Solid Learning Model在STEAM教育的应用研究

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　　摘 要
　　随着现代科学技术的发展，3D打印已经成为深受教育界欢迎的重要技术，被称为创客教育的“三剑客”之一，基于3D打印技术形成的行塑学习模型（Solid Learning Model）也成为教学改革研究热点。本文根据3D打印技术特点，通过对行塑学习模型的理论研究，结合3D打印技术在创客教育的应用，创设可供师生设计与参与的优质项目，为其提供深层次的体验活动，探索行塑学习模型在STEAM教育中应用的有效途径，推动“做中学、做中创”，极大激发师生学习热情，实现跨学科创新学习与思考，进而培养其创新思维、空间想象及创造设计等综合能力。
　　关键词
　　3D打印技术;行塑学习;Solid Learning 教学;STEAM教育
　　中图分类号： G712                     文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.046
　　0 引言
　　3D打印技术属于快速成型技术的一种，建立在数字模型的基础之上，通过把粉末状塑料（常见有ABS和PLA材料）或金属等材料，按模型参数逐层叠加，实现物体建构。3D打印技术具有快速制造、三维集成、完全再现及零废弃的最优经济性等特点，目前已经在航空航天、工业制造、机械加工、建筑、医学、文化艺术等众多领域取得重要应用。
　　随着3D打印技术的快速发展，创客教育越来越受欢迎，进而促进STEAM教育理念发展及推广。[1]2012年，基于3D打印技术的行塑学习模型（Solid Learning Model）由美国学者拉尼柯克.豪斯曼率先提出，该教学方法推动教育改革创新，让教学变动更加直观、生动而真实，促进师生更加及时有效互动，提供丰富的沉浸式学习和立体化的思维，有效培养创新精神。
　　1 核心概念
　　1.1 行塑学习模型（Solid Learning Model）
　　Solid Learning Model是在体验式学习理论基础之上的升级，通过把3D打印技术和数字制造技术引入传统课堂，为学生提供了沉浸式学习，创造了个性化、交互性和情境性等丰富多彩的教学方式，激发师生学习热情，提高学生参与度。
　　1.2 STEAM教育
　　STEAM教育指五个学科的融合教育，具体包括有科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）和艺术（Art）。该教育理念由美国人在20世纪80年代提出，得到奥巴马的大力支持，在中小学得到广泛应用推广，对课程融合、综合教育起到积极推动作用，为学生培養了动手实践、改革创新及跨学科综合运用能力。[2]
　　STEAM教育首先打破传统学科教育的隔阂，强调跨学科知识融合，重视学生亲自去体验与实操的过程，旨在把知识运用到实践中;其次，通过开展项目化学习过程，实现“做中学、做中创”，培养学生发现问题、分析问题及解决问题的能力;最后在学以致用的过程，培养学生的创新精神，促成实践创新的教学目标。
　　2 理论依据
　　创新能力是一种创造新颖和适切工作的能力，本质上培养的是一种精神，具体包括探索未知、发现及挖掘新事物、主动学习并掌握新技术及新方法，在此基础上做到灵活运用所学知识、创新思维、分析及解决现实生活真实问题。
　　创新能力的培养主要有三个因素：
　　1）教师直接或间接鼓励行为的影响。教师支持鼓励学生开展积极有效创新实践，学生发挥个人主观能动性，创新学习的过程。
　　2）培育主动学习、积极探索的学习氛围，这是培育创新能力的重要因素。教师应高度关注并鼓励学生主动参与的勇气，让学生在一个开放包容、多元化的学习环境中，可更好调动其学习热情及创新能力。
　　3）创新需要有效交互性活动。传统教学局限于教室空间，随着现代信息技术发展，更多虚拟学习与3D技术都为创造交互学习环境做出重要贡献。
　　行塑学习模式是一直高度沉浸时的学习方式，相比传统教学，学生可以获得更多参与机会，以培养创新能力。
　　1）个性化学习。传统教学仅提供选择空间，本质上属于“被动式”的个性化教学;相比而已，行塑学习为学生提供更多可能性，借助3D打印技术让任何设计可以快速变为现实，学习充满立体感和深度感，让学生更愿意去尝试不同的个性化效果，由此推动个性化氛围营造，激发学生学习兴趣，提高其自信心，实现创新思维的培育。
　　2）交互性学习。社会建构主义理论认为，学习应该是学生与环境相互作用，相互影响的建构。教学过程是帮助学生学习掌握知识，解决关键问题的过程，而任何问题的真正解决离不开团队的相互协作。行塑学习提供丰富的团队协作任务，每一个项目的设计、制作都需要团队相互支持，共同协商确定解决方案。最终实物成果也是方便相互学习，从二维升级到三维空间，创造更多交流空间，促进思维分享和行为互动。
　　3）情境学习。基于建构主义的认知理论，情境学习的当代学习理论最重要的核心，在做中学的效果是最好的。在情境中的实践应用，有助于知识的创新与应用。行塑学习创造了真实丰富的情境，相比传统的抽象知识的学习，通过设计实物模型将知识与动手实践有机结合，促使学生获得愉快的学习体验，帮助学生革新思维去完成学习任务。
　　4）跨学科学习。行塑学习在提供感知沉浸学习的同时，对学生提出跨学科要求，需要综合运用数学、艺术、工程、科学等多学科的知识，来综合解决实际问题。从理论研究到设计、从三维模型到实物，整个过程都有利于培养学生的跨界能力，尤其是跨越学科边界获取延伸、拓展和迁移能力。
