STEM理念下培养学生创造力的3D打印课程实践研究

梁志红

［摘           要］  培养创新型人才是新时代育人的使命，而STEM教育理念融入3D打印课程是提高学生创造力的有效途径。在STEM教育理念下，构建以“迭代”3D模型设计为核心、“逆向”问题探究设计为辅助的3D打印教学流程，通过情境引入、问题探究、模型设计、作品打印和分享评价等环节，构建培养学生创造力的3D打印课程教学范式，收到了良好的效果，希望对同行有一些借鉴意义。

［关    键   词］  STEM理念；3D打印课程；实践研究；教学设计

［中图分类号］  G712                    ［文献标志码］  A                  ［文章编号］  2096-0603（2024）04-0057-04

一、问题提出

创新是民族发展的动力源泉，我国要实现从“中国制造”向“中国智造”的转变，创新人才的培养是核心所在，教育要重点关注如何激发和培养学生的创造力。“创造力是根据一定目的，运用一切已知信息，产生出某种新颖、独特、有社会价值或个人价值的产品的智力品质[1]。”3D打印课程着眼于培养学生的科学精神与创造实践能力，通过把想象和设计变成现实的造物过程，具有培养创造力的天然优势。STEM教育是科学、技术、工程、数学等多学科融合的综合教育，是多学科交叉融合付诸教学实践的一种尝试与思考，以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能，并能灵活迁移解决真实世界的问题[2]。近年来，教育研究者逐渐将其应用到STEM教育中，以此提高个体创造力。那么，STEM理念如何助力3D打印课程？又如何更好地培养青少年的创造力？本研究基于SETM理念设计3D打印课程教学设计，以《口罩防勒扣》为例，以期为基于STEM理念开展3D打印教学提供参考。

二、STEM教育理念与3D打印课程的概念界定

（一）STEM教育理念

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，其强调多学科的交叉融合。STEM教育将四门学科有机结合，形成一个整体，以更好地培养学生的创造精神与实践操作能力[3]。STEM教育，最初是美国为了提高全球科技竞争力所提出的创新型人才培养战略。截至目前已超过30年，逐渐成为当今国际人才培养的新兴教育理念。教育部于2016年在《教育信息化“十三五”》中明确提出要求——条件允许的地区，应该积极探索跨学科学习（STEAM教育）这种新教学模式的应用[4]。

（二）3D打印课程

3D打印技术是一种快速成型技术，以数字模型文件为基础，运用金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术让抽象问题更容易得到解决，可以激发学生对科学、数学尤其是工程和设计创意的兴趣，带来实践与理论、知识与思维、现实与未来三方面的相互结合[5]。

（三）STEM理念助力3D打印课程的价值实现

1.促进跨学科融合

促进学科融合是STEM理念助力3D打印课程最大的特点。3D打印课程本身与多个学科有着千丝万缕的联系，无论是建模过程还是3D打印过程，都涉及多学科的知识，如数学知识、工程技术知识、科学知识等等。STEM理念下的3D打印教学打破了单一学科的界线，符合智能时代跨学科学习的需求[6]。在3D打印学习过程中，学生自然而然地运用了多学科知识、综合性技能辅助自己构建模型，在满足学习学习欲望的同时极大地激发了创造力。

2.提高学习活动的趣味性

学习活动的趣味性是STEM理念助力3D打印的一大特点。兴趣是保持学生持续有效学习的关键，与现实生活紧密联系的项目任務设定，让3D打印课程迎合了学生的学习兴趣。相对于其他软件3Done建模软件界面简洁、功能强大、简单易操作。学生可以快捷、轻松地完成简单创意制作，通过“搭积木”的方式迅速完成模型建立，并且将制作成的模型通过3D打印机转换成实物，在此过程中学生始终保持着较高的积极性，极大地激发了学生的学习兴趣。

