3D打印技术在STEAM教育中的应用与实践探究
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[摘 要]随着3D打印技术的不断成熟，世界各国积极将3D打印技术引入教育领域，为教育事业带来了新的发展契机。北京市第一中学立足3D打印课程，以初中综合实践课为切入点，积极组织学生参加STEAM竞赛活动，通过多种方式将3D打印技术应用于STEAM教育中，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，促进学生的全面发展。
[关键词]3D打印技术;STEAM教育;信息素养
教育部发布的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》提出，鼓励中小学探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识，养成数字化学习习惯。《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》中，3D打印被纳入《17-1834普通高中通用技术课程标准》和《17-1847普通高中信息技术课程标准》两大文件。为此，北京市第一中学立足3D打印课程，以初中综合实践课为切入点，通过多种方式将3D打印技术应用于STEAM教育，提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，促进学生全面发展。
一、把想象变成现实，培养创新思维能力
自2014年起，学校开设了3D打印校本课程，教学内容融合了三维软件建模、3D打印创作、VR虚拟现实等，旨在培养学生的合作、创新和实践动手能力。学生将自己的想法通过应用软件设计出来，在指导教师的帮助下进行打印、加工，最终呈现出一件件充满创意的作品。
在“东城区3D打印设计作品展”中，学生们的作品是用3D打印制作出的学校沙盘模型。为了节省空间并便于管理，学生们进行了大胆设想，将教室设计成可以翻转折叠的模块，使用时打开，用毕则收起。更有趣的是，学生们还设计了一个运用了磁悬浮原理的教学楼体模型，当地震等突发事件发生时，教室可以像工具箱一样平铺展开，使楼体不至于立刻坍塌，为学生快速撤离现场争取时间，以避免踩踏事故，减少人员伤亡和财产损失。
基于STEAM教育的3D打印课程，使学生亲历了从想象到图纸再到实物制作的全过程，极大地激发了学生的创新思维。3D打印课堂为学生提供了展现非凡创造力的机会，使学生逐渐能够打通“想象—虚拟—实体”三者之间的鸿沟，完成探索、思考和操作实现的完整过程，为学生开辟了一种全新的思维通道[1]。
二、结合综合实践课程，提高知识运用能力
综合实践活动课程是从学生的真实生活和发展需要出发，从生活情境中发现问题，并转化为活动主题，通过探究、服务、制作、体验等方式，培养学生综合素质的跨学科的实践性课程。STEAM教育与综合实践活动课程存在许多共性，都注重跨学科学习，注重知识的综合运用，注重强调以学生为主体的学习方式[2]。为此，学校以综合实践活动课为切入点，全面开展STEAM教育。
1.探秘青铜器
“探秘青铜器”是学校初中综合实践课中的一个课题，约8课时，历时两个月。为了更好地实现课程目标，在设计教学时结合了STEAM教育的理念，要求学生动手设计并制作出属于自己的“青铜特色”的生活用品。在这个阶段，学生遇到了很大的困难。中国古代青铜器的铸造有块范法和失蜡法两种基本方法，此外还有分铸法、焊接法等工艺。无论哪一种方法，学生实施起来都有很大的难度。这时，大家想到了应用3D打印技术设计并打印出青铜器模型。
学生经过小组讨论确定了器型及器物功能，并进行了设计图的绘制，对器型长、宽、高数据的设定为3D建模做好了准备。前期的三维建模相对简单，在塑形的过程中，学生很容易实现空间的想象，直观地体验直角坐标系中物体的建立过程，会对三维数据和结构有更深刻的认识。学生对“线生成面，面生成体”的原理有一个接受的过程，但只要实际操作几次后就将这一过程内化了。这种内化正是个体空间感形成的一种方式，有利于后续平面及立体几何的学习。学生在观察中发现，3D打印的过程实际上是一种立体绘制，是将熔解后的材料依据预先建立的坐标数据重塑的过程，涉及多种化学和物理交织的成型方法，最常见的是“熔积成型”和“激光烧结”，当然还有更多的堆叠技术，这些对材料的选择及热熔方法的探讨会让学生对物质的物理、化学性质产生更多的兴趣[3]。
2.传统文化之簪钗、宫灯、射艺
学校初二年级的综合实践课程以传承传统文化为大主题，由学生自主选择题目进行研究性学习。学生分组自定了三个主题：簪钗文化、宫灯文化及射艺文化。簪钗文化研究小组探索新时代女子审美及成人礼文化，考察并传承传统发簪的设计与制作，开发符合新时代气质的新式发簪。宫灯文化研究小组从灯文化入手，探究如何在生活中更好地传承中国传统灯饰文化，研发集聚宫灯气质的新式生活产品。射艺文化研究小组通过新式弓箭与新射艺文化活动的研发，继承和发扬传统射艺文化中“君子修德”的文化精髓。
