基于Steam的3D打印校本课程内容规划

摘  要：近几年来，基础教育改革对创新教育的呼声越来越高，因此很多学校也在不断地摸索和探究相关的创新教育课程。3D进校园是创新教育的一种新形式，学生也非常喜欢这种形式。因此，笔者基于我校的实际情况，探索基于STEAM理念下的3D打印校本课程的研究，以期能为我校的创新教育尽微薄之力。

关键词：STEAM;校本课程;创新教育

中图分类号：G623.58      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）07-0131-04

Abstract：Recently，the voice of basic education reform for innovative education has become higher and higher，so many schools are constantly exploring and exploring innovative education courses. 3D printing entering campus is a new form of innovative education，which students like very much. Therefore，based on the actual situation of our school，the author explores the research of the school-based curriculum of 3D printing based on STEM concept，in order to make a little contribution to our school’s innovative education.

Keywords：STEAM;school-based curriculum;innovative education

0  引  言

基础教育改革对创新教育的呼唤：在深化教育改革、提倡创新的大背景下，创新教育以及STEAM理念不断被人们关注和接受。在这些理念的推动下，随着能够促进学生设计思维和创新能力发展的3D打印技术的推广，使得3D打印很快成为创新教育的新资源、新工具。各种政策的确立更是使3D打印进校园成为可能。笔者所在的城市，市区教研员开展并组织了一系列的技术培训。培训结束后笔者便思考如何将这么有意思的事情推荐给我的学生，让他们也能感受到3D打印带来的乐趣。除了硬件设备之外，3D打印课程教什么、怎么教便顺理成章成为我们要思考和解决的首要问题。

1  课程设置

1.1  课程理念

为全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，培养创新型人才，我校开设的3D打印校本课程，旨在探索新时代、新课程背景下，科技创新教育的新方法，同时也希望引导学生在3D校本课程中开展积极有效的思考、探索，培养他们的创新意识和科学素养。

1.2  课程层级

考虑到我校校本课程开设的实际形式：教学对象主要为7、8年级的学生，且以7年级学生为主体，开设的时间为一学年。因此，课程的层级结构分为：入门、基础、设计、综合应用这四大块。其中入门和基础模块所占比重为60%。

2  课程性质与目标

2.1  课程性质

3D打印校本课程属于技能性拓展型课程，其学习过程属于探究型学习。对于3D打印这一新兴技术来说，这更是师生共同探索新知的学习过程。学生通过学习，尝试在问题解决的过程中获取知识、提升能力、形成价值观。教师在教学中，应强调对所学知识、技能的实际运用，注重学习的过程和学生的实践与体验。课程内容的设置，应关注学生围绕问题的解决、内容的确定、方法的选择及相互合作和交流的过程。此类课程的设立，具有明显的先进性和实践性。目的在于使得学生在掌握一门新颖且发展快速的技术的同时，激发学生的想象力和创造力，并能够将此技术运用到其他学科领域的学习上。

2.2  课程目标

在需求分析的基础上，我们需要从以下三个维度来确定3D打印校本课程的总体目标。

（1）知识与技能。S：掌握与课程内容相关的科学知识。T：掌握3D建模技术、并能够对作品进行切片打印。E：培养学生将科学和数学两者一体化、系统化，创造性地用于解决实际问题的能力。A：建模过程中培养学生对作品的人文、形态等艺术美的意识。M：培养学生对于数学问题进行发现、表达、解决和有效交流的能力。

（2）过程与方法。培养学生的动手能力、团队合作能力、表达能力及创新能力。

（3）情感态度价值观。通过课程中的实践活动，让学生感知新型技术的无穷魅力及在生活中的应用。

3  3D相关教学内容规划

3.1  3D打印基础知识

基础知识主要是让学生对于3D打印有足够的了解，熟悉自己將来要使用的设备，因此基础知识的学习至少要包含三方面内容：3D打印的基本原理和工作步骤;3D打印机的结构;如何使用打印机打印3D作品。

3.2  3D打印建模知识

3.2.1  建模软件的选择

目前教育领域使用的建模软件还是比较多的，有全国中小学生电脑制作大赛的指定软件3Done、sketchup、DSM、Rhino等等。鉴于区里的教师培训选择的是DSM和Rhino这两款软件，另外本人对RHINO这款软件相对熟悉，所以笔者选择了RHINO这款软件作为校本教材的主要建模软件。

3.2.2  建模知识点的梳理

3D打印目前并不在初中的课程标准范围内，因此对3D打印课程内容知识点的梳理并没有统一的规范。笔者的思路是结合我校学生特点，借鉴主流的3D建模软件的基本功能，在RHINO中筛选出合适的知识点作为教学开展的技术支撑。

我校学生的特点：我校的学生大多数为外地务工子女，学生接触电脑的机会不多，计算机使用的熟练程度不高。鉴于这样一个具体情况，在选择技术点的时候：

（1）只选择核心的3D设计类的功能。

（2）去除复杂的功能、去除由基本功能能够实现的功能，达到精简。

精简后的技术点：

曲线：圆形、椭圆、控制点曲线、控制杆曲线、弹簧线、螺旋线、文字曲线、连续线段、多边形、矩形、偏移曲线、投影至物件。

曲面：切割用平面、布帘曲面、从边缘建立曲面、挤出曲线、沿着曲线挤出曲线、挤出曲线成锥状、挤出曲线至点、往曲线法线方向挤出曲线、放样、嵌面、平面曲面、平面、沿着路径旋转、旋转成形、单轨扫掠、双轨扫掠、文字、不等距离偏移曲面。

