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3D打印与三维创意设计课程牵引下的中小学创新课程教育体系研究

本文由东城区教育研修学院高勇提供


2015年,“创客”、“互联网+”、“政府和社会资本合作模式”等新概念首次进入到我国政府工作报告中,引发了海内外的关注。“3D打印”、“三维设计”、“创客”、“创客空间”、“STEM”、“STEAM”等新词、热词,不断出现在社会的各个领域中。其中“3D打印”的概念,已经逐步上升到了一个国家层面,被我国领导人先后多次提到。与此同时,“3D打印”技术的应用对我国中小学教育的发展起到了非常积极的推动作用。


一、“3D打印”技术受到我国领导人的高度重视

2013年7月21日,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平在武汉东湖高新区进行考察,并对武汉光谷科技会展中心的光纤通讯、3D打印、生物质能源等创新成果展示,进行了详细观看。其中,就3D打印技术的研发和应用,对企业嘱咐道:这个技术很重要,要抓紧产业化。


2015年6月17日,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平来到位于贵阳清镇职教城的贵州省机械工业学校,了解贵州省职业教育发展情况。在一台3D打印机前,一名同学把校训“崇德尚能 励学敦行”打印在铝片上送给总书记,习近平微笑着说“共勉”。


2015年8月21日,李克强总理主持国务院专题讲座,卢秉恒院士国课开讲,讨论加快发展先进制造与3D打印等问题后,3D打印与传统制造业的融合成了全民谈论的热点。3D打印从小众逐渐向大众迈进,并且提升到了推动中国传统制造转型的高度上。


2015年10月19日,全国大众创业万众创新活动周启动。李克强总理出席启动仪式后来到主题展区考察,第一站来到西安铂力特激光成形技术有限公司的展位,一个被誉为金属3D打印专家的高科技企业。


2015年11月15日,由20个国家领导人组成的第十次峰会在土耳其如期举行。中国国家主席习近平在此次峰会上进行了《创新增长路径共享发展成果》的讲话,在讲话中习主席说:“新一轮科技和产业革命正在创造历史性机遇,催生互联网+、分享经济、3D打印、智能制造等新理念、新业态,其中蕴含着巨大商机,正在创造巨大需求,用新技术改造传统产业的潜力也是巨大的。”


二、中小学“3D打印”与“三维创意设计”课程发展现状分析

我国基础教育阶段对学生的培养目标是:培养出全面而富有个性发展的人。从技术的角度来分析,在我国基础教育阶段最需要提升的是学生规范的设计能力和设计思想。技术教育要在充分保证学生安全的情况下进行,要教会学生规范的理解技术,使用技术。


现代化技术加工手段的应用是培养学生技术能力的最有效解决措施。学生创新能力培养的核心是要教会学生运用科学的方法去思考、去创新。中小学的技术教育要跟上时代发展的步伐,就要让学生认识、了解和应用先进的加工技术。


纵观上述观点,通过研究发现在当前基础教育阶段对学生创新能力培养方面最有效的解决措施,就是要首先教会学生应用“3D打印与三维设计技术”。


(一)“3D打印”与“3D打印课程”

3D打印:三维打印(英语:3D printing),即快速成形技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状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。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造。


3D打印课程:以3D打印技术或3D打印机应用为主的课程。目前根据对3D打印概念不同角度的理解,此类课程在义务教育阶段主要以三种形式进行呈现。


第一,以3D打印机硬件探究为基础的课程。课程让学生近距离地了解、学习、组装、设计3D打印机。


第二,以3D模型打印为基础的课程。学生在初步学习3D打印技术后,利用网络对感兴趣的或有需求的模型进行检索,进而在模型下载后应用3D打印机最终将模型实体化,并进行表面渲染的学习过程。


第三,以“傻瓜型”三维设计软件为基础的课程。学生利用不同类型的“傻瓜型”三维设计软件,快速搭建某种类型的简易模型,最终利用3D打印机将设计实体化的过程。


(二)“三维设计”与“三维创意设计课程”

