STEM教育理念下3D打印课程的教学设计与实施

黄廷勋 周健

【摘要】STEM教育理念为是培养工程技术人才的重要手段，本文以“运动小车的设计与制作”为例分享本团队在STEM教育理念下进行3D打印课程教学的设计思路与实施过程，以期為同类教育提供一些经验。

【关键词】STEM教育;3D打印;课程设计;任务教学

引言

STEM教育是目前较流行的一种教育模式，它通过创设工程情境，让学习者顺应项目实施流程，自主完成工程任务。它强调学习者在创设的工程情境中，结合自身及团队所拥有的多方知识解决情境中的问题，帮助学习者融合跨学科知识，构建新的知识体系，是培养学习者解决问题能力，协作能力和实践创新能力的直接途径。

我国是世界上工程教育规模最大的国家之一，然而工程师的数量和质量却有待提高。2013年麦肯锡测算数据显示，工程师在我国市场的需求数量将有大幅增长，2020年该类人才缺口预计将达2200万。STEM课程资源的开发与实施无疑对我国培养工程技术人才有正面作用。

一、国内外研究现状

2012年1月，美国联邦商业部发布了题为《美国竞争力与创新力》的报告，报告数据显示肩负创新使命、推动经济发展的人力资本多数来自STEM领域。2012年德国联邦教育与研究部在其调查报告《MINT展望——MINT事业与推广指南》中指出“保证劳动力的数量和质量是联邦政府活动的重心”。

2016年，我国教育部印发的《教育信息化“十三五”规划》指出“有条件的地区要积极探索信息技术在‘众创空间、跨学科学习（sTEM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，养成数字化学习习惯，促进学生的全面发展，发挥信息化面向未来培养高素质人才的支撑引领作用”。2018年5月15日，中国教育科学研究院正式牵头，启动“中国STEM教育2029行动计划”。

目前，国内沿海城市学校纷纷建立学校教育创客空间，通过借助创客空间实施一定规模的STEM教育，上海、北京先后成立了STEM教育云中心，江苏、浙江先后召开了全省STEM（STEAMl教育大会。我国STEM教育研究也呈现出逐渐繁荣的态势。

我校于2015年成立了“3D打印创客社团”。社团成立初期，社团没有培训设备，教师们积极想办法，克服困难，迎难而上，创造培训条件。两位指导教师自费购买了一台3D打印机及配套耗材，借用学校计算机实验室进行社团培训。在极简陋的条件下师生们共同学习、培训、讨论、研究，收到了较好的培训成果。2016年12月社团选派了4名学生参加广州市青少年3D打印创意设计大赛，获得中学组三等奖1名。2018年我校配备了“创客实验室”，社团依托该实验室进行规划、组织及培训。2018年12月社团选派了5名优秀学生参加广州市中小学生3D打印设计大赛，其中三人进入决赛，获得中学组一等奖1名、二等奖2名的好成绩。

二、基于设计的跨学科四层STEM理论框架

经过4年的摸爬滚打，笔者及团队积累了一定的经验，并着手3D打印社团的STEM课程资源开发。笔者及团队在课程资源开发中的设计思路与理论框架主要参考James A.Beane的“主题一概念一活动”的课程统整理念，制定出包括学科内容层、跨学科概念层、教学设计层、学习目标层的理论框架。

学科内容层面，本团队所开发的3D打印课程主要以任务为导向，每个任务都充分融合科学（s）、技术（T）、工程（E），数学（M）等多学科（sTEM）内容，让学生在完成各项任务的过程中，实现知识的融合。

跨学科概念层面，在凝练学科间的核心概念的同时，通过细化分解、横向联结将相关联的知识进行融合，实现跨越。

教学设计层面，通过环环相扣的形式，引导学生自主学习。教学过程的核心是基于主题情境设置相应任务，要求学生完成，学生在设计和制作的过程中，需融合多种知识，构建系统的知识体系，并结合真实世界的设计和加工条件，制作出成品。

学习目标层面，该教学过程，可使学生在教师引导下自主学习新知识，融合并构建知识体系，此外，真实的设计与制作也能让学生在条件限制下想办法解决所遇困难，培养学生解决问题能力、协作能力和实践创新能力。同伴间互评与反馈，也会为学生提供新思路，促使其深入学习形成良性循环，切实提高教育教学效率。

