一、引言
21世紀的教育，以培養具有創新精神和創新能力的新型人才，推動社會發展和進步為使命。2015年，李克強總理在政府工作報告中提出“大眾創業，萬眾創新”，更把“創新”提升到了一個前所未有的高度。近年來，為了進一步探索教學創新，一些國家嘗試將3D打印技術應用于STEAM課程中，以推動技術對創新教學的發展，使得技術與藝術人文教育和工程教育融合成學校文化的一部分。雖然3D打印技術適應信息化時代發展的需求，在國內也較為新穎，但是目前設計成熟并適合小學生學習的3D打印課程卻是極度缺乏。面對新技術和教育新理念的變革浪潮，在基于STEAM教育思想的教育教學實踐中，教育工作者需要不斷反思，不斷創新教育教學新思想、新經驗，提高教學質量。
二、STEAM教育理念
20世紀80年代，STEM課程在美國逐漸發展，其本身是為了提高美國學生對理工科知識的興趣而建立的課程。STEM教育通過整合Science(科學)、Technology(技術)、Engineering(工程)、Mathematics(數學)領域內容指引教學和學習的途徑和方法，它并不是將這四門課程知識的簡單疊加，而是要將多學科內容的交叉融合形成有機整體，倡導問題解決驅動的跨學科教育，旨在培養學生的問題解決能力、團隊合作能力、設計能力和實踐創新能力。STEM教育的出現改變了傳統的教育理念和思維方式，引導人們重新探索新型的教學方式。隨著課程的改革以及STEM教育實踐研究的開展，藝術(Arts)類課程也添加到STEM課程中，形成以STEAM課程為主要特色的STEAM教育，并逐漸在美國、韓國、英國等國家受到關注。在國內，2015年新媒體聯盟《地平線報告》
(K12版)，將STEAM列為未來1-2年技術驅動K12教育的重要趨勢。傅騫等認為，STEM教育是一種教學策略，通過借助基于設計的學習、基于項目的學習和探究性學習等學習方式，培養學習者解決實際問題的能力。任友群等人提出，STEAM教育是以項目學習、問題學習為主的學習方式，它在STEM教育基礎上進行了延伸和拓展，形成一種新的教育模式，是技術與工程教育和藝術人文教育的融合，旨在推動技術驅動的教學創新。余勝泉等認為，STEAM教育以多學科整合的教學方式，注重過程和實踐，以真實問題為向導，強調知識與能力并重，倡導“做”中“學”；強調創新思維和能力的培養，注重知識的跨學科遷徙及其與學習者之間的關聯。STEAM教育的這些理念和思想融入到信息技術課程和教學中，有利于通過技術的學習培養學生的創新能力。
三、3D打印課程
作者以中望3Don打印技術為依托，設計了適合小學生學習的3Done打印課程。該課程采用項目學習的形式，以STEAM教育思想為導向，以做中學為策略，并以激發學生學習興趣、貼近學生生活為出發點，進行課程的設計與實踐。
(一)3D打印與3D打印課程(3D Printing)
3D打印也叫“三維打印”，基于所創建的原型樣品或者實體模型，運用塑料、樹脂、粉末狀金屬或其他材料，通過逐層打印實現快速成型。3D打印技術為科技的創新提供了一個新的平臺，被喻為第三次工業革命的核心技術之一。3D打印課程是以3D打印技術為主的課程，是以“傻瓜型”三維設計軟件為基礎的課程。為了促進我國中小學的創新教育，結合時下影響意義深遠的3D打印技術，國內有關公司，根據8-18歲孩子的教育特點，開發出適用于中小學的3D打印設計軟件——3Don，并配套3D打印教學課程資源。通過3D打印實體的觸覺過程，建立新型的簡易3D建模學習通道，快速搭建起某種類型的簡易模型，最終利用3D打印機將設計實體化。
(二)3Don打印軟件的特點
趣味性學習是3Don打印軟件的核心關鍵。3Don打印軟件界面簡潔，功能強大，易于上手，非常符合中小學的開放思維創意操作，讓學生能夠簡單、輕松、快捷地表達創意想法，能讓沒有任何基礎的學生在短短的十分鐘通過“搭積木”堆砌、拖拉等操作方式，掌握最基礎的3D繪畫設計，極大地激發了學生學習3D打印的興趣與熱情。促進學科融合是3Don打印軟件的創新特色。運用3Don打印軟件進行創意操作，所涉及的學科學習有信息技術、綜合實踐、美術、科學、通用技術等，由此也促進了特色課程的產生，如校本教材、創客空間(設計、制作、展示)、特色教室、學習資源的開發等。在3Don打印軟件的創意學習中，綜合運用多學科知識與技能，學科的融合，更有利于充分調動學生探究能力、創新能力，促進學生創新思維以及邏輯思維的發展。
