STEM教育理念下的“三维创意设计”课程教学案例
【教师简介】李雯，中国人民大学附属中学朝阳学校科技中心副主任，中学一级教师。曾荣获北京市基础教育优秀课堂教学设计评选一等奖，北京市中小学第一届“京教杯”青年教师教学基本功展示活动一等奖等荣誉。指导学生参加全国创新思维竞赛和创意工程挑战赛，多次获得全国一等奖。
STEM教育是美国应对21世纪国际人才竞争的一项国家教育战略，近年来已成为国际教育界的热点研究问题。STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加，而是强调多学科的交叉融合，以更好地培养学生的创新精神与实践能力。本文基于“三维创意设计”校本课程中一个项目课例，总结将STEM教育理念融入课堂的教学实践。
一、课例设计依据
在基础教育领域，以培养创新人才为目标，采用多种手段、多种途径、综合多学科知识与技能的创新课程成为培养学生创新精神和实践能力的主要手段。3D打印和三维创意设计的相关课程已成为此类创新课程的典型代表。基于STEM的教育理念，“三维创意设计”课程将多学科的基础知识整合在若干教学项目中，在课堂中进行系统的情境教学。在对三维设计和3D打印等先进技术手段的应用过程中，有助于学生学会设计、学会思考，形成良好的思维习惯和行为习惯。
二、课例特色
课程中师生首先共同梳理一个充满人文关怀的视频案例，了解工程设计的主要环节。在此基础上，教师创设问题情境，以“修复玩具蜘蛛”为任务进行分析讨论，贴近生活实际，将数学、技术和工程有机的交叉融合，使学生在实践体验中学习应用多学科知识应对现实问题。充分利用三维设计软件、3D打印技术，将设计构思转化为模型，并进一步制作为实物，提升学生在图样表达和物化能力方面的技术核心素养。
三、课例内容呈现
1、教学目标
知识与技能：了解工程设计过程及其各个环节，知道设计是动态而有章可循的。理解设计过程需要不断优化。
过程与方法：经历设计的一般过程，初步学会有计划、有步骤、科学地开展设计活动的方法。在思考、讨论和合作实践中，培养技术实践、表达、交流、评价的能力和协作意识。
情感态度与价值观：初步形成和保持对技术问题的敏感性和探究欲望，感受技术问题解决过程的艰辛与曲折。
2、教学过程
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图 1 教学流程示意
(一) 引入环节
教师首先介绍3D打印的应用和研究前沿，并提出“也许你认为这些高大上的技术还只是科学家和工程师的事。3D打印技术给我们每个人的生活带来了什么呢？”提出问题，引发学生思考。
(二) 创设情境环节
教师播放一段视频“父亲为先天残疾的儿子制作3D打印的义肢”，引导学生进行案例分析，梳理这位父亲设计制作的全过程，并将主要环节书写在黑板上。
设计意图：视频中深厚的父爱能够打动学生，激发学生兴趣。在教学设计上摆脱了传统的“教师讲、学生听”的模式，采用引导-分析-探究的形式，师生共同梳理视频内容，自然得出工程设计过程的主要环节，易于学生接受和理解，符合STEM教育的情境性特征。
(三) 发现与明确问题环节
教师分享一次自己遵循工程设计过程修理玩具表针的经历，并提出“你是不是也想利用你的智慧和能力来帮助身边有需要的人呢？”。教师引导学生观察桌上玩具“蜘蛛”的爬行状况，发现它也饱受身体残缺的痛苦，从而引入本节课的任务内容——学习制作义肢的方法修理玩具爬虫。
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图 2发现与明确问题——修复“蜘蛛”
设计意图：本课在创设情境时选择了一个与生活息息相关的实际问题，在充分考虑知识点的同时，还力求体现跨学科知识的交叉融合，在解决问题的过程中引导学生综合运用多学科的知识，与STEM教育的跨学科性相一致。
(四) 方案的制定环节
在发现问题后，学生拆下其他完整的腿部零件，将片状的零件轮廓描在纸上，再对轮廓进行分析。为了便于尺寸的测量计算，教师首先指导学生建立坐标系，共同测量一些简单尺寸，并明确其中最难确定的是外轮廓圆弧半径。经过小组讨论，学生共得出了三种测量和计算半径的方法。