三维设计:是通过计算机辅助设计(CAD)或计算机动画建模软件建立立体的、有光的、有色的生动画面,虚拟逼真地表达大脑中的产品设计效果。它是建立在平面和二维设计的基础上,让设计目标更立体化,更形象化的一种新兴设计方法。


三维创意设计课程:以三维设计软件和3D打印机应用为主的课程。此类课程在义务教育阶段主要以两种形式进行呈现。


第一,以专业三维设计软件的学习为基础的课程。学生在学习应用专业三维设计软件的过程中,根据不同开放性的设计要求自主进行探究式设计并应用3D打印机将设计模型实体化的学习过程。


第二,以简易三维设计软件的学习为基础的课程。学生在完成某项任务或项目中学会并应用简易三维设计软件的某项或某几项功能完成作品设计,并通过3D打印机将设计实体化的学习过程。


三、中小学“3D打印”与“三维创意设计”课程校内开设方式研究

小学阶段,受学生视力发育的影响,一般在三年级以后才开始有信息技术课的学习。因此学校主要在四年级以后,以兴趣班或社团的形式为有兴趣的学生开设“3D打印”与“三维创意设计”课程。


初中阶段,受学习压力的影响,“3D打印”与“三维创意设计”课程主要在初一或初二年级进行开设。此时学生处于一个生理和心理的过渡区,管理难度较大。因此,学校会依据校内学生的实际特点对学习对象和学习方式进行适当的调整。有的利用信息技术课为全体学生讲解三维设计软件的应用技巧和3D打印机的使用技巧;有的则以社团或课外小组活动的形式组织学生从兴趣出发学习三维设计与3D打印技术。


高中阶段,由于学生学习压力比较大,“3D打印”与“三维创意设计”课程主要安排在高一年级进行开设。由于其学习内容强调动手操作,因此学校主要利用高中通用技术课程或信息技术课程的课时,以1-2个较复杂的设计案例为基础教会学生应用三维设计软件的基本使用技巧和3D打印机的基本使用方法。除此以外,也可从学生兴趣出发组织了专门的社团进行学习。


四、中小学“3D打印”与“三维创意设计”课程实施比较研究

“3D打印”课程主要是以硬件理解和使用为核心的课程;“三维创意设计”课程主要是以软件学习、创意思维训练为核心的课程。两类课程各有侧重,均能够从不同侧面满足不同学生的学习需求。


根据不同年龄段及不同学习目标学生的学习特征和认知结构进行分析,“3D打印”课程更适用于低年龄段或者入门的学生进行学习;“三维创意设计”课程更适用于有一定学科(数学、物理、化学等)基础知识或者有一定职业理想的学生进行学习。


根据课程对教师能力的需求及对学习时间的要求分析,“3D打印”课程更适用于在校外的创新实践活动中进行开展;“三维创意设计”课程更适用于在校内进行系统性的课堂情景教学。


根据课程对软、硬件设备需求数量及学生相对操作空间面积的不同需求分析,“3D打印”课程更适用于在3D打印机数量较多,学生相对操作空间较大的环境内开展;“三维创意设计”课程更适用于在计算机数量较多,3D打印机数量相对较少且学生相对操作空间较小的环境内开展。


五、中小学“3D打印”与“三维创意设计”课程实践发展研究

(一)学具教具方面对学生学习基础学科的支撑

“3D打印”与“三维创意设计”课程与中小学具体学科教学最恰当的结合点在于学具或教具的制作与研发。在语文学科中,可以让学生不用跋山涉水就能感受到“赵州桥”结构设计的精妙;不用身临其境就能理解人民大会堂的结构和功能。在数学学科中,可以帮助学生轻松认识到几何体之间的相互关系;毫不费力的理解圆柱体拦腰斜切一刀后得到的几何图形。在英语学科,可以让学生迅速的建立对某种陌生物品的感性认识,从而加深对单词的记忆。在物理学科,电子元件模型的打印与应用能够帮助学生更好的理解抽象的电路图原理。在化学学科,原子体积的等比例放大,分子结构模型的搭建帮助学生从宏观模型认识到了微观的知识。在地理学科,仿真的星球位置关系模型很好的为学生诠释了日食、月食和节气的概念。在生物学科,动物内脏的拼装模型加强了学生对器官结构和位置的理解。除此以外,无论是授课教师还是学生都能够根据自己的实际需求利用三维设计软件开发出最适合自己的学具或教具。


