基于STEAM的小学3D打印项目化教学

【摘 要】随着课程改革的深化和2022版义务教育信息科技课程标准的发布，相关教学方式也在发生变化。本文从培养具有核心素养的创新型人才出发，以校本课程“智造小乐器”项目为例，深度融入STEAM教育理念和项目化学习策略，提出了一种适合小学的3D打印教学模式，助力育人方式改革。

【关键词】信息科技；3D打印；STEAM理念；项目化学习；教学模式

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2023）011-060-03

引 言

2022年4月，教育部颁布了《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》，明确提出信息科技课程要培养学生的信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任的核心素养，促进学生数字素养与技能的发展。信息科技在课程内容和教学方法上都面临变革。

STEAM教育理念主张在真实情境中探究式学习，学生的学习过程就像科学家对自然的探究与工程师对实际问题的解决过程，学生从自己的生活经验入手，综合调用所理解和掌握的知识，通过不断合作、发现、搜寻、尝试、理解和解决问题的过程完成整个学习[1]。项目化学习方法是目前比较先进的适用于培养具有创造性学生的有效方法。它指向核心素养培养，促进学生对知识的迁移和深度理解，运用各种工具和资源解决问题。而风靡全球的3D打印技术也逐渐被引入中小学课堂，它是小学信息科技课程的重要组成，能够很好地培养学生的空间能力和创新实践能力，在其他学科中也可以利用3D建模，帮助学生直观地观察数理模型，理解抽象概念。这些先进的教学理念和新技术也促进了教师对新教学方式的探索。

本文介绍的小学3D打印教学实践以项目为载体，深度融入STEAM教育理念，有助于培养学生发现问题、深度思考和应用创新的能力，让知识能够重归于生活。

小学3D打印课程的教学模式

3D打印课程本身具有跨学科的特性。学生以现实生活中存在的问题为向导，从解决问题和达成目标着手，在图纸设计、建立模型、生成产品的过程中，运用各种工具和资源探究解决问题的方案。其中需要综合运用科学、数学、工程、信息技术、艺术等领域的知识，并在多学科之间建立联系。这些特性与STEAM理念和项目化学习思想不谋而合，在3D打印课程中开展基于STEAM理念的项目化学习，可以助力学生打破传统的学习方式，鼓励学生像科学家、工程师一样进行思考和探究，让学生体会到从创意到产品生成的乐趣，提升学生的数字素养和创新力。

笔者基于STEAM教育理念和项目化学习设计方法，结合具体的校本化课程实践经验，总结出了适合在新课标背景下开展的小学3D打印课程的教学模式。该模式以项目化学习的六个阶段（包括提出真实的驱动问题，知识与能力的构建，实践与形成成果，交流与迭代优化，成果公开展示，反思、迁移与拓展）为核心，学生围绕这六个阶段开展学习活动，构建知识网络，培养核心素养[2]。在该模式中，师生的教与学活动分为课内和课外两个部分。在课内，教师是学习的引导者，通过寻找核心知识，提出关键问题，引导学生思考，搭建学习支架，组织研讨实践，促进多学科融合；学生是学习的主导者，运用高阶思维分析问题，分组协作，创作生成，迭代优化，交流展示，反思延伸。在课外，以翻转课堂的形式开展，教师提前分享相关阅读书目、微课、微视频，发布调查问卷，促进学生主动学习，并开展线上答疑指导；学生开展多路径自主学习，使用思维导图归纳知识点和创意，进行课外调查、访谈等。同时，依据教、学、评一致的教学设计思路，基于量规的科学合理的评价覆盖项目化学习的全过程。做到评价主体多元化，即自我评价、生生互评与教师评价相结合；评价方式多样化，即过程性评价与终结性评价相结合，以评促学，让学习过程变得更加完整和有意义。

