基于STEM教育理念的3D打印课项目式教学探究

摘要：作者基于STEM教育理念开展了3D打印课项目式教学的探究，提出在STEM教育理念指导下，系统开展基于学情和学生掌握前期知识情况设计学习任务和目标，开展学生学习效果和课堂教学效果多元评价，提升学生学习参与和跨学科知识运用能力，并通过反思教学环节设计过程，动态修正3D打印课项目式教学模式，助推学生高阶思维培养。

关键词：STEM；3D打印课；项目式教学；教学设计

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2023）23-0059-03

3D打印课是笔者所在学校在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》指导下培养学生跨学科素养而开设的一门校本课程，课程目标是让学生通过参与学习3D模型的设计、建模和成品创造，实现课堂理论与实践、思维与实体的有效衔接，激发学生的兴趣和创新意识，培养学生的动手能力和高阶思维能力。而如何将3D打印课上好，实现上述课程目标，是教师关心的问题。

从传统的分科式学习到基于项目的跨学科式学习，STEM教育为学生发散思维的养成提供了新的途径和方法，它已经成为世界各国推进教育发展的重要战略[1]，而基于STEM教育理念开展3D打印课项目式教学探究有利于提升课堂教学水平，有利于学生动手实践能力、高阶思维的培养。因此，笔者基于STEM教育理念开展了3D打印课项目式教学探究。

基于STEM教育理念的3D打印课项目式教学设计与实践

STEM教育理念中的S指的是科学（Science），T指的是技术（Technology），E指的是工程（Engineering），M指的是数学（Mathematics）。STEM教育注重学生跨学科知识的综合运用，需要教师提升跨学科素养，并对教学过程进行重新设计。为满足整合运用跨学科解决问题的设计需求，国外常常选取工程设计的模式开展课程活动，具体步骤包括明确挑战性任务、发散思维、迭代设计和作品展示等。[2]笔者在STEM教育理念的指导下，结合3D打印课程，设计了项目式教学，鼓励学生围绕一个项目或问题开展解决问题的项目式学习与思考，最终通过设计成果来实现学生综合运用跨学科知识解决问题能力的提升。基于STEM教育理念的3D打印课项目式教学模式如下页图所示。下面，笔者结合七年级《给文具安个家——3D笔筒设计》一课进行教学设计，以验证基于STEM教育理念的3D打印课项目式教学的效果。

1.以问题为起点，设计任务目标

教师在设计目标前，针对学生对相关课程内容的掌握情况进行了调研，基于STEM教育理念及维果斯基的“最近发展区理论”，采用项目式教学的方式设计本节课的教学任务。

任务1：学会基本命令

①扭曲命令：将一个零件自行扭曲一个角度，类似拧麻花的方式，多用于长方体零件设计。

②阵列：可使零件按照一定方式复制摆放，如线性阵列、圆形阵列和曲线上的阵列。线性阵列可以沿纵、横两个直线方向复制摆放，也可以沿一个方向阵列；圆形阵列围绕轴旋转复制摆放，可以添加阵列环数。

任务2：学习制作镂空笔筒

通过观察实体，拆解制作步骤，逐个学习知识点。

①笔筒底座（圆柱体）的制作。

②镂空的筒壁：绘制单个圆柱，扭曲命令，扭曲一定角度。圆形阵列出多个小长条圆柱，形成筒壁。

③线性阵列：利用底座阵列出上筒口，绘制圆柱体，与上筒口进行减运算。

④美化筒口：圆角命令。

任务3：思维拓展

①笔筒绕一个方向扭曲，可否做出网状的镂空效果？

②能否利用以前学过的知识制作其他样式的笔筒？

③能否利用扭曲和阵列命令做出生活中常见的物体？

2.基于真实世界情境，探索解决问题的方法和过程

①选用教学课件的形式利用多媒体计算机和白板将本次教学项目的三个任务形象化地呈现给学生，呈现的信息包括图片、视频操作步骤、教师演示操作等。

②将已经打印出来的3D实体笔筒作为项目的最终实现目标呈现给学生。

③为学生准备能上网的机房、3D打印设备及耗材，让学生完成模型的构建、导出、打印。

3.注重小组合作学习和自主学习

①学生领取教学目标——项目，围绕项目观看教师准备的三个教学任务，对每个任务存在的疑问可以向教师请教或通过网络自主寻求答案。

②方案设计，先用3D one建模。学生根据教师准备的3D实物观察、分析其设计过程，最终通过3D one建模，并根据设计需要反复修改，直到效果理想再导出3D打印格式.stl。

③项目实施考查的是学生利用3D打印机实现模型转换为实体的能力，即动手实践能力。学生将导出的3D打印格式放入3D打印服务器，通过排版验证、准备材料，最终输出3D笔筒实体。在制作作品的过程中，学生通过小组制订研究计划，并通过相互评价，协作完成上述任务。