(二)玩具生活方面对学生情商的培养

“爱玩”是基础教育阶段绝大多数学生的特性。如何做到有知识的“玩”?如何做到有内涵的“玩”?如何做到有水平的“玩”?如何做到有创意的“玩”?如何做到有文化的“玩”?如何做到有益于他人的“玩”?这些其实都可以通过“3D打印”或“三维创意设计”课程的开设对学生进行积极的正面的引导。例如,学生喜欢玩“悠悠球”,我们可以引导他们自己进行设计,而不是到市场上去比价格、比品牌;学生喜欢玩四旋翼飞行器,我们可以鼓励他们买来电子元件,利用三维设计软件自主进行设计;学生需要养成理财和节俭的习惯,我们可以发动他们自己来设计一个精巧的存钱罐;学生需要体验对学校的热爱,我们可以组织一次设计校徽或班徽的活动,从中让他们来感受自己主人翁的意识;学生需要亲近、热爱大自然,我们可以调动他们用三维设计软件来设计一个花盆,并种上一颗希望的种子;学生需要关心父母,我们可以组织他们为父母设计一款爱心小礼物;学生需要交流,我们可以组织他们展开一场名片设计大赛;总之,原来觉得只能停留在想象当中的事物,通过“3D打印”与“三维创意设计”课程都变成了现实。


(三)技术规范性方面对学生行为习惯的塑造

三维设计软件与3D打印机的学习与应用,能够保障学生在安全的实践操作环境下,最大限度的保证设计产品的规范性。在工业设计领域,出现1mm的误差,就有可能会造成重大的设计失误。在基础教育阶段,我们一方面不希望把学生培养成技术工人,另一方面也不愿看到学生设计制作的产品外观粗糙,结构松散,不具备实用性,也不能进行产品测试。三维设计与3D打印等先进技术手段的应用,在实践中教会学生严谨,教会学生思考,教会学生专注,教会学生反复验证,教会学生逻辑思考!


六、中小学“创新课程”教育体系建立和发展研究

    “3D打印”与“三维创意设计”课程的有效实施,极大的促进了学生与教师对“创新”的渴望。美国的“STEM”或“STEAM”课程能否取代传统的基础教育模式?“创客教育”是否适用我们中国学生与教师的需要?“创新课程”能否帮助学生适用未来社会的发展?为了弄清上述问题的结论,我们进行了深入的研究。


(一)基本概念的研究

1、K-12教育:是美国学者描述大学前各个学段的一个统称。“K”代表幼儿园(Kindergarten)。12表示从1到12年级。在我国大学前有学前教育(约3至4年),小学教育(约5至6年),初中教育(约3至4年),高中教育(约3年)或职业教育(约3年)。


2、STEM教育:源自美国。在上世纪80年代,美国认识到科技教育的滑坡将造成人才严重短缺,于是提出了科学、技术、工程和数学学科集成的战略思路,目的在于大力培养训练有素的数学家、科学家、工程师、技术人员和具备科学素养的美国公民。于是,STEM教育就成了科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)的简称。


3、STEM或者STEAM课程:在中国逐渐升温是最近几年才出现的事情。其实在国内也有数学、科学、工程和技术教育,我们一般称其为“理工科教育”。理工科教育的研究与培养主要集中在我国的高等教育阶段。在小学阶段我们主要进行的是数学和科学的教育。在中学阶段我们主要进行的是数学、物理、化学和生物等部分理科的教育,在高一年级出现了侧重工科的通用技术学科教育,但目前此类课程在全国开设的现状还不容乐观。通过分析我们可以发现,在基础教育阶段我们提供给学生工科教育的学习内容确实相对较少,并且缺乏从小学到高中的系统性培养。


STEM领域建立在与其他学科融合的基础上。STEM的教育宗旨是“以设计和探索为目的,并对技术问题解决进行科学的探索”。其课程目标中包含了科学素养、技术素养、工程素养和数学素养等方面。STEM课堂上,围绕一个真实问题,学生在教师的带领下,参与到小组中开展研究,期间有可能通过面对面或者网络的方式与学习伙伴开展交流。在学习与研究的过程中,学生应使用技术搜集、分析数据,设计、测试和改进一个解决方案,并与同伴交流研究成果。