小学3D打印课程的实施

3D打印课程之“智造小乐器”项目实例，以小学四年级科学课上册“声音”单元为切入点，组织学生在3D打印课堂上研发合适的小乐器产品，为科学课提供研究声音的装置。该项目实例依据基于STEAM的项目化小学3D打印课程的教学模式开展，以项目化学习的六个阶段为核心有序推进，课内、课外两线并行，开展了为期三周共六课时的项目化学习实践。在这个过程中学生们探究声音震动的原理（科学），掌握3D设计软件和3D打印机的使用（信息科技），绘制产品图纸（工程），装饰产品和演奏（艺术），学会测量、按比例缩放和空间旋转（数学），在真实的情境中有意义地灵活运用这些知识，培养了科学的思维方式，提升了解决问题的能力。

1.提出真实的驱动问题

项目化学习通常由驱动问题来引发学生的思考和探究，好的驱动问题应该是具有真实意义的、开放的，能让学生主动投入思考并产生高阶学习。驱动问题不应简单由教师提出，而应该是教师寻找核心知识点，通过创设真实的贴近学生生活的情境，引导学生发现和提出，这样才能最大化地激发学生的学习兴趣与积极性。

经过全班师生的头脑风暴，“声音”单元引起了大家的兴趣，该单元要通过一些小乐器（管乐器、弦乐器、打击乐器......）来探究声音的秘密，研究声音的产生、传播、强弱、高低等。在此背景下，教师提出了一个与学生学习生活密切相关的真实的驱动问题——如果成立一个3D打印乐器研发小组，如何开发出一款合适的小乐器，作为声音研究工具？在这个问题的驱动下，3D打印项目化学习逐步展开。

2.知识与能力的构建

在传统的课堂中，往往存在着以教师为中心与向学生灌输知识的现象，这种方式不利于学生知识内化和形成自己的思考。而基于STEAM的项目化课堂提倡学生自主地通过教师推荐的书籍、网络、微视频等收集项目背景信息，通过专家访谈、微课学习，以往知识回顾、思维导图等开展多路径的主动学习。学生要完成一个项目，必须经历跨学科的学习和多学科的融合，依据教师搭建的学习支架，如某个真实的情境、学习任务单、相关学习资源等，逐步构建出需要掌握的核心知识，并建立与知识和经验的联系。这样的教学模式更能培养出面向未来的学生。

在“智造小乐器”项目的知识与能力构建阶段中，涉及如下步骤。

（1）教师提出问题：声音是如何产生的？如何让物体发出不同强弱、高低的声音？从而引导学生思考乐器发声的科学原理。

（2）教师开设关于乐器的微讲座，实地或视频展示不同乐器的演奏；提供多种类型的乐器实物，让学生观察、触摸、尝试演奏，建立直观感受，进一步探索乐器的发声机制。

（3）学生搜集身边的多种材料，设计并开展对音阶的实验研究。

（4）教师通过发布学习任务单、微课、微视频，帮助学生掌握123D Design软件的基本操作，包括设计草图、建立基本体、构造合并实体等，学会使用3D打印机。

（5）学生通过上网查找资料、查阅相关书籍、与教师讨论等方式了解物体的测量和工程图纸的绘制方法等。

3.产品制作与形成成果

在本阶段，教师继续提供学习支架，如项目报告书框架、范例模型，组织指导学生分小组进行研讨创作。学生将前面阶段所掌握的知识与技能和解决问题的策略进行综合，形成系统的解决方案。学生通过不断合作、尝试和解决问题完成整个学习，期间需要亲历设计与实施、软件操作与设备使用、小组研讨与协作、计划与反思、艺术创作等有意义的学习实践过程，核心素养不断被培养，从而形成在做中学、学中思、思中创的高质量课堂。

该项目在此阶段分如下三个步骤开展和实施。

（1）学生根据前期调研和学习，自发组成4-5人的研究小组，选择感兴趣的乐器类型作为小组的项目研发主题；确立项目目标，预设产品外观与功能；制定项目进度跟踪表，细化学生组员任务分工和时间规划。

（2）在教师的指导下，学生形成并逐步完成“智造小乐器”项目报告书，其内容包括小乐器发声的科学原理、产品解决方案、所需材料（材料来源和成本统计）、制作步骤以及3D打印部件的设计图纸。