(三)3Don打印軟件的教學模式
3Don打印軟件賦予了教學互聯網社區的性質，幫助教師設計更加豐富多彩的講課方案，是“互聯網+”對傳統教育的最大推動。目前，在3Don創意社區中，學生可以在自己的社區賬戶中將隨手設計的圖紙上傳，并且展示到個人空間中。教師可以查看學生作品的進展，欣賞學生設計的作品，鼓勵學生之間進行評論和點贊，提高師生之間、生生之間的交互。此外3Don所具有簡單易用的程序環境，支持專業級的涂鴉式平面草圖繪制，可進行豐富實用的3D實體設計，提供多種多樣的顯示控制，并能通過內嵌于軟件的社區網站下載3D打印模型。3Don強大的功能與簡單易用的程序環境相結合，使得學生更易上手，創意更容易實現，更有助于對學生創新精神的培養。
四、3D打印課程的教學設計與實踐
(一)3D打印課程教學的基本思想
1.做中學
美國著名教育家杜威認為，“做中學”即從生活經驗中積累知識、從實際活動中進行學習，在情景化的教學場所中，讓學生通過親身體驗，在不斷地觀察、實驗、探究、創作中解決真實問
題。3D打印課程思想，也正符合杜威的“教育即經驗”“教育生活”“教育即生長”三個核心命題
。3D打印課程教學也正是讓學生在現實生活中發現問題，在實際操作中完成知識的學習和技能的掌握，從而達成最終的教育目標，培養學
生的創新能力。
2.項目學習
項目學習(PBL)是一套系統的教學方法，它是以解決真實、負責的問題為目的，對項目任務進行精心設計、探究、實施的過程，在這個過程中，學生能夠進行設想、驗證、完善、創造出某種東西，從而培養創新能力和動手操作能力。在3D打印
課程的學習中，運用項目學習是指在現實生活中借助豐富的資源進行探究活動，主動完成項目的實施和完善，應用3D打印技術將制作的作品向他人展示，并解決其他一系列相關問題的一種新型探究型學習模式。
3.設計思維
設計思維是以解決方案為導向的思維形式，它不是從某個問題入手，而是從目標或者是要達成的成果著手，探究問題的解決方案，是一種獨特的“在行動中進行創意思考”的方式。3D打印學習所倡導的就是設計思維。通過發現生活中的問題，以解決問題作為要達成的成果，獨立思考，合作分享，利用3D打印技術進行技術解決，3D打印為問題的解決方案提供了有效的實施措施。
(二)基于STEAM思想的《3D打印》課程教學目標
新媒體聯盟《地平線報告》(2015基礎教育版)將3D打印列為未來2-3年技術驅動K12教育的重要趨勢。在小學階段，信息技術課程是一門綜合學科，教學內容不再局限在作品創作的具體操作步驟，而是將編寫程序、科學、技術、各種軟環境的分析比較、作品美感和數學問題有機融合到信息技術課程體系當中，這也正符合STEAM注重學生設計能力、批判性思維和問題解決能力的教育理念和思想。3D打印課程教學旨在培養學生的創新能力、提高學生的科學素養。在課程中，不斷激發學生的想象力，讓學生體驗作品從無到有的產生過程，感受創意變成真實事物的設計、開發過程。與傳統教育中“以知識傳授為主”的課程相比，3D打印課程的教學顯得格外生動形象，它讓學生通過自己的感覺器官親自接觸具體的事物，“做中學”，使抽象的概念具體化、形象化。由于3D打印將創意變成真實，有助于提高學生的參與能力和動手能力，激發學生的學習積極性，培養學生的創新性和創造力。將3D打印技術嵌入STEAM課程使知識可視化，催生創客式的教學新樣態，培養學生的科技素養和數字素養，從而為教育科技創新提供平臺，實現平面教育到立體教育的轉變。許多專家試圖探索信息技術課程結構的穩定性，希望將其變成一門成熟的學科，但是在信息化社會不斷發展的背景下，信息技術又必須保持不斷求新、不斷求變的方式。這似乎是一個互相矛盾的問題，其實不然，在基礎教育領域匯總，教師更多的是教授學生一種科學化、創新化的思維方式，了解運用不同技術手段解決問題的區別和聯系。因此，不斷變化發展的信息技術課程是一個學科發展的需求，基于STEAM教育思想的3D打印課程的設計也符合信息化社會發展的要求。