(1)科学和数学(Science、Mathematics)

科学和数学是STEM的组成部分,它们是在K-12教育中历史最长的两门课。两门课都有标准、课程、评估、大量的教科书和其他的教学材料。己经建立了教师教育和专业发展的课程。每个学生都需要在高中毕业的时候能够在科学和数学中至少达到熟练的程度。科学和数学的成功与否关系到国家的成功。因此美国学生在国家评估和国际竞赛研究比如TIMSS中的稍微逊色的表现,使得人们不断呼吁加强数学和科学教学。


科学素养:是一种运用科学知识和过程如物理、化学、生物科学和地球空间科学理解自然界并参与影响自然界的有关决策,主要包括三大领域生命与卫生科学、地球与环境科学和技术科学。


数学素养:指学生在发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题时进行分析、推断和有效交流思想的能力。


(2)技术教育(Technology)

虽然技术教育扎根于手工业艺术,在过去年里,它己经延伸开来,在最一般意义上强调对技术的理解。在今天技术教育是对人造世界的研究,包括工艺品、流程以及其基本原理和概念,其总体目标是使学生能够有效参与现在技术型社会。


技术素养:是指使用、管理、理解与评价技术的能力。学生应当知道如何使用技术,了解技术的发展过程,具备分析新技术如何影响自己、国家乃至整个世界的能力。技术是对自然环境的革新与改造以满足人们的现实需要。


(3)工程教育(Engineering)

工程教育在内容、关注点和实施要求上非常宽泛。其目的从鼓励学生追求工程领域的职业到增加技术素养和提高学生科学和数学成绩。工程教育没有任何的标准,在美国也没有州级和国家水平的考试和评估,政策制定者几乎对工程教育没有任何的关注。事实上,工程可能应该叫做中缺失的字母。


工程素养:是指对技术的工程设计与开发过程的理解。工程课程是基于项目,整合了多门学科的知识,使得难以理解的概念与学生生活密切相关,激发学生解决问题的兴趣。工程设计是把科学与数学原理系统地、创造性地用于实践的结果。


(4)艺术教育(Arts)

艺术教育狭义上指美术、音乐等学科;广义上则包括美术、音乐、人文、社会、语言、形体艺术等。


艺术素养:是指一个人对艺术的认知和修养,是一种独立的人格和自由思想。


4、创客:一词来源于英文单词“Maker”或“Hacker”,是指出于兴趣、爱好,乐于动手实践和分享,努力把各种创意转变为现实的人。


“创”的含义是:开始做,创造,首创,开创,创立。它体现了一种积极向上的生活态度,同时有一种通过行动和实践去发现问题和需求,并努力找到解决方案的含义在里面;


“客”则有客观、客人、做客的意思。客观,体现的是一种理性思维。客人、做客则体现了人与人之间的一种良性互动关系,有一种开放与包容的精神在里面,而开放与包容体现在行动上就是乐于分享。


5、创客教育:创客教育最终目的是培养学生的开创性个性。创客教育的理论基础建立在体验教育(Experiential Education)、项目教学法(Project-Based Learning)、创新教育、DIY(Do It Yourself)、DIT(Do It Together)等理念之上。同时创客教育注重教育体验的整体性,学习过程本身代替学习成果成为最重要的部分。


创客教育主要以学生的自主探究和动手制造为主体,它建立于杜威的进步主义和Logo语言发明者——西蒙ž帕伯特(Seymour Papert)教授提出的建造主义,强调学生在学习过程中利用知识建造外在的、具体的、可分享的人工制品和建立人际关系。在学科整合途径上,可以借鉴整合性STEM教育方法,即在研究各学科特点的基础上探求以工程技术教育为核心、整合数学和科学的教学方法,也就是利用技术/工程教育的思想和模式有意图地整合科学/数学教育的内容和过程,采用技术/工程教育常用的基于设计的学习(Design-based Learning)方法,让学生在面向真实问题解决的项目探究学习过程中,综合运用技术素养、工程/技术的设计过程、科学素养、科学探究和科学/数学以及其他相关概念来设计和制作人工制品,从而达到培养学生STEM素养、创新意识和实践能力的目的。