（3）各个小组学生使用123D Design软件进行乐器部件的建模，并用3D打印机“生产”出这些部件，再结合其他辅助材料（琴弦、橡皮筋、皮革、气球皮、彩绳、丙烯颜料……）制作和装饰小乐器产品。

4.交流与迭代优化

这一阶段是项目产品的检验和测试环节。项目小组要对产品是否达到预期的外观、功能和效果进行测试和评价，结合教师或外部专家、其他小组提出的建议，有针对性地修改方案和完善产品，形成螺旋上升的学习过程。

针对初步形成的小乐器作品，各项目组先进行内部测试和评价，结合教师的建议对产品的功能和外观进行迭代修改和完善。作品完善后，在小组之间进行分享和展示。根据教师提供的评价量规表，本项目小组、其他项目小组和指导教师对项目实施过程和形成的作品进行评价、投票和交流。各小组记录、研讨并形成修改意见，再次优化自己的产品。

5.成果公开展示

成果的公开展示有利于学生获得成就感和仪式感，形式可以包括作品展览、演出汇报、产品发布会等。通过成果展示活动，项目小组不但可以接收到更多的反馈信息，小组成员还能进一步合作，锻炼表达力，培养乐于分享的精神。

在“智造小乐器”项目中，学生们历时三周的项目化学习实践，在一次次失败中不断地反思与改进，最终形成了各自满意的作品——排笛、小吉他、小竖琴和非洲鼓……它们个性灵动、美观实用。为了更好地展示和交流，各个项目组举行了小乐器微型发布会，现场演奏小乐器，阐述设计理念，介绍和推广自己的产品，分享在制作过程中遇到的困难，听取了使产品更加完善的观点和意见。最后，每个小组提交了跟踪整个项目的报告书，对本次“智造小乐器”项目做出阶段性的梳理和总结。

6.反思、迁移与拓展

反思、迁移与拓展环节是项目化学习“果实归仓”与思维升华的重要阶段。通过项目化学习，学生除了制作项目产品还形成了自己的思维方法，在这个阶段，就要及时把学习的反思、收获和好的方法进行归纳总结，进一步巩固和内化知识与能力。教师也要引导学生完善作品，拓展功能，促进知识迁移能力和创新力。

在小乐器微型发布会后，学生对整个项目过程中的收获、评价、建议等进行整理，反思“我解决了什么问题？遇到了什么困难，我是怎样解决的？如何提高团队协作效率？”师生进一步互动，提出新的问题：根据用户的体验反馈，产品的哪些地方还可以改进，如何实现？还可以给小乐器增加哪些实用的功能？能利用“所想即所得”的3D打印技术和一些新材料创造出新乐器品种吗？通过不断地追问和思考，让学生学有所获，把知识转变为能力，培养科学探究精神。

结束语

新版义务教育信息科技课程标准颁布以来，如何将其有效地落地和实施是摆在一线中小学教育工作者面前的重要课题。笔者以新课程标准为指导，针对小学阶段信息科技课程的特点，梳理了基于STEAM的项目化小学3D打印课程的教学模式，并在教学中进行实践和应用。实践证明，在这样的教学模式引领下，学生们围绕核心素养，不仅能高效构建各种知识和技能，还能学会倾听同伴、有效讨论、团队合作，懂得专注和坚持、计划与反思，增强了运用技术解决实际问题的创新能力。希望本文的教学模式思路和具体实施过程能给各中小学探寻新课程标准的实施特别是信息科技课程的建设以及3D打印教学带来一些新的思考。

参考文献

[1]张悦颖，沈祖芸主编. 小学STEM教育实践路径与方法：上海市世界外国语小学的探索[M]. 上海：上海科技教育出版社，2017： 5.

[2]夏雪梅. 项目化学习设计：学习素养视角下的国际与本土实践[M]. 北京：教育科学出版社，2018：133-136.

作者单位：江苏苏州市吴江区水秀实验小学

编 辑：冯安华