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图 3分析零件轮廓尺寸
设计意图：求解圆弧半径的过程是应用数学知识解决实际问题的过程，是多学科知识融合的交叉点与整合点，是触发学生学习与探究的触发器。三种确定圆弧半径的方法从理论上都是正确的，但测量精度却不尽相同。学生能够根据自身的实践感受找出误差更小的测量计算方法，对所学数学知识也有了更为深刻的理解,从掌握单纯的知识点转变为掌握解决问题的方法。
在测量的基础上教师提出关于孔轴尺寸配合、加工精度、结构强度的问题。
设计意图：这是解决工程设计方面的问题。教师预判了学生在实践过程中可能出现的情况，让学生带着问题去实践。学生在动手实践中自主探究得出的结论会比教师直接给出的更令学生印象深刻。
(五) 设计图样的绘制环节
学生使用三维设计软件绘制零件模型，熟悉用计算机辅助制图表达设计构思的方法。教师巡视指导，帮助学生分析遇到的问题，通过正确的方法、严谨的过程和合理的引导帮助学生建立实现技术、解决问题的信心。
(六) 模型的制作环节
教师指导学生将绘制完成的造型导入3D打印机的切片软件中，设置打印参数，制作零件实物。学生学习3D打印机的使用，了解3D打印加工工艺。
学生首次打印出的零件并不成功，教师引导学生分析原因，师生共同处理了两个生成性问题：
第一，零件变形问题。教师引导学生观察打印机的工作过程，逐步分析得出由于打印零件的横截面过小，下一层打印材料还没有充分冷却，新一层材料就堆积上去而造成变形。由此学生认识到自动打印布局是不可行的，并提出将两个零件置于打印平台两端，尽可能增加零件间距离以延长堆积两层材料间的时间间隔，有效改善了这一问题。
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图 4 打印零件变形问题及解决方案
第二，打印零件强度较差。学生提出了增大零件间的孔轴尺寸以增强零件强度的方法。通过对零件尺寸进行重新设计，打印出的零件强度明显增加，且可以实现良好的尺寸配合，使爬虫恢复正常行走。
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图 5 增强零件强度的学生设计作品
设计意图：在三维建模并打印成型的过程中，教师对生成的问题及时进行指导，和学生共同优化设计方案，完善设计作品。学生经历亲身实践，会对教师在方案制定阶段提出关于3D打印加工精度和零件配合的问题有更加深入的理解。这样经历观察、探索、实践得到的经验会给学生留下更为深刻的印象，符合STEM教育的体验性特征。
(七) 作品测试环节
零件打印完成后，学生组装并测试爬行情况，对有问题的零件进行修理调整，体会设计过程是需要不断优化的。
(八) 展示交流与评价环节
本课的评价方式是学生自评、互评与教师评价相结合。为了更好地达到教学目标，教师制作了自评和互评量表。评价过程强调多元评价主体、面向学习过程的评价。
(九) 归纳总结环节
项目结束后，通过总结深化工程设计过程对解决实际问题的指导作用，也梳理多学科知识在解决实际问题过程中发挥的作用，促进学习者将零散的知识系统化。
在此基础上，如果我们对蜘蛛爬行运动的生物学知识有更加深入的研究，并将智能控制技术加入其中，这只蜘蛛将完成超乎想象的任务。教师播放一段智能蜘蛛随音乐跳舞的视频，拓展学生视野，进一步激发学生探索创新的愿望。
四、实践反思
本课立足于通过项目实践培养学生在图样表达和物化能力方面的技术核心素养，体现了STEM教育的跨学科性、体验性和情境性的核心特征。在STEM教育理念的指引下，教师合理选择教学内容，恰当梳理与其他学科的交叉融合。项目的问题一方面基于真实的生活情景，另一方面又蕴含着要教授的结构性知识。通过工程实践实现情境性问题的解决，让学生体验真实的生活，获得社会性成长。
五、教学点评
本课中，学生发现问题，提出方案，利用数学知识进行测量，运用三维设计软件实现设计图的表达，使用3D打印技术完成制作，通过解决打印中的问题，分析部件损坏原因并加强易损部件，进一步优化结构，体现对学生创新精神的培养，也体现了对学科核心素养的培养，充分践行了STEM的教育理念。
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