三、3D打印课程《运动小车的设计与制作》的教学设计与实施

（一）课程的教学内容与目标分析

3D打印课程《运动小车的设计与制作》是我校3D打印社团开展的一个STEM综合实践主题课，如表1所示，是本团队结合STEM课程理念，根据课程设计框架制定的教学内容及目标分析。

（二）课程的教学设计与实施

STEM教学理念下的课程通过不同学科的视域透视“运动小车的设计与制作”项目中所涉及的多种问题，形成不同学科的能力要求，培养学生的探究能力、自主学习能力、协作能力、解决问题能力及设计能力，提高学生的核心素养与创新思维能力，增强教育教学的有效性。具体的教学设计与实施如图l所示。

（1）学生确定“运动小车的设计与制作”的主题，通过网络检索学习小车造型、结构等相关内容，初步形成解决问题的能力。

日常生活中我们经常可以见到汽车，学生对汽车也比较熟悉，但汽车种类繁多，真正要将其设计制作出来，对于学生还是有一定的难度，所以我们选择该主题。学生接到该任务，首先以小组为单位通过网络及书籍找出各类车辆的造型及结构等相关信息，这一过程可以激发学生学习兴趣，培养其自学检索能力，锻炼其解决问题能力。组员在相互交流和分享查阅信息的同时，也是一种思想和学习的融合过程，大家要在不同的意见中统一思想，对于学生来说，是一种很好的锻炼。

（2）学生在教师的引导下提取知识点，如动能、传动、车重计算、阻力计算、测量工具的使用等。通过自主学习及小组交流，融合跨学科知识，构建自己的知识体系。

制作运动小车涉及多个跨学科知识点，学生很难准确地提取各类知识点并自主学习，因此教师的引导很有必要。小车运动涉及的动能包括太阳能、电能、风能等知识;所需传动涉及带传动、链传动、齿轮传动等知识;各种零件的测量涉及直尺、游标卡尺、千分尺等测量工具的使用。在教师的引导下，学生可以明确知道自己所需学习的一系列跨学科知识点，进行精准学习，高效学习。

（3）学生通过前期的自主学习及小组讨论，明确本组作品的设计方案初稿。学生经过这一系列的探究能够培养其科学探索能力及自主学习能力。

这一环节学生们既能发挥奇思妙想创造自己想要的造型，又要根據现实情况求同存异、统一小组思想最终定出本组的设计方案。学生们通过思想火花的碰撞，不断巩固学习，强化记忆，还能通过知识的投射效应进一步拓展新知识，并进行融合，构建自己的知识体系。

（4）学生通过建模、切片、优化、打印、组装等步骤制作出成品，该过程帮助学生强化设计能力，实操能力，并锻炼其综合实践能力。

这一环节学生开始实操，面对现实情况，许多天马行空的想法需要根据现实情况进行调整，优化设计一方面能强化学生的操作技巧，另一方面也提升了他们的综合实践能力。如图2所示，学生们多次优化后，制作出来的运动小车成品。为了让作品更美观，学生们还为自己的作品上色，如图3所示。

（5）学生以小组为单位进行作品展示与评价，并通过多种形式收集反馈信息，最终提高表达能力，沟通能力，提升解决问题能力。

作品展示是教师在教学中有意营造的激励环境。各小组充分展示自己的产品，说明自己的设计思路及制作流程，并在同伴间相互评价反馈，迭代完善产品，以竞争方式促进共同提高。展示中，学生们提高了语言表达能力，品尝到成功的喜悦，找到了自信，更激发了不断进步的欲望，自主学习的积极性得到了进一步提高，解决问题能力得以升华。同时笔者还要求学生们使用微信等社交平台进行作品展示，收集身边人的意见和建议，这些多元化的展示与评价不但可以提高学生的参与度，还能为学生提供新思路，促使其深入学习形成良性循环，切实提高教育教学效率。

四、总结与思考

“运动小车的设计与制作”是本团队开展的STEM教育理念下3D打印课程的其中一个课程设计，从目前的教学效果来看，在融合跨学科知识，构建新的知识体系、培养学生解决问题能力、协作能力和实践创新能力，提高教育教学的有效性方面都取得较好的效果，学生参与热情也比较高。但该课程开展的时间尚短，尚有不足，日后笔者及团队还需通过更多的教学及反馈数据不断完善其相关内容，继续探索更好的STEM教育理念引导式课程资源及有效的学习途径。根据职业教育要求，提升教学质量，提高教学效率，为后续教学提供资源参考，并促进教学质量的全面提高，促使学生综合职业能力全面发展。