基于STEAM的高职3D打印课程设计
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作者:程美
摘 要：3D打印是创客和创客教育不可缺少的“利器”，尽管很多高职院校都采购了3D打印设备，但是由于课程开发不成熟，效率并不高。文章提出了基于STEAM理念开发3D打印课程，构建3D打印创新教育培养的“4C”能力模型，认为STEAM融入3D打印教学具有创新、整合和实践三大价值取向，并开展了3D打印课程开发模式研究，开发了《3D打印创意与设计》课程，令学生在体验学习的过程中建构科学、技术、工程、艺术和数学等跨界知识以及创新意识和能力，对丰富高职创新创业教育理论具有一定的价值。
关键词：STEAM;3D打印;课程开发
中图分类号：G40-1;G40-057 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）08-0042-03
一、引言
3D打印（Three-Dimension Printing，3DP）作为第三次工业革命最具标志性的生产工具[1]，是一种增材制造技术，通过逐层叠加将三维模型转化为实物，从食品打印到生物打印，再到工业打印，越来越多地应用于各个领域，是创客教育的重要工具。
近年来，3D打印技术受到教育界的关注，学生用三维软件设计出3D模型，然后再3D打印出来，能有效提高学生跨界整合能力、创新意识和能力[2]。虽然当前很多高职院校都采购了3D打印设备，但是3D打印课程的开发未成体系，整合目标研究、整合内容选择、教学模式创新等都存在不足。本文提出将STEAM理念融入3D打印教学，创新3D打印课程开发。
二、3D打印创新教育目标分析
相关研究表明，到2030年机器人将取代全球8亿工作岗位[3]。然而，人工智能难以模拟思维、意识、情感、判断、交流、跨界推理、创新创造、艺术审美等能力。因此，教育亟需由简单的知识传递向多元化能力培养发展。
本文通过组建专家团队，运用德尔菲法开展高职3D打印教育目标研究，认为3D打印教育在发展批判性思维、团队协作、创新创造以及自我价值的实现等方面有重要作用，并构建了3D打印教育“4C”能力模型，即 Critical Thinking（批判性思维）、Communication（沟通能力）、Collaboration（协作能力）、Creativity（创新创造能力）。
1.批判
批判性思维能力是通过有效的推理与思考，运用系统化的思维，作出判断和决定以及解决问题等能力，主要采用分析、讨论、对比、描述、评估、解释和问题解决等方法培养提升。
2.沟通
沟通能力是使用语言或非语言，有效利用口头、书面等形式，使用各种手段、多种媒体、通信技术等清晰地传递思想、表达观点以及有效倾听对方深层意图，通常采用倾听、阅读、说、写等策略提升有效沟通。
3.协作
协作是与同伴合作完成任务，这个过程中需要共享知识，促进高阶认知，形成创新知识的能力。在协作过程中，应尊重差异，作出必要妥协，承担相应责任。促进协作能力提升的策略通常有头脑风暴、任务驱动、委派责任和团队建设等。
4.創造
创新创造能力是深度思考产生创意点子，形成创新方案勇于尝试的能力。促进创新创造能力发展主要有头脑风暴、设计、想象、即兴创作、提问和解决问题等方法。
三、STEAM融入3D打印教学的价值取向
Eisner认为教育价值分为技术取向、认知过程取向、学术理性取向、社会重建取向、个人适应取向和社会适应取向，为教育分析与体系建构提供了理论依据[4]。本文在此理论的基础上，运用调查法、专家咨询法等方法，对STEAM理念融入3D打印教育的价值取向进行了调查研究。研究认为，科学（Science）、数学（Mathematics）具有学术理性取向，技术（Technology）具有技术取向，艺术（Art）具有人文取向，工程（Engineering）具有认知过程取向，基于此综合分析认为主要具有创新、整合和实践三大价值取向。同时，研究还认为以往的3D打印技术教学，主要通过强调掌握结构和原理、能够操作训练，是解决“是什么”和“怎么做”的问题，而融入STEAM理念能够解决“为了什么”的问题。
1.创新价值取向
传统教学中，知识分块和封闭在一定程度上阻碍了学生综合能力的提升，导致学生综合能力不够，难以解决复杂问题。STEAM融合跨界知识，能促进学生综合素质提升，提高解决问题的能力，打通各领域知识和技能联结的脉络，帮助学生提升直觉、识别、想象与创造等能力，不断进行功能性反思，从而提升分析思维、审辨式思维与创造性思维的发展。
2.整合价值取向
“整合”和“制作”是STEM的重要哲学观点。“整合”是将五个领域关联融合，“制作”是将“行动”贯穿全过程。在内容上，STEAM通过实践项目，将碎片化知识与信息之间建立联系，突出综合运用。在方法上，以学生为中心，以项目驱动、问题导向、自主探究等方式开展，融合多种方法围绕具体项目展开教学，让学生明确“做什么”“用什么”“怎么做”“达到何种效果”，进一步推动学生走向深度学习。