　　3 应用研究 　　3D打印技术应用包括3D设计建模和3D打印输出两个部分，3D打印输出只是把创新设计的3D数字模型进行实体化的过程，而3D设计建模才是3D打印技术的关键环节。因此基于3D打印技术开展STEAM教育的核心是三维创意设计，即以三维软件和3D打印机应用为主的课程。
　　1）3D打印的创造性
　　3D打印的创新首先在于使用的“墨水”不同。传统打印使用的普通墨水（包括激光和喷墨打印）完成是平面的打印，而3D打印需要完成空间三维的打印，就必须使用不同的材料，常用有ABS和PLA。ABS树脂全称是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，英文名Acrylonitrile Butadiene Styrene，具有较高强度及韧性，易于加工成型，属于热塑型高分子材料;PLA再生塑料全称是聚乳酸，英文名Polylactic acid，由于该材料使用是可再生的植物资源，由其淀粉原料加工而成，可在自然环境中实现生物见解，属于环境友好材料。这些固体材料通过电脑程序控制，在打印头中加热变成液体后挤出，在空气中迅速冷却后又变成固体，像春蚕吐丝一样通过层层堆积，最后由3D数字模型转变化为3D固体模型，完成了3D打印任务。另外还有像普通塑料、尼龙、石蜡、食材、纸、水泥、金属或陶瓷的粉末等都可以作为3D打印机的“墨水”。
　　在STEAM教育中，3D打印技术帮助师生把创意和想法变为现实，可用于各个学科的教学中，把具体知识点或问题转变为生动、立体的3D打印作品，基于Solid Learning 教学，让3D打印技术与各学科教学紧密联系在一起。例如在基础学科中，把语文、英语中典型人物、代表建筑打印成实物模型，帮助学生更好理解故事情节与人物感情;把数学中立体几何模型打印出来，帮助学生更好学习了解三维空间的结构;把物理中抽象的磁場、电力结构图形打印出来，把无形抽象的知识有形化;把化学中3D分子、原子模型，实现微观粒子结构实体化;把生物中细胞、病毒、器官等打印出来，让不能直接看到的内容样本化;把历史中有考古意义的古代器物复制出来，方便进一步的观察和研究;把地理中真实的地势图和人口分布图打印出来，帮助学生更直观地分析地形及人口分布;把美术中艺术品打印出来，提升学生对美术作品鉴赏能力。[3]而在专业课程中，3D打印技术可以发挥更大的价值，比如在机器人制作课程中可打印自己设计出的机器人配件，根据自己的想象发明一台新型机器人;在无人机维修课程，可以根据需要自行定制零部件，实现个性化创意作品。[4]
　　2）基于3D打印的行塑学习模型
　　随着无人机、人工智能及大数据技术的快速发展，创客教育深受学生及家长的青睐，3D打印技术由快速成型、逆向工程和三维设计组成，已经成为创客教育重要组成部分，为学生的创新学习提供更多可能。因此，基于3D打印开展行塑学习教学，首先是创设项目情境，问题源自生活及实践需要，有一定针对性，学生在教师引导下，以小组合作的方式，开展探究式学习，分析问题，查找资料，团队交流协作，共同提出解决问题的方案，总结思考不断改进，进而完成更好作品。整个教学过程中教师为引导，学生为主体，强调由学生亲自操作，通过3D打印过程获得最有效的学习体验，帮助学生开展好自主化学习、组织丰富多彩的个性化及探究式学习，获得分析及解决问题的能力，学会辩证思维，提高专业技能，提升创新创造能力等。[5]
　　为了促进资源共享，建立3D模型资源平台，提供常用技术支持，比如2D转3D、3D积木、3D浮雕等，让三维建模变成简单轻松的事情，让设计的过程变得更加轻松愉悦;同时有助于思想碰撞，产生更多创意与优秀作品。
　　3）创新评价体系
　　教学模式的改革创新必然推动教学评价的创新，因此根据教学过程及思维层次制定合理评价体系。学校层面从学校整体创新环境、学生创新能力、创新学习特点、教师创新教学等方面来综合评价学校创新指数。教师层面从教师师德、教学能力、教育创新、科研能力等方面综合评价教师专业发展。学生层面从品德素养、学习素养、创新素养等方面综合评价学生个体发展。
　　4 结束语
　　创客教育把信息技术融入传统学科教学，创新开辟了新的教育园地。在3D打印技术能够将电脑里的虚拟3D数字模型快速地打印出3D实物模型功能的支持下，行塑学习模型（Solid Learning Model）为STEAM教育提供了丰富实践，从“思”到“造”再到“创”，让学生的想象变为现实，让其在主动参与创新与设计的过程中，充分发挥想象力与创造力，认真细致地分析所建造三维模型，利用3D打印机最终实现个性化作品创作，并反馈于现代教育与教学，不仅促进3D打印技术广泛用于教育领域的各个学科，更是在新的教学理念下，为新时期教与学的改革提供示范与引领。
　　参考文献
　　
　　[1]高勇，刘娜.3D打印与三维创意设计课程牵引下的创新课程体系研究[J].中小学信息技术教育，2016（4）：20-22.
　　[2]傅骞，王辞晓.当创客遇上STEAM教育[J].现代教育技术，2014（10）：37-42.
　　[3]童宇阳.3D打印技术在中小学教学中的应用研究[J].现代教育技术，2013，23（12）：16-19.
　　[4]王雨峰，冯园.3D打印在无人机维修专业教学中的应用[J].职业，2018（33）：114-115.
　　[5]丁焱.3D打印技术在中小学创客教育及学科教育中的整合运用[J].教育与装备研究，2018，34（03）：20-25.
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