基于STEAM的小学3D打印课程设计与教学实践研究

阅读 408 发布时间:2016-10-24 11:12

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)、Technology(技术)、Engineering(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,注重过程和实践,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3Don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——3Don,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)3Don打印软件的特点

趣味性学习是3Don打印软件的核心关键。3Don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3Don打印软件的创新特色。运用3Don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3Don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)3Don打印软件的教学模式

3Don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3Don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3Don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。3Don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3Don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3Don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3Don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3Don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3Don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3Don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3Don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

3Don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3D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3Don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3Don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

3Don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。3Don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3Don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3Don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:3Don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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