(二)中小学实施“创新课程”可行性研究

1、“创新课程”在我国中小学实施的必然性分析

基于对上述基本概念的研究,我们发现STEM或STEAM教育更强调学生在学习过程中的跨学科性和综合性;创客教育更加注重项目教学法的应用,更加注重技术与工程的设计过程。可以说创客教育是STEM或STEAM教育的更深入体现形式,是我们发展学生实践能力与创新能力的一种良好方式。


但从我国基础教育的整体发展脉络体系进行分析,上述两种培养模式从短期来看都有其发展的弊端。


首先,无论是国外还是国内,STEM型教师(具备跨学科知识与能力素养的教师)的培养是一个非常困难的问题,教师数量与水平的严重不足会导致STEM教育最终陷入困境。


其次,创客教育强调项目教学法的应用,基于项目的教学法势必会打破知识的系统性,使学生在知识学习的过程中,出现不连续的或重复的学习。最终导致学生的知识体系出现断层,及学习时间不能得到高效的利用。


我国的基础教育在世界范围内均处于领先地位,世界各国均在学习和效仿我国基础教育体系的发展。基础教育阶段以学科为背景的主体教育体制不容动摇。从STEM或STEAM的角度出发进行分析,我国基础教育阶段在数学、科学、及广义的艺术领域方面的发展均处于世界领先的地位。我们在技术和工程方面对于学生的培养还显得略有不足。因此,在基础教育阶段,我们可以尝试根据不同学段学生的特点和实际需求,从学科角度与创客教育的角度出发,研发出一些可行性的“创新课程”不断弥补原有基础教育的不足。


2、“创新课程”的核心概念

创新,是以现有的思维模式提出有别于常规或常人思路的见解为导向,利用现有的知识和物质,在特定的环境中,本着理想化需要或为满足社会需求,而改进或创造新的事物、方法、元素、路径、环境,并能获得一定有益效果的行为。“创新课程”中“创新”是一个综合性的概念,创新是主体调动求新意识,积极探索,通过创造性行为,创造出对人类社会进步有价值的或全新的物质和精神产品的过程。


课程,是指学校学生所应学习的学科总和及其进程与安排。广义的课程是指学校为实现培养目标而选择的教育内容及其进程的总和,它包括学校教师所教授的各门学科和有目的、有计划的教育活动。狭义的课程是指某一门学科。“创新课程”中的“课程”往往是多学科知识综合应用的体现,属于课程定义中的广义课程。


“创新课程”我们可以理解为:在基础教育阶段,以培养创新人才为目标,在培养学生创新思维与创新能力的过程中,采用新方法、新技术、新材料,应用多种手段、多种途径、综合多学科知识与技能的新型课程。创新课程旨在充分调动学生探究能力、创造欲望的前提下,以培养和提高学生创造潜能和人文素养为主的综合性课程。


3、“创新课程”提升学生“创新思维”与“创新能力”的可行性研究

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大脑分为“左半球”和“右半球”,左脑主管语言,也就是用语言来处理信息,把进入脑内看到、听到、触到、嗅到及品尝到的信息转换成语言来传达,相当费时。左脑主要控制着知识、判断、思考等,它和显意识有密切的关系。


右脑的五感包藏在右脑底部,可称为“本能的五感”,控制着自律神经与宇宙波动共振等,它和潜意识有关。右脑将收到的信息以图像处理,瞬间即可处理完毕,因此能够把大量的信息一并处理心算、速读等即为右脑处理信息的表现方式。如果让右脑大量记忆,右脑会对这些信息自动加工处理,并衍生出创造性的信息。也就是说,右脑具有自主性,能够发挥独自的想象力、思考力,把创意图像化。


