)系，突出綜合運(yùn)用。在方法上，以學(xué)生為中心，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、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(xiàng)目展開教學(xué)，讓學(xué)生明確“做什么”“用什么”“怎么做”“達(dá)到何種效果”，進(jìn)一步推動(dòng)學(xué)生走向深度學(xué)習(xí)。

3.實(shí)踐價(jià)值取向

STEAM強(qiáng)調(diào)技術(shù)運(yùn)用的社會(huì)動(dòng)機(jī)，強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)源于探究活動(dòng)，將“冰冷”的科技用于現(xiàn)實(shí)問題的解決，讓技術(shù)“有溫度”，因而將他們?cè)谡n內(nèi)外所學(xué)會(huì)的知識(shí)與真實(shí)世界相聯(lián)系。

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

STEAM強(qiáng)調(diào)跨界解決真實(shí)問題，關(guān)注培養(yǎng)綜合素質(zhì)。3D打印教學(xué)強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”，關(guān)注培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。高職3D打印教學(xué)目前還處于初級(jí)階段，迫切需要融入STEAM，加強(qiáng)跨界整合。圖1為高職3D打印教學(xué)關(guān)聯(lián)圖，即以STEAM為支持、以3D打印教學(xué)為手段，突出跨界知識(shí)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)4C能力的提升，解決當(dāng)前高職3D打印課程設(shè)計(jì)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(jì)框架和開發(fā)流程，并開展了《3D打印創(chuàng)意與設(shè)計(jì)》課程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

1.課程設(shè)計(jì)框架與流程

（1）課程設(shè)計(jì)框架

本研究提出了如圖2所示的高職3D打印課程設(shè)計(jì)框架，一是以跨界知識(shí)為基礎(chǔ)，選取真實(shí)生活問題設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)主題，突出訓(xùn)練批判性思維能力;二是通過小組學(xué)習(xí)，突出協(xié)作能力培養(yǎng);三是構(gòu)建靈活多樣的開放式學(xué)習(xí)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(xué)生自評(píng)、小組互評(píng)、作品展示、成果分享等多元化途徑評(píng)價(jià)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(rèn)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(duì)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(xué)理念的指導(dǎo)下，圍繞解決真實(shí)問題構(gòu)建主題式結(jié)構(gòu)，以跨界知識(shí)為內(nèi)容，以實(shí)踐探究與小組協(xié)作的課程活動(dòng)貫穿始終，最終對(duì)開發(fā)的課程進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)“4C”能力目標(biāo)。

2.《3D打印創(chuàng)意與設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)

（1）課程目標(biāo)

從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，以典型產(chǎn)品的快速開發(fā)為項(xiàng)目載體，開展逆向設(shè)計(jì)和3D打印的項(xiàng)目訓(xùn)練，讓學(xué)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(xué)生逆向思維和創(chuàng)新意識(shí)。基于STEAM教育理念，設(shè)計(jì)知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。

知識(shí)目標(biāo)：掌握逆向工程技術(shù)、數(shù)據(jù)測(cè)量、3D打印等技術(shù)原理以及三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、3D打印機(jī)等設(shè)備構(gòu)成和工作原理。

能力目標(biāo)：能對(duì)逆向工程形成自我認(rèn)知，使用設(shè)備采集三維數(shù)據(jù)，運(yùn)用軟件重構(gòu)模型，用3D打印機(jī)制作原型件。

素質(zhì)目標(biāo)：有正確的工程價(jià)值取向，品位不低俗，具有環(huán)保節(jié)能意識(shí)、精益求精的精神、創(chuàng)新創(chuàng)造的意識(shí)以及團(tuán)隊(duì)協(xié)同、主動(dòng)探究的意識(shí)。

（2）課程結(jié)構(gòu)與學(xué)習(xí)內(nèi)容

本課程以創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，以行動(dòng)為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)了表1所示的四個(gè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目。四個(gè)項(xiàng)目相對(duì)獨(dú)立，學(xué)習(xí)和任務(wù)工作流程是一致的，隨著相關(guān)知識(shí)和技能的逐漸增多，任務(wù)難度也逐漸增大。

（3）學(xué)習(xí)活動(dòng)

為提高學(xué)習(xí)效率，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究，本課程采取線上線下混合式學(xué)習(xí)模式，設(shè)計(jì)了圖4所示在線開放課，按照?qǐng)D5所示的“學(xué)—練—解—做—評(píng)—?jiǎng)?chuàng)”流程開展教學(xué)。

學(xué)微課：學(xué)生登錄學(xué)習(xí)平臺(tái)，自主學(xué)習(xí)微課，并進(jìn)行在線測(cè)試，掌握相應(yīng)知識(shí)和技能要點(diǎn)。

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

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

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

評(píng)效果：學(xué)生展示作品、分享經(jīng)驗(yàn)，開展自評(píng)和互評(píng)以及教師評(píng)價(jià)。

創(chuàng)新品：學(xué)生在課內(nèi)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，自主獲取信息，深入學(xué)習(xí)，追求精益求精，用點(diǎn)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(gè)階段，實(shí)訓(xùn)室為“半開放”，即學(xué)生在課外的指定時(shí)間打印自己的新作品，并將相關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn)通過學(xué)習(xí)平臺(tái)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(jì)》課程，開展了3個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐。結(jié)果表明，學(xué)生自己組隊(duì)學(xué)習(xí)，通過組內(nèi)設(shè)計(jì)、動(dòng)手制作、組內(nèi)溝通等方式來解決實(shí)踐過程中遇到的各種問題，制作出自己認(rèn)為好看且有用的作品。學(xué)生在“做”中主動(dòng)完成了科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等跨界知識(shí)的習(xí)得和內(nèi)化，思維得以拓展，創(chuàng)新意識(shí)和能力提升明顯。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：李曉萍）