实体：立方体、圆锥体、圆柱体、椭圆体、挤出曲面、抛物面椎体、圆管、金字塔、薄壳、厚片、球体、文字物体、环状体、平顶椎体、圆柱管。

编辑物件：组合（线、和面）、分割、修剪、衔接曲线、衔接曲面、加盖封闭、洞、薄壳、线切割、布尔运算、边缘混接、边缘斜角、边缘圆角、对齐、阵列、弯曲、复制、沿着曲线流动、镜像、移动、旋转、缩放、倾斜、锥状化、扭转、群组、解散群组。

3.3  CURA切片技巧

切片軟件在使用中需要考虑以下问题：

（1）打印角度的思考。考虑调整模型的角度，增大模型和平台的接触面积，可以提高打印的成功率。

（2）支撑和底座的添加。一般模型我们不选择打印底座和支撑这两项，如果模型某型部位没有支撑点，也没有调整好放置角度，就必须选择支撑选项。

（3）填充率。一般我们的填充率选择在10%～20%之间，填充率越高，模型的强度和重量会加大，打印时间和材料也会随之增加。

3.4  3D打印逆向设计应用

学校购置了一台3D人像扫描仪、一台实物扫描仪。因此，我们可以充分利用这两种设备进行逆向设计，对人像或物品进行三维扫描、曲面重构、打印模型。

3.5  3D打印作品的后期处理

3D作品的后期处理主要包括两项：一是打磨作品，二是上色。对部分作品来讲可能还需要组装和黏合。

4  整合教学内容

4.1  内容整合的原则

4.1.1  以学生为中心

3D打印课程不是义务教育阶段的必修课，在我校是以校本课程的形式出现的选修（或社团）课。秉承立德树人、培养学生创新性的宗旨设计课程，以学生为中心，以学生的身心发展规律为线索，以学生的视角，选择他们感兴趣的内容作为教学内容的依据，设计课程。

4.1.2  解决生活实际问题

课程中选择的实例尽量贴近生活，以学生在实际生活中遇到的问题为切入点，开展教学。设计作品的目的是为了解决一个生活中遇到的问题，或者是为了扫除一个知识点盲区，亦或是对某个物品的改进，以达到自己的使用需求。

4.1.3  跨学科知识整合，彰显STEAM教育的特征

STEAM教育的最显著特征便是学科融合，它的优势及其精髓便是能够将多个学科的知识点融合到一个作品中。

因此，笔者在作品选例时，时刻谨记这一点。课程中的作品选择在建模时可能需要其他知识点的支持，比如圆形的相切问题，可能就需要数学知识的铺垫，在制作DNA时就需要生物背景知识的引导。在设计花瓶这类作品时，我们可以引导学生了解中国瓷器，体验中国瓷器技术的博大精深，感叹古人的技艺之精巧。

4.1.4  以作品为主要依据，兼顾技术难度

以作品完整性为主要依据，兼顾建模的难易程度来安排教学内容。在教学内容处理上，笔者主要有两点思考，一是以建模的难易程度为主线构建教学内容的框架，二是以单个作品的完整性为主线构建教学内容。前者的优点是对建模软件的学习相对容易，后者的优点是每次活动都有能看得见的作品，容易激发学生的兴趣，对于课堂教学而言也更加容易组织。为此，笔者在选择教学内容的时候，希望能尽量结合这两者的优势，让教学充满趣味性，让学生学起来轻松。

4.2  建模部分教学内容设计

基于以上内容整合的原则，建模部分的教学内容还要纵向上实现难度逐步加深，同时对思维发散和创新的要求也要随之递增，教学内容设计如表1所示。

5  教学评价

对STEAM课程的3D打印课程而言，其评价也应该是多方位的。因此，笔者设计的评价体系包含如下几个方面。

5.1  记录单形式的反思评价

该记录单的形式用于跟踪学生在整个作品制作过程的思维动态，如表2所示。

表2  活动记录表

通过该记录单的反馈，我们可以了解学生在实际操作过程遇到的问题，以及解决问题的深度，从而挖掘出他们的思维深度。

5.2  电子小报形式的演讲或视频形式的记录

电子小报的形式可以拓展学生的思维，以某一作品为主线，引发他们对整个作品从设计前-设计中-制作完成后的一个完整的思考，并且最终通过演讲的方式将其讲述出来。这是一个思维的大整合，对学生的各个方面都是一种训练。视频形式和电子小报有着类似的功能，不同的是，这种形式更加生动形象，可以直接记录自己在制作过程中的点点滴滴。

5.3  作品大比拼

学生认真地完成自己的作品后，将作品集中到一起，按照事先制定的评比标准进行评比，选出心中最完美的作品，以期获得肯定。

6  结  论

3D打印技术应用到教育领域，实现教育改革的创新与发展，能提高学生的创新能力，训练学生的动手能力，但是怎么与教育有机地结合达到我们想要的效果，还需要我们继续探索。

参考文献：

[1] 黎鹏.基于三维扫描与3D打印的机件建模方法研究与实现 [D].邯郸：河北工程大学，2016.

[2] 崔允漷.从“选修课和活动课”走向“校本课程”——“江苏省锡山高级中学校本课程”个案研究 [J].教育发展研究，2000（2）：22-26.

作者简介：侯娟（1984.08-），女，汉族，江苏淮安人，讲师，硕士研究生，研究方向：教育信息化。