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1、基于3D打印的STEAM学习资源包设计开发摘要随着桌面级3D打印机的普及，3D打印这项技术也逐步走进学校这个教育领域。STEAM教育打破各学科之间的界限，让多学科教师合作进行综合的教学，全面培养学生的各方面能力，在我国一些中小学通用技术、信息技术课中已经较为成熟地运用STEAM课堂的概念。通过调查研究，深入分析3D打印在我国基础教育中应用及STEAM教育的现状，对国内外现有的STEAM教育产品进行比较和分析，并通过案例及案例实验的分析，探究基于3D打印的STEAM学习资源包的组成及设计开发的要点。关键词3D打印；STEAM；学习资源包；信息技术；通用技术中图分类号：G436文献标识码：B文章编
2、号:1671-489X(2017)14-0031-0513D打印与教育领域近些年来，随着桌面级3D打印机的普及，3D打印技术也逐步走进学校，走进教育领域。许多研究者越加关注3D打印在教育中起的作用：2015年地平线报告(基础教育版)认为，3D打印技术将在未来23年大范围普及1；而在新修订的全国高中信息技术课程标准中，“三维设计与创意”作为选修模块之一加入其中。这也印证了3D打印技术已经正式成为教育领域的一分子。3D打印应用到教育领域的优势1）化抽象为具体。很多抽象的事物对于缺乏认知与想象的学生而言是难以理解的，而3D打印技术的作用正是将这些事物以可见、可触的方式呈现给学生，帮助学生理解与掌握。
3、2）培养学生的设计思维与创新能力。学生在学习和使用3D打印技术时，需先对建模物体进行设计；完成初步的设计后，再通过3D建模技术进行设计的实现；在建模的过程中，不断对模型进行修改（同样是设计的过程），过不断的设计、修改、实现的迭代过程，得到最终的作品。根据戴尔的经验之塔理论，被称之为“设计的经验”，属于学生“做的经验”，这种经验（或称思维模式）为培养学生解决实际问题的能力打下基础，并促进他们创新能力的进一步提高2。3D打印在教学中应用的现状笔者根据大量观察与了解，认为现在我国中小学里3D技术的应用可以分为三类。1）3D打印技术学习课程。学会如何建模和使用打印机是3D打印的基础。许多初高中目前都在
4、开设相关兴趣课程供学生学习，并由中学里的计算机教师进行指导。课程的学习以3D建模软件的学习为主，并结合一些辅助建模的软件，如123D系列、MeShMiXer等，从多个方面教会学生设计、建造模型。2）以3D打印技术为技术支撑的创客课程。以3D打印技术、Arduino开源硬件、电子技术、编程等理工科技术为基础，将多种技术融合进行创造发明，比如3D打印的机器人、四轴飞行器、智能手环等，以培养学生的动手能力与创造力为主。3）基于3D打印技术的STEAM课程。引入3D打印技术作为STEAM教育的支撑，使注重实践、注重动手、注重过程的STEAM教育如虎添翼。如杭州市的采荷三小开设的3D打印社团课，采用多学
5、科融合的主题式教学方式，将课程教学分为“海底总动员”“玩具制作”和“生活小帮手”三个主题。教师通过设置特定的教学情境，引导学生探索问题的解决方法，并让学生自己动手设计，制作3D模型，结合其他软硬件，最终完成一件能够解决问题的作品，培养学生的探究与工程设计能力。3D打印在教学中存在的问题1）3D打印技术（建模、打印机等）的学习在教学中的比重过大。技术的应用建立在熟练掌握的基础上，因此，学生要花较多的时间来进行建模软件的学习。这需要占用大量的课时，意味着在一些综合性课程中留给学生进行后期活动的时间非常少，并且将极大地影响教学目标的达成。如何平衡3D打印的教学内容在综合性课程中的比重（如使用简单易懂