这三个研究小组在研究的后期都不约而同地想到了利用3D打印技术进行创作。簪钗文化研究小组利用3D打印技术创作出了蕴含现代元素的古典发簪，这些精美独特的发簪受到了同学们的喜爱，还吸引了教师和家长们。宫灯文化研究小组利用3D打印技术创作出了多款个性化宫灯，有按季节变换图案的四季宫灯，有一直旋转图案的走马灯……这些宫灯全部是由3D打印机制作的结构零部件组装拼接而成的，无需模具和后期加工处理，可直接使用，将以往复杂、多线程的宫灯制作流程大大简化了，并且作品也很精美。射藝文化研究小组利用3D打印技术制作了适合引入学校的安全弓箭，为了达到安全目标，学生们进行了三次改良。
综合实践活动课注重学生的探究过程，使学生在体验动手制作“产品”的过程中，提升创造力和综合运用跨学科知识解决问题的能力。而应用3D打印技术可以实现虚拟世界与实体世界的有机结合，使学生的创新能力和动手实践能力得到训练，将学生的创意、想象变为现实[4]，也使综合实践活动课程得到进一步优化。
三、鼓励参与竞赛活动，发展科学素养与团队协作能力 STEAM教育鼓励学生动手完成自己感兴趣的并且和自己生活相关的项目，在过程中学习多学科知识，并使跨学科的综合能力得到提升。除了课堂教学以外，学校还积极组织学生参加各级各类STEAM竞赛。与学科类竞赛的标准化考核相比，STEAM竞赛的最大特点就是“不确定性”，而3D打印技术由于使用工具少、建模快、组装式等特点在竞赛中得到了广泛应用。学生在竞赛活动中既熟练掌握了3D打印技术，又提升了科学素养。
学生参与积极性最高的是“北京市中小学生科技创客活动”，2018年参赛的团队取名为“我们开车不挂档”，由高一年级的6名学生组成。在参赛过程中，六名成员协调合作、并肩作战，发挥了无限的潜能与创造力。当团队独自设计的赛车构件及车壳利用3D打印技术得以呈现时，当经过集思广益完成一辆炫酷的MEV机动电能车的拼装时，队员们体验到了满满的成就感并更加自信。担任团队工程师的学生说道：“作为团队工程师，我在此次比赛中收获颇丰。现在我可以熟练地操作3D打印机，虽然在学习的过程中多次失败，但还是希望能达到打印成型的那一刻。通过这次比赛，我看到了未来科技的走向，也看到了我的问题和漏洞，所以我决定向老师学习各种新技术，完善漏洞，为团队再创辉煌。”
学生们通过参与STEAM竞赛，不但提升了动手实践、解决实际问题的能力，也培养了团队协作能力。比赛结束后，作为团队经理的学生感慨道：“从初冬时节的整装待发到十二月份载誉而归，在这一个月的时间里，我们收获了友情，见证了奇迹。我至今依旧清晰地记得在那间小小的科技教室里，大家没日没夜地摆弄着3D打印机和打印材料，耳畔响起的是大家热烈的讨论声。我能真实地看到大家在这辆小车上所倾注的心血。”
各级STEAM竞赛活动丰富了学生的学习生活，拓宽了学生的视野。尤其是对一些在以往学科学习中很少获奖的学生来说，在STEAM活动中体验到的愉悦，用3D打印出成果后的兴奋和满足，以及班级、学校、家庭和社会对他们创作成果的肯定与赞赏，极大地鼓舞了他们，激发了他们的自信心和探究能力[5]。这些竞赛活动进一步促进了学生像科学家一样思考，像工程师一样设计和实践，发展了独立思考和自主实践的能力，全面提升了科学素养和团队协作能力。
四、总结与反思
应用3D设计及3D打印技术，极大地拓宽了STEAM教育的思路。首先，学生在设计作品的时候，不再受标准化零件的限制，而是通过3D创意设计软件定制更加个性化的零件。其次，在3D设计过程中，只有充分运用多学科知识才能实现精准打印，正贴合了STEAM教育培养学生跨学科思维和实践能力的宗旨。同时，3D打印技术涉及的数理化知识不仅会使学生体会获取的兴趣、直接的触感，更会为学生增加学习的动力[6]。
通过几年的应用与实践探究，学生们认识到STEAM活动中所要求的创造、设计、建构、发现、合作都可以通过3D打印技术来呈现。3D打印技术可以把学生天马行空的创意打印出来，让学生的创新思维和创造力得到释放，真正做到让创意、设计、制作、展示融入教学，极大地激发了学生创意实践的积极性。以3D打印为载体进行STEAM教育，将科学、数学、技术、工程和艺术各个领域的知识很好地结合起来，对培养学生创新意识，提高学生解决实际问题的能力发挥着重要作用。
参考文献
[1]丁焱.中小学开设3D打印课程的意义[J].中国现代教育装备，2014（14）：84-85，88.
[2]吴积军.STEAM教育与综合实践活动课程[N].中国财经新闻网，2019-01-19.
[3][6]李剑鸣，周竞超.3D打印技术与学科融合中的应用与探索——以综合实践课《探秘青铜器》为例[J].课堂内外：教师版，2017（6）：76-77.
[4]蜂巢积木.3D打印在学校教育领域的运用[EB/OL].http：//baijiahao.baidu.com/s？id=1599429790617496491&wfr=spider&for=pc
[5]宋德智.STEAM教育對学生科学素养提升的调查报告[EB/OL].http：//ghb.xzedu.net.cn/27602/archives/407267.aspx
（责任编辑 郭向和）
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