3.增加问题解决的挑战性

STEM教育理念强调学生学习与生活实践的结合，同样强调教师在设计STEM项目时，应该设计基于生活的真实情景，让学生在参与教学过程中了解所学知识与生活的联系，提高他们将知识迁移到实际生活的能力。基于真实情景的问题解决对于学生而言是一个挑战，而不再局限于课堂，问题的挑战性进一步增加。本3D打印教学涉及两个维度的挑战，一个维度是真实问题的挑战，另一个维度是小组间竞争的挑战。

三、STEM理念下的3D打印课程教学流程

教学流程指一套独特的教学结构和体现教学活动的逻辑操作顺序，需要合理处理教学过程诸要素的相互关系、确定展开教学步骤的时间流程。STEM理念下的3D打印课程教学设计流程始终着眼于学生创造力的培养与提高，流程共分5个步骤，分别是情境引入、问题探究、模型设计、作品打印和分享评价，每个步骤都有各自对应的教师活动和学生活动。该流程的核心是“模型设计”，即3D模型的迭代设计；在“问题探究”步骤上，本研究采用逆向思维的问题探索设计方式；另外，在STEM理念的指导下，本研究还添加了“分配STEM学科角色”可选择性步骤。具体教学流程如图1所示。

（一）情境引入

教师活动：创设情境，引入需要解决的问题。教学情境指教师在教学过程中营造的情感氛围，也指具有一定情感氛围的教学活动。教学情境的创设有一定的原则：第一，情境的真实性。第二，情节的关键性。第三，情境问题的教育性和成长性。教师还需要引导学生发现问题。

学生活动：需要根据教师创设的情境，找出关键点，提出问题，并且回顾旧知、查阅资料，尽可能构思问题解决的方案。

（二）分配STEM学科角色

创设情境引入问题后，学生回顾旧知识并且查阅资料进行问题的初步探索，此时学生对于问题的解决有了大致的构思。教师需要组织学生进行小组讨论，按照科学、技术、工程和数学四门学科分配小老师的角色，1～2人负责一门学科。

（三）问题探究——“逆向的问题探究设计”

逆向思维是将常见的已成定论的事物或观点反过来思考的一种思维方式。在3D打印教学中，为了达到预期的学习效果，倒过来思考，从评价往上推回到学习目标，使学生不仅知道学习目标，还知道达成学习应该做到什么。逆向的问题探究设计具体步骤如图2所示。

1.明确学习目标

教师需要公布明确的学习目标，并且引导学生厘清学习目标，使学生的学习活动始终朝着学习目标进行，时刻提醒学生集中注意力，提高学习效率。

2.确定学习依据

学习依据，即学生学习效果评价的方式、方法以及评价指标。教师需要选择3D打印教学中可评估或者可测量的学习结果作为学习依据，例如评价量规，并且及时展示给学生，帮助学生理清学习依据。

（四）模型设计——“3D模型迭代设计”

迭代设计是一种概念、原型设计、测试和评价的循环。3D打印模型的设计不可能一蹴而就，多次循环的迭代优化是模型设计的必经之路。本研究3D模型迭代设计可以细化为5个小步骤。分别是小组讨论、二维三视图绘制、三维立体建模、组间探讨和选择性步骤的作品打印。“3D打印模型的设计”这一步骤中的几个小步骤在实际的教学过程中，可以随时循环，无论进行到哪一步，只要时间允许，就可以回头重新设计。3D模型迭代设计具体步骤如图3所示。

1.二维三视图绘制

依据需要解决的问题，联系3D打印的学习目标，小组讨论，构思绘制目标模型的二维三视图。

2.三维立体建模

完成二维三视图后，在教师提供的导学案的帮助下，学习自主进行三维立体建模，完成建模后再组间探讨，产生新的思路，重新优化设计。

（五）作品打印

教师活动：提供切片处理的资料，例如，导入、导出切片软件的文件格式以及模型切片的操作步骤；完成切片后，指导学生以小组为单位完成3D模型的打印。

（六）分享评价

教师活动：组织各个小组依次进行学习成果的汇报，并且给予正面、合理的评价。

学生活动：小组作品汇报展示，汇报内容主要有作品设计理念、小组成员角色分工、迭代设计的过程、三维建模过程等；另外，各个小组还需多元化评价反馈，在自我评价和评价其他小组的基础上及时梳理记录，评价完成后对自己的作品进行美化完善。