4.以学生为中心设计教学环节

斯滕伯格强调个体的主动性在建构认知结构中起到关键作用[3]，维果斯基强调认知过程中学习者所处社会文化历史背景的作用，提出了“最新发展区”理论。[4]因此，在设计教学环节时，教师应以学生发展为中心，注重学生学情和前期知识的积累，结合3D打印技术发展现状和学生的现实生活，设计阶梯式渐进学习环节，在讲授关键知识点时采用“学习—检查—再学习—再检查—总结—再巩固”的迭代方式，循序渐进地引导学生将知识学深、悟透。

5.学习过程中教师扮演指导师角色

中国教育科学研究院发布的《STEM教育白皮书》明确指出，需要通过综合性STEM课程来培养学生运用所学知识创造性解决问题的能力。[5]教师要鼓励学生进行发散性思考，同时，引导学生基于不同观点、不同知识背景建立可行性方案，考虑各种因素或制约条件择其最优的一个逐步进行完善，发展批判性思维。[6]教师在教学过程中扮演指导者的角色，协助学生完成学习任务。

6.及时对学生进行评价，开展自我评价和小组评价

学生根据作品的完成情况进行自我评价，评价在操作过程中遇到的困难以及解决的方式方法。其他学生对该名学生进行提问，并对该名学生的作品进行评价，完成学生之间的“同行评价”。教师点评该名学生的作品，并与其交流作品制作过程的收获与下一次需要注意的问题。

学习效果评价

基于STEM教育理念的3D打印课项目式教学，助推了学生动手实践能力和高阶思维的培养。在STEM学习过程中，通过设置项目引导学生利用3D打印技术完成作品，激发了学生的高阶思维，同时，项目成果不固定，引导学生使用已学内容发挥创造力，提升了学生运用知识解决现实问题的能力。此外，让学生思考3D one建模初衷，透过现象看本质，使学生建立了批判性思维，开拓了学生问题解决的思路。

在基于STEM教育理念的3D打印课项目式教学中，笔者对学生的学习效果开展了多元评价。多元评价包括学前的诊断性评价，学习过程的过程性评价、终结性评价，学习结束后的发展性评价、表现性评价和档案袋评价。诊断性评价反映学生前期知识基础掌握情况；过程性评价反映学生学习过程效果；终结性评价反映学生跨学科整合知识整体掌握水平；发展性评价有利于激发学生自我提升的动力；表现性评价是对学生课堂活动中表现的能力进行评测。档案袋评价是表现性评价数据收集和整合的常见方式，其目的在于持续收集学习过程中能够充分表征学生知识和能力提升的证据（如报告、作品、论文等）[7]，档案袋评价可以对学生进行整个学期学习的累计评价。通过这些评价方式，促进了学生的学习，增强了学生的学习自信。

小结

基于STEM教育理念的3D打印课项目式教学深受学生喜爱，经过学习，学生的学习兴趣和知识综合运用能力明显提升。但在教学过程中，也需要注意一些问题，如外部驱动发展教师跨学科意向、打造“跨学科教师学习与教学共同体”、建立智能研修平台支持学生持续自主发展等，对上述问题的思考及改进有利于基于STEM教育理念的3D打印课项目式教学更好地开展。

参考文献：

[1]秦瑾若.深度学习视域下STEM教育的审视与思考[J].教育理论与实践，2022，42（07）：58-63.

[2]闫寒冰，单俊豪.美国创客教育教材分析——以“Design and Discovery”为例[J].中国电化教育，2017（05）：40-46.

[3]斯滕伯格.认知心理学[M].杨炳钧，译.北京：中国轻工业出版社，2006.

[4]VYGOTSKY L S. Mind in society： the development of higher psychological processes[M].Cambridge： Harvard University Press，1978：84-91.

[5]王素.《2017年中国STEM教育白皮书》解读[J].现代教育，2017（07）：4-7.

[6]首新，黄秀莉，李健，等.基于STEM学习目标的高阶思维评价[J].现代教育技术，2021，31（03）：20-27.

[7]王晶莹，单俊豪，郑永和.中美STEM课程案例的比较研究：知识场域、活动设计、类型与评价[J].现代远距离教育，2021（03）：12-20.

作者简介：胡彩莲（1985.12—），女，黑龙江哈尔滨人，长春市第三十中学信息技术教师，硕士研究生，研究方向为信息技术教育。伊向超（1986.02—），男，山东高密人，东北师范大学教育学部博士研究生，助理研究员，研究方向为数字媒体技术、教师专业发展。

基金项目：吉林省教育学会“十四五”科研规划课题“基于STEM教育理念的跨学科学习模式实践研究”（编号：G210520）研究成果。