(三)3D打印課程的教學設計與實踐
1.教學設計思路與實施
《3D打印》課程教學以“我的樂園我做主”為主線，通過讓學生運用3Don打印軟件，設計游樂園的城堡、海盜船、摩天輪、大風車、旋轉椅等等的游樂設施，把3Don打印軟件所要掌握的命令工具融合到設計樂園的活動中，給學生提供情景化的學習場所，以真實問題出發，在解決問題的過程中掌握3Don打印知識，從而提高學生問題探究能力、解決問題能力、創新思維能力。下面以3Don打印課程中的第2課《設計3D神筆——基本實體與顏色渲染》為例，介紹3Don教學設計的思路和實施。
(1)創設情境，激發興趣
課程設計了三位虛擬人物魔法公主(充當教師角色)、龍龍和貝貝(充當學生角色)的卡通造型，并且課程自始至終是從這三位虛擬人物進入3Done世界后的相互對話來展開整個學習活動。豐富的情景，再配上引人入勝的故事情節，使學生的學習就如進入神奇的世界。卡通人物的設計能抓住學生的眼球，凸顯出STEAM教育的Art部分，培養學生的審美意識。如第2課的開篇語，龍龍和貝貝說：“魔法公主，我們有一個夢想，想設計一個樂園。 ”魔法公主說：“那就用3Done軟件設計吧，這如同‘搭建積木’一樣形象、快捷。你們看，我這里就有一個3D樂園的模型。”龍龍和貝貝說：“嘩，好漂亮！我們也想學習設計，這樣我們就可以‘我的樂園我做主’”。魔法公主：“好！在學習前，我先‘送’你們一支3D神筆，有了它，你們就可以實現創意設想了。”“筆”在3Don設計里是由圓柱體和圓錐體組成的，通過設計一支筆，就很自然引出3Don命令工具“基本實體”中的“圓柱體”和“圓錐體”的新知學習。在圓錐體和圓柱體的創建中，學生對于怎樣才能創建出有美感的、體積大小合適的物體要進行衡量，這樣的過程能夠激發學生的工程素養、數學思維和藝術素養。
(2)新知學習，方式多樣
3Don課程教學設計的教學理念是以培養學生的創新思維、實踐操作能力、問題解決能力、自我學習能力、審美意識和數學思維為目標。所以新知
學習的形式多樣，有自學教材、微課導學、合作學習等。本課的新知主要是學習：命令工具“基本實體”中的“圓柱體”和“圓錐體”；命令工具“材質渲染”“浮動菜單”中的“移動”。a.自學教材：繪制、并給筆上顏色、復制筆繪制3D筆。由于命令工具“基本實體”中的“圓柱體”和“圓錐體”、命令工具“材質渲染”以及復制功能的學習較為容易，所以采取的學習方式是教師引導，學生自學教材。同理，運用繪制筆桿的方法，學生很容易就能繪制出筆尖。隨著情境的進一步創設，自然過渡到新知命令工具“材質渲染”的學習。
貝貝說：“魔法公主，這就是3D神筆？從外表看很普通哦。”
魔法公主說：“3D神筆奇妙在此！它看似普
通，其實內有乾坤。教你一招：變！變！變！變出一支漂亮的3D神筆。”
這樣，學生帶著濃厚的興趣，通過教師點撥和自學課本也掌握了給筆桿上顏色的新知。情境引入，繼續激發孩子的興趣，學習新知復制功能。
龍龍說：“謝謝魔法公主！這支3D神筆確實很漂亮。我還想要不同顏色的3D神筆去繪制五彩繽紛的3D世界，可以嗎？”
魔法公主說：“當然可以。3D神筆奇妙在此！教你一招：變！變！變！變出色彩多樣的3D神筆。”
在情境、故事的不斷深入下，學生帶著極大 地興奮不斷探索，從而掌握一個又一個新知。最后，綜合運用所學新知，學生發揮創意，給筆渲染不同的顏色。
b.利用微課學習，給筆帶上漂亮的筆帽新知的學習，教師除了引導學生自學課本外，對于難度較大的新知，還有配套學習資源，如微視頻、教學視頻等等。如學習“浮動菜單”中的“移動”命令，給筆帶上漂亮的筆帽，因其操作步驟稍多，且涉及到要在多個窗口中進行圖形的移動切換，所以通過微視頻，以微課的方式引導學生開展學習。首先以情境學習為引領，導入新知學習：美化3D筆——戴上筆套。
貝貝說：“如此豐富、漂亮的3D神筆，我要好好愛護它，我想給它戴上筆套。”
魔法公主說：“你如此愛護3D神筆，那我就‘送’你可愛的筆套吧。”