四、STEM理念下的3D打印课程教学设计案例

以自编课題《口罩防勒扣》为例，通过以3Done建模软件为依托的教学流程设计与实施，培养学生的设计和动手实践能力。长时间戴口罩会导致耳朵负担过重，甚至出现磨破皮的问题。围绕口罩带勒耳朵的问题，展开了三轮迭代学习活动，从长度、厚度、舒适度、可调节度等多个问题开展探究学习。将STEM理念融入信息技术学科，运用3Done建模软件进行三维模型的构建。通过体验、观察等方法，逐步发现问题，并在问题解决的过程中培养学生的协作能力，提高其问题解决能力与动手实践能力。

（一）情境引入

教师活动：①播放视频，引出问题。“戴口罩时间长了，耳朵不堪重负，经常被勒得发红、发痛，有的甚至皮肤被磨破”引出本节课需要解决的生活难题——“如何解决戴口罩勒耳朵的问题？”②展示牛奶箱提手（生活中常见的物体），引导学生结合实际物体思考解决本节课的学习任务。③与学生一起确定本节课的挑战任务——“解决口罩勒耳朵的问题”。④展示自己制作的口罩防勒扣。

学生活动：①观看视频，引发思考，寻找问题的解决方法。②针对需要解决的问题，结合牛奶箱提手，构思口罩防勒扣需要满足的实际需要，明晰问题需求，并做文字记录。

（二）分配STEM学科角色

4～5人为一个小组，针对挑战任务“解决口罩勒耳朵的问题”，小组成员分配STEM学科角色。A学生负责科学方面的问题，例如口罩带为什么会勒耳朵？如何设计才能避免该问题？B学生负责工程方面的问题，例如3D打印机的使用。C学生负责技术方面的问题，例如利用3Done软件三维建模。D学生负责数学方面的问题，例如口罩防勒扣二维三视图的绘制。E学生负责统筹规划与记录，协调各个步骤的循环进行。

小组成员按STEM对应的学科角色进行分工，并不是每个人只负责一门学科，而是每个人主要负责一门学科，在这一学科中该成员相对其他成员更有见解。对于核心问题的解决需要全组成员共同探讨完成。

（三）问题探究

教师活动：教师展示本次3D打印教学活动的学习目标，引导学生理清学习目标。教师展示完成本次学习任务的学习依据，例如完成所有口罩防勒扣长度、厚度、舒适度、可调节度等多个问题的迭代设计，并且使用非常舒适，则视为挑战成功，任务完成。教师可以以提问的方式检查学生是否理解学习依据。

学生活动：学生理解记忆明确学习目标。小组讨论，理清学习依据。

（四）模型设计

一轮设计：任务一“探究解决长度与厚度问题”

教师活动：组织学生进行小组体验探究，寻找上述口罩防勒扣存在的问题。教师组织学生小组协作，绘制口罩防勒扣第一次改良的二维视图。教师引导学生两两一组进行三维建模。教师提供口罩防勒扣的3Done软件建模过程。

学生活动：小组合作体验。4人分工合作，2人间互相佩戴，发现问题，第3人书面记录，第4人机动，随时发现其他组的不同佩戴方式。前两人佩戴结束后，与后两人互换任务分工，再次体验。梳理总结口罩防勒扣存在的问题。根据不同头围大小的人进行佩戴，计算出“口罩防勒扣”的长度；根据“口罩薄厚程度，计算出其弯曲一定角度需要的力的大小，判断是否适合人体佩戴。二维视图绘制：学生组内协作，绘制第一次改良的口罩防勒扣。三维模型建模：组内再分组，两人一组进行改良后的口罩防勒扣三维建模。

二轮设计：任务二“探究解决佩戴不舒适问题”

教师活动：组织学生进行小组体验探究，寻找第一次改良的口罩防勒扣存在的问题。教师展示多种结构的小勾，对比分析引导学生使用单侧开口的小勾。教师组织学生小组协作，绘制口罩防勒扣第二次改良的二维视图。教师提供对基本实体进行加、减运算的案例，然后师生一起进行案例的实际操作。教师引导学生两两一组进行三维建模。