日本学者七田真研究发现,人在诞生之初,右脑的能力还很发达,右脑具备了超越常识那种几乎可称为全然未知的天才似的能力。但是因为人类世界是以教导、开启左脑为主,让小孩子努力学习语言以及往后生存所必需的知识,久而久之,左脑越来越发达,右脑却因为少用而日形退化。这也是目前在我国基础教育阶段中常见到“越小的孩子想象力越丰富,越大的孩子思想越禁锢,越缺乏想象力与创新能力。”的根本原因了。


在许多脑科学研究证明中,对学生进行“创新思维”与“创新能力”训练,将会对开发人的右脑有非常大的作用。右脑的信息处理能力如果被开发出来,那么人的创新发展将会产生一个大的飞跃。因此,在我国要提升中小学生的“创新思维”与“创新能力”,最有效的解决措施就是有针对性的研发一系列的“创新课程”。


“创新课程”的研发必须要从两个方面进行努力,一方面是侧重研究创新思维,目的在于帮助学生学会科学的进行创新思考;另一方面是侧重研究创新能力, 目的在于帮助学生学会创造所需要的各项能力。


4、“创新课程”的研发策略

“创新课程”的研发离我们究竟有多远?一所学校,一名普通教师又该如何进行“创新课程”的研发呢?其实“创新课程”的研发就在我们身边,我们每一名中小学的教育工作者都有能力进行研发。在对现有“创新课程”相关资料的了解后,我们总结出了一些基本的研发策略供大家参考。


(1)国家课程的二度开发。由于学校或教师个人的特质差异和学生的需求差异,我们对国家课程的理解和研究专长也有所不同。我们可以利用自身的优势资源对国家课程进行相对应的充实与补充,通过有针对性探究活动的设计,丰富学生的学习过程,把课本当中的封闭型知识转化为开发性问题。随着日积月累的和集思广益的多种课程形式的积累,最终形成富有个性的校本或地方性特色“创新课程”。


(2)注重学习者的实际需求有针对性进行研发课程。课程的研发不能盲目进行,研发出的内容要让学习者感兴趣。一方面我们可以提供给学习者一些课程的菜单,另一方面我们可以广泛征集学习者的学习愿望,结合学校自身特色和能力,有选择性的研发“创新课程”。


(3)紧跟时代发展步伐,抓住世界发展中的热点问题进行课程研发。教育要跟上时代发展的脚步,仅仅依靠国家课程是非常困难的。我们要善于捕获社会发展中的热点信息,以专题的形式组织人员进行专业进修。再结合自身特点和学习者特点,降低难度进行“创新课程”研发。


(4)专家引领与科研课题结合进行课程研发。在专业技术能力不足的时候,我们还可以聘请相关方面的专家与学校教师一同进行专项课程研发的课题研究。用科研方法去研发“创新课程”。


5、“创新课程”应利用“STEAM”与“创客教育”的核心思想对学生进行有效性评价

“创新课程”与以往“学科课程”的最本质区别在于:学科课程更多的强调求同思维,学生们最终得出的结论往往是趋同的;“创新课程”倡导求异思维,强调学生最终作品的个性化。


评价是每一门课程未来发展方向的重要引导性指标。在求异思维的引领下,利用“STEAM”多元化、跨学科化的特性对学生的作品进行评价,将有助于提升学生的全面的发展。将创客教育思想融入到“创新课程”的评价体系中,将有助于激发学生从各个学科角度有个性的去创新。“STEAM”与“创客教育”的核心思想的融合将有助于我们利用“创新课程”培养出全面而富有个性发展的人才。


七、中小学“创新课程”的发展展望

中小学“创新课程”研发与发展,将是未来中国“创客教育”领域中的一个不可或缺的重要组成部分。它实践着将教育目标从知识与能力的培养,逐步转向为对学生价值观的培养;实践着将教育内容以课程本位的思想逐步转向为学生本位的思想;实践着将教育方式从全民教育逐步转向为全民学习的方式。这些转变将促使我们传统的学校教学模式发生更本性的变革,学生想学什么内容,未来我们就要提供什么样的课程;学生想怎样学,未来我们就要提供怎样的学习方式。学生将从教育的消费者变为教育的创造者;从教育的被评价者转变成为教育真正的主人!


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  • 更新时间:2019-05-09
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