直觀、明了、生動的微視頻，并配上簡明扼要的語音與文字解說，且對于如果在學習過程中未能掌握“浮動菜單”中“移動”命令使用的學生來說，還可以重復播放視頻再學習，以收到較好的學習效果。
c.鞏固學習，形式多種
要運用所學的知識進行創新設計，關鍵是對新知的熟練掌握與運用。在課程設計中，通過采取多種的學習形式，如看一看、做一做、練一練、試一試、小技巧等，使學生的新知學習得到進一步的鞏固，也為學生繼續學習和綜合運用打下了堅實基礎。
d.綜合運用，創新設計
充滿趣味性、故事性的教學環節，讓學生沉浸在3Don打印世界的創作中。學生在學完了新知后，迫不及待地綜合運用所學過的知識進行創新設計，并創作了很多新穎的作品。
2.課程實踐與效果
筆者在2015學年下學期在所在學校四年級信息技術課堂中實施了具有濃厚的“在玩中學，在學中玩”的3Don打印課程。經過一個學期的實踐，取得了不錯的效果。
(1)激發了學生極大的興趣
3Don打印課程《我的樂園我做主》的教材內容是學生喜聞樂見的，操作的軟件又如“砌積木”般所見即所得，給學生帶來前所未有的全新學習體驗。直觀、立體、真實的模型，通過3D打印技術馬上能一一呈現眼前，極大地激發了學生的興趣和求學、求知、求真的欲望。3Don打印軟件的學習課程讓學生樂此不疲，每節課的下課，就是學生對下節課的熱切期待以及對自己所設計模型的交流。“老師，下節課學習什么內容?”“老師，下節課能把這節課設計的模型打印出來嗎？”“老師，您覺得我設計的3D神筆怎么樣？”“老師，請你看一看我設計的城堡是不是很有特色？”等等。
(2)豐富了學生的想象力
具體形象思維是小學生思維的特點。生活中的物體都是立體的，觀察這些幾何體，分析其幾何形狀，并要注意對比和想象。例如設計游樂園的城堡，有各種造型，從三視圖的角度觀察城堡的組成，再利用3Don打印軟件來完成“建模”“運算”，形成所需的模型。學生通常是先根據教材、微視頻或者老師的示范操作進行模仿學習，從而掌握新知，在此基礎上再進行自由創意。
(3)發揮了學生的創造力
立體模型激發了學生的創造興趣，學生在建模過程中，從平面到立體的轉變，不斷地讓學生發現物體的神奇變化，通過建模中的放樣、圓角等命令讓物體發生變化，通過運算讓實體進行組合、去除等，在虛擬的立體世界里培養學生動手操作能力，在操作過程中不斷發展學生的創造力。在本課程的教學中，時刻體現著STEAM教育思想。學生通過使用3D打印技術感受新技術的強大，提高技術素養；通過設計游樂園的城堡，觀察城堡的三視圖，分析其幾何體組成，培養學生的科學素養和數學素養；利用3D打印軟件完成“建模”和“運算”，形成需要的模型，發展學生工
程素養；卡通人物的創設以及整體場景的布置，體現學生的藝術素養。總之，教學設計中都貫穿STEAM教育思想，強調學生的問題解決能力、批判性思維和設計能力，這也與3Done課程教學設計的教學理念不謀而合。
五、結語
隨著新的控制技術、信息技術和材料技術的廣泛應用，3D打印技術也逐漸推向更高的層面。本研究將3Don打印引入課堂教學中，充分體現了STEAM教育的思想，激發了學生的想象力，將學生的創意有了變為現實的可能，激發了學生DIY的興趣，使學習更加生動有趣，將藝術的美感與作品的創作融合在一起，為學生的學習開辟了新的空間，培養學生的實踐操作能力，從設計到打印，更是大大激發了學生實踐的積極性，提高了學生的學習熱情，增強了學生的動手能力、設計能力和思維
能力。實踐證明：3Don打印設計的課堂有利于學生科學素養、技術素養、工程素養、藝術素養和數學素養的發展。但是3D打印對學生的影響不僅僅在于能讓學生學習建模軟件，3D打印機和建模只是一個工具軟件或者一臺機器，想要充分發揮3D打印技術在教育領域中的積極作用，在課程教學的設計方面，我們需要更多地思考如何在課堂教學中把學生培養成為有思想、有創造力的設計者與思考者，讓學生擁有一個觀察、探索、實踐和不斷完善的完整過程，為學生開辟一種全新的思維通道。
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