3.实践价值取向
STEAM强调技术运用的社会动机，强调经验与知识源于探究活动，将“冰冷”的科技用于现实问题的解决，让技术“有温度”，因而将他们在课内外所学会的知识与真实世界相联系。
四、基于STEAM的《3D打印创意与设计》课程设计
STEAM强调跨界解决真实问题，关注培养综合素质。3D打印教学强调“做中学”，关注培养创新思维和创造能力。高职3D打印教学目前还处于初级阶段，迫切需要融入STEAM，加强跨界整合。图1为高职3D打印教学关联图，即以STEAM为支持、以3D打印教学为手段，突出跨界知识的运用，实现4C能力的提升，解决当前高职3D打印课程设计基础不足和融合不够等问题。在此基础上，研究提出课程设计框架和开发流程，并开展了《3D打印创意与设计》课程的设计与实践。 1.课程设计框架与流程
（1）课程设计框架
本研究提出了如图2所示的高职3D打印课程设计框架，一是以跨界知识为基础，选取真实生活问题设计学习主题，突出训练批判性思维能力;二是通过小组学习，突出协作能力培养;三是构建灵活多样的开放式学习空间，在连续不断的观察、研究、协作、分享等过程中提升创造能力;四是以学生自评、小组互评、作品展示、成果分享等多元化途径评价成果产出，注重综合能力的培养。
（2）课程开发流程
研究认为，融入STEAM的3D打印课程开发，是采用自上而下的开发方法，对传统3D打印技术课程的重构，如图3所示。在新的教学理念的指导下，围绕解决真实问题构建主题式结构，以跨界知识为内容，以实践探究与小组协作的课程活动贯穿始终，最终对开发的课程进行动态评价，实现“4C”能力目标。
2.《3D打印创意与设计》课程设计
（1）课程目标
从实际应用需求出发，以典型产品的快速开发为项目载体，开展逆向设计和3D打印的项目训练，让学生掌握逆向工程技术体系，具备工具应用、数据处理、模型重建和原型重构的技术能力，培养学生逆向思维和创新意识。基于STEAM教育理念，设计知识目标、能力目标和素质目标。
知识目标：掌握逆向工程技术、数据测量、3D打印等技术原理以及三坐标测量仪、3D打印机等设备构成和工作原理。
能力目标：能对逆向工程形成自我认知，使用设备采集三维数据，运用软件重构模型，用3D打印机制作原型件。
素质目标：有正确的工程价值取向，品位不低俗，具有环保节能意识、精益求精的精神、创新创造的意识以及团队协同、主动探究的意识。
（2）课程结构与学习内容
本课程以创新为驱动，以行动为导向，设计了表1所示的四个学习项目。四个项目相对独立，学习和任务工作流程是一致的，随着相关知识和技能的逐渐增多，任务难度也逐渐增大。
（3）学习活动
为提高学习效率，引导学生自主学习、自主探究，本课程采取线上线下混合式学习模式，设计了图4所示在线开放课，按照图5所示的“学—练—解—做—评—创”流程开展教学。
學微课：学生登录学习平台，自主学习微课，并进行在线测试，掌握相应知识和技能要点。
练软件：学生根据提供的点云数据、示范教学视频，开展Geomagic Studio软件学习，创建模型，完成后将模型截图上传共享。
解疑惑：分析学生在线学习数据，发现和预计学生存在的疑惑，在课堂上通过讲授、讨论等方式方法，为学生解决问题。
做任务：“清除”问题后，小组设计合理流程，分步实施，完成任务训练。
评效果：学生展示作品、分享经验，开展自评和互评以及教师评价。
创新品：学生在课内学习的基础上，自主获取信息，深入学习，追求精益求精，用点云数据创建新模型、打印新产品，提升技能和创新能力。这个阶段，实训室为“半开放”，即学生在课外的指定时间打印自己的新作品，并将相关资料和经验通过学习平台分享。
五、结论
基于STEAM理念开发的《3D打印创意与设计》课程，开展了3个学期的教学实践。结果表明，学生自己组队学习，通过组内设计、动手制作、组内沟通等方式来解决实践过程中遇到的各种问题，制作出自己认为好看且有用的作品。学生在“做”中主动完成了科学、技术、工程、艺术和数学等跨界知识的习得和内化，思维得以拓展，创新意识和能力提升明显。
参考文献：
[1]蒋建科，李秋荣，杭慧喆.3D打印第三次工业革命的重大标志[J].新湘评论，2013（6）：57-58.
[2]邱望洁，李昊阳.3D打印技术在教育行业的应用发展前景研究[J].中国教育信息化，2017（5）：11-14.
[3]麦肯锡预测2030年：全球8亿人被机器人取代[EB/OL].https：//new.qq.com/omn/20181218/20181218A06 TJB.html.
[4]李义茹，彭援援.STEAM课程的发展历程、价值取向与本土化建设[J].现代教育技术，2019，29（9）：115-120.
（编辑：李晓萍）
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