6、的建模工具，教师辅助等），是开发这类课程时需慎重考虑的2）应用方式的选择。据对3D打印相关企业工作人员访谈和对一些中小学目前3D打印机使用情况的调查发现，大多数中小学将3D打印机用于兴趣课程和创客制作，结合其他科目教学的应用较少，3D打印机成为学校教学工作中可有可无的设备，甚至锁在办公室里闲置（据很多学校3D打印机在睡大觉行业培训迫在眉睫，http：/news.3）课程资源设计难度偏大。结合3D打印的跨学科课程往往涉及多方面的知识，教师需要熟悉每个知识点，了解它们的特性，才可以将它们联结起来作为一个完整的课程。在教学中也要针对教学目标，设计跨学科的课程材料，还需考虑到课程中培养学生多方面的能力
7、。2基于3D打印的STEAM教育STEAM教育前身为美国于20世纪80年代提出的STEM教育，是Science（科学）、Technology（技术）、Engi-neering（工程）、Mathematics（数学）多学科融合的教育模式4-5。2006年，时任美国总统的布什公布以“通过发展科技与创新促进美国经济发展及提升国家竞争力”为主旨的美国竞争力计划（AmeriCanCompetitivenessInitiative,CI）,指出21世纪作为知识经济时代，国家教育目标之一是培养具有STEM素养的人才6。随后任美国总统的奥巴马全面推进这种教育模式，美国国内政府、学校、社会团体、专业组织等在各个
8、层面纷纷开展了切实有效的工作。随后在原有的四学科基础上加入Arts（人文）学科，多学科融合得到STEAM教育。我国的国家中长期教育改革和发展规划纲要（20102020年）在战略主题中明确提出：坚持能力为重；优化知识结构，丰富社会实践,强化能力培养；着力提高学生的学习能力、实践能力、创新能力，教育学生学会知识技能，学会动手动脑，学会生存生活，学会做事做人,促进学生主动适应社会，开创美好未来。STEAM教育打破各学科之间的界限，让多学科教师合作进行整体教学，全面培养学生各方面的能力，在我国一些中小学的通用技术、信息技术课中已经引入STEAM课堂的概念。国内的一些开发厂商也相继推出STEM、STEA
9、M实验套件、科普玩具等产品。丹麦的乐高集团早在1986年就与麻省理工学院合作，研发机器人和相关课程，随后推出一批涉及科学、技术、数学、设计、社会学等学科的学习工具和学习方案，也是目前市场上较完整的STEAM学习套件。但受限于乐高积木本身的结构、材料的特性，学生利用颗粒方块创作的成品与现实生活中的物品存在很明显的差距。香港的METAS则与主流的STEAM教学方式不同，以电子积木套件为基础，希望通过简单拼装到Scratch编程的应用来培养学生的创新能力。STEAM的学习产品与3D打印结合，既为STEAM教育中学生创新创作提供了技术支持，提供了更自由的创作方式，又加速了3D打印教育应用服务支持体系的
10、成长，为3D打印的教育应用提供了能充分体现3D打印技术优势和独特性的支持资源7O将新的技术与原有的正在发展的创新教育模式结合，为技术找到新的应用方式，为创新教育引进强大的技术工具。3基于3D打印的STEAM学习资源包组成教学资源包的组成学习资源是为教学的有效开展提供的素材等各种可被利用的条件，通常包括教材、案例、影视、图片、课件等，也包括教师资源、教具、基础设施等（据百度百科）。教学资源包通过一个包（PaCkage）的形式，向教师和学习者提供支持教学的各种资源。如图1所示，一般的教学资源包分为教师用的教材，包括文字的、多媒体的或教师提供的内容、教学活动指南（教师手册）、问题情境、案例研究、资源
11、列表等；学生用学材，包括学生活动指南、学生练习、评估。STEAM教育产品国内外教具、玩具、电子厂商已经推出各式各样的STEMSTEAM实验套件或科普、教育游戏和玩具。如美国的Littlebits,提供模块化电子积木系统（表1）,各槿颜色的电子模块通过防错的磁性吸合方式可以搭建出各种电子模型。通过积木化的方式，降低了动手制作的能力要求，却提高了学生创造发挥的可能性。1.ittlebitsSmartHomekit套件内容如下。1） BITSMODULES：1*USBPower,l*soundtrigger,1*MP3Player,1*threshold,l*lightsensor,1*bright