学生活动：小组合作体验。4人分工合作，2人间互相佩戴，发现问题，第3人书面记录，第4人机动，随时发现其他组的不同佩戴方式。前两人佩戴结束后，与后两人互换任务分工，再次体验。发现问题：长头发的女生佩戴时头发很容易夹在两边的小勾中；口罩防勒扣比较容易掉落，佩戴不方便。根据不同头发的长度，判断口罩防勒扣对于头发以及头型的适配度。二维视图绘制：学生组内协作，绘制第二次改良的口罩防勒扣。学生与教师一起进行实践案例的操作。三维模型建模：学生组内再分组，两人一组进行改良后的口罩防勒扣三维建模。

三轮设计：任务三“探究解决一扣多人用问题”

教师活动：组织学生进行小组讨论，针对第二次改良的口罩防勒扣进行再探究。教师明确任务：探究解决一扣多人用问题。教师引导问题解决的思路。教师利用废旧口罩带的松紧进行拉伸演示，提示学生可以将口罩防勒扣做成可拉伸的，以便随时根据实际情况调节大小。教师组织学生进行问题解决的方案制定和二维视图的绘制。

学生活动：小组合作探究。两两再分，协作探究，既可以上网查资料，也可以和其他小组讨论。学生小组合作梳理总结，拟定问题解决的方案。二维视图绘制：学生组内协作，绘制第三次改良的口罩防勒扣。三维模型建模：学生组内再分组，两人一组进行改良后的口罩防勒扣三维建模。

（五）作品打印

教师活动：提供切片处理的资料，例如，导入切片软件的文件格式、导出切片软件的文件格式、口罩防勒扣模型切片的操作步骤；完成切片后，教师指导学生以小组为单位完成3D打印。

学生活动：自主学习切片处理的知识，小组合作完成3D作品的打印。

（六）分享评价

教师活动：组织学生进行挑战是否成功的验证。教师组织各个小组进行作品的交流分享。构思设计理念、组内角色分工、迭代逻辑顺序、三维建模过程等。师生总结反思。三维建模方法、技巧等。

学生活动：小组代表汇报。学生记录总结。从口罩防勒扣迭代逻辑顺序、二维平面手绘图、三维立体建模图三个维度进行作品完善。

五、总结与展望

在STEM教育理念的指导下，以3D打印教学为手段，旨在培养学生的创造力，构建了以“3D模型迭代设计”为核心、“逆向的问题探究设计”为辅助的STEM理念下的3D打印教学设计流程，并依据该流程进行了3D打印的教学实践，收到了良好的效果。

3D打印课程自身具有极强的吸引力，从无到由，从不可能到可能，它的出现使天马行空的创意有了支点[7]。本研究只是在STEM理念下的3D打印教学设计流程方面进行了大胆的尝试，在实践中还有很多问题需要进一步解决，如何更好地培养学生的创造力，这也是下一步努力的方向。

参考文献：

［1］林崇德.培养和造就高素质的创造性人才［J］.北京师范大学学报（社会科学版），1999（1）：5-13.

［2］曾育芬，黄甫全，曾文婕.论智能化时代教育科学的超学科范式［J］.电化教育研究，2020，41（1）：45-52，68.

［3］余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式［J］.开放教育研究，2015，21（4）：13-22.

［4］任友群，郑旭东，吴旻瑜.深度推进信息技术与教育的融合创新：《教育信息化“十三五”规划》（2016）解读［J］.现代遠程教育研究，2016（5）：3-9.

［5］首新，胡卫平，刘斌.3D打印融入中小学STEM教育项目的设计与教学：从国外融入3D打印的典型STEM教育项目谈起［J］.基础教育，2017，14（4）：68-80.

［6］李柱，季瑜.基于3D打印的信息技术课程教学设计模式构建与实践研究［J］.中国教育信息化，2021（6）：48-51.

［7］王萍.3D打印及其教育应用初探［J］.中国远程教育，2013（8）：83-87.

◎编辑 马花萍