12、led,1*1RTransmitter,1*number,l*button,l*split,l*temperaturesensor,l*servo,l*synthspeaker,1*cloudBito2） ACCESSORIES：1*screwdriver,l*Servoccesso-ries,1*USBPowerAdapter+Cable,6*Shoes,2*mountingboards,1*ACSwitch0又如丹麦的乐高（Lego）,作为国际知名的玩具品牌，1980年成立乐高教育，为全世界的教师和学生提供内容丰富、具有挑战性、趣味性和可操作性的学习工具和教学解决方案。乐高与美国麻省理工学
13、院(MIT)合作开发并于2013年发布第三代机器人LEGOMINDSTORMSEV3,其教育版内容包括：EV3Brick*l,LargeMotor*2,MediumMotor*1,TouchSensor*2,ColorSensor*l,UltrasonicSensor*1,RechargeableDCBattery*1,LEGOBricks541pcs;EV3PROGRAMMERPP(iOSndroid),EV3programmingsoftware(PC/Mac),RobotCommanderpp,BuiIdinginstructions,Userguide(PC/MAC),EV3Minds
14、tormsFirmwaredownload(PCMC),AdvancedUsers-DeveloperKits(PC/MAC)。近年来国内的一些厂商也开始推出STEAM学习的产品，如添翼模型STEM教育科普玩具，提供整套的学习套件：1)电子元件，包括驱动马达齿轮箱、7号开关电池盒；2)作业器材，包括强力双面胶、90mm光轴、橡胶轴套、M2.5螺栓螺套、LED七彩灯珠、双头杜邦连接线；3)全套机器人肢体部件拼装指南。通过对这些已有产品的分析，会发现这些产品可以说都是比较成熟的商品，但如果将它们投入课堂教学，会有一定的缺陷。几乎现有的所有产品都是以“客户能够使用”的原则来设计指南或说明，缺乏教学情
15、境，也没有供教师使用的资源。另外，各自也有一些产品特点导致的限制。例如：乐高的机器人套件，其开发环境非开源，且硬件只能与乐高积木拼接；LittIebitS本身只是模块组，创造一个作品还需其他很多资源的支持；至于国产的添翼模型STEM教育科普玩具，则更像一个个独立、专属的模型，几乎不能进行开放性的创作。在创客教育中，一般教学资源包的学材和教材之外，还包括支持学生创作的“创材”。而源自美国创客运动（MakerMovement）的STEAM教育，旨在从小培养学生动手、创新、综合运用科学知识的能力4,在设计开发STEAM学习的资源时，除了要包含完整支持学生学习、教师教授的资源外，还要提供丰富全面的创作
16、材料。而且出于成本的考虑，这些创作材料的理想状态应是可替代、复用的材料。而市场上现有的STEAM学习产品，大多是针对某个主题学习设计，采用的部件由开发商设计，不可替代和不可复用（见图2）。基于3D打印的STEAM学习资源包STEAM教育的学习方式多为探究式学习，学习的内容也不是固定的知识点，而是拓展到了学生在探究过程中接触到的所有内容。所以没有任何一个STEAM学习资源包能涵盖主题学习中“所有的”知识，一个好的STEAM学习资源包为教师和学生提供的应是完成学习所需的“基础知识”，以及获得更多相关知识的方向和方法（见图3）o基于3D打印的STEAM教育，其本质还是STEAM教育，3D打印技术是作为工具技术引入的。需要注意的是，一项新技术的引入，在教
