基于学科核心素养下科学教学融入3D打印技术的研究

基于学科核心素养下科学教学融入3D打印技术的研究

周军    ,张政

重庆市巴南区鱼洞第二小学校 401320

[摘要]：最近几年，3D打印技术广受欢迎，已逐步与小学教育相互融合，被广泛应用在小学阶段的科学教学过程中。“双减”背景下科学教学中融入3D打印技术，为小学科学的教学选择了一条新的路径。本文立足于“双减”背景，立足于STEAM理念，针对3D打印技术与小学科学教学中的具体实践，阐述了3D打印技术助力小学科学的实践意义，结合案例提出了STEAM理念下3D打印技术融入小学科学教学的几点有效的策略。

[关键词]：双减；小学科学；3D打印技术；教学策略；实践

2022年4月颁布的《义务教育科学课程标准》指出，科学要“立足学生核心素养的发展，依据核心素养的内涵及学段特征，体现课程性质，反映课程理念。”[1]受“双减”大环境和受STEAM教育理念影响，小学科学教学时应展开跨学科综合性教育，以便促进学生全面成长。于是，在“双减”背景下，我把STEAM教学结合3D打印技术，在科学学科教学中培养学生科学核心素养方面我不断地尝试着、实践着。

一、3D打印技术助力小学科学STEAM教学实践的意义

（一）促进小学科学及STEAM教育融合

现在的科学教学，根据《科学课程标准》，要求在教学时加强学生的科学实践，利用科学探究，注重跨学科融合学习。要达到这些目标，现行科学教材中技术与工程部分内容，3D打印技术具有较大的优势，能够深度融合小学科学部分内容，体现STEAM教育理念。学生在实际操作中，在设计模型，控制模型的比例时，都可以使用到3D打印技术。此项技术可以和STEAM教育中的科学、工程、数学等素养融合，使用3D建模软件展示效果，展示学生在STEAM理念中的融合效果。学生在利用软件创建模型后，进一步进行修剪、艺术加工，与STEAM理念融合，形成良好的艺术修养。

学生在学习时，以项目为核心导向，重视指导学生发现问题以及解决问题，STEAM教学绝非简单叠加数学、艺术、工程、科学及技术等，而是整合相关资源，突破学科界限，弥补传统教育模式缺陷。STEAM教学通过任务驱动，加强学生的小组合作学习，特别是利用好学生的跨学科学习能力，培养学生的综合创新能力，并将其所形成的能力应用在小学科学学习中。

（二）3D打印技术可创新直观化科学教具

不管是2017版还是2022版《小学科学课程标准》，都把技术与工程领域的内容纳入科学教材体系中。随着STEAM教育在学校中的开展，现代思维型课堂只通过视频、图片等形式来展示相关知识，难以真正实现思维型课堂的目的。自从3D打印技术出现后，人们把它与我们的教学相联系，更在制作小学科学教具时使用这项技术，这是因为3D打印技术可以营造良好的三维学习环境。

比如，我们在教学《昼夜交替现象》和《四季变化的成因》时，教师通过三维软件工具按一定比例制作地球、月亮、太阳的模型，然后用打印机打印出来，组成相关教具模型，教学时进行有效的讲解。学生在这样的三维学习环境中，直观观察，思维得到训练，还能让学生了解具体的科学知识，同时降低学生学习的困难指数。

（三）3D打印技术易于培养学生空间想象及创新思维

基于STEAM理念下的小学科学教学，通过使用3D打印技术，能够进一步锻炼学生创造力以及想象力。在模型设计这一环节，学生的创造力和空间想象力，在不断发展以及提高[2]。学生使用3D打印技术，能够不断的发展自身工程思维以及技术能力，这对培养新时期的小学创新型人才非常关键，还可以促使学生在学习时养成创新意识，并提高动手能力。

比如，我们在教学教科版五下第二单元第六课《设计我们的小船》和第七课《制作与测试我们的小船》两课时，教师先让学生模拟担任“小小造船工程师”。通过让学生经历“船方面的知识——学生进行设计——画设计图”的过程。学生像工程师那样设计好图纸后，利用3Done软件画出船的模型，经过仔细分析船的结构，确定无误后，利用3D打印机打印出作品来。学生设计制作小船的过程，就是学生利用STEAM理念进行教学的过程，就是让学生像工程师那样探究的过程，是让学生经历完整的工程设计并制作的过程，在这个过程中培养了学生的工程思维，同时培养了学生解决问题的能力。

二、基于学科核心素养下科学教学融入3D打印技术的研究策略

为了能够保障STEAM理念下的3D技术，能够真正和小学科学教学实践相融合，这就需要教师改革传统的教学思路，在科学技术工程领域，注重展现3D打印技术的价值和优势，全面调动学生的学习积极性和主动性。

自从学校配置3D打印机后，主动学习3D打印技术，认真钻研3D软件，结合科学教材，认真实践着。下面，我结合六年级“桥的形状和结构”这一课，阐述在小学科学STEAM课程中与3D打印技术相融合的策略。

（一）学习软件，练习操作

在STEAM教育理念指导下，“S”对应“科学”，利用科学中学习力学原理，了解材料的形状与抗弯曲能力的关系。“T”对应“技术”，要求学生能够通过计算机进行操作，使用3D打印技术进行简单的动手操作。“E”对应“工程”，学生像工程师那样进行设计，绘制各种各样的桥，利用3D one软件建模。“A”对应“艺术”，需要学生利用艺术性特点，针对制作的桥模型进行艺术加工。“M”对应“数学”，要求学生结合学习目标，合理设置桥的尺寸，教师为学生准备3D One网络教学视频，向学生讲解基本的3D One软件操作技巧，指导学生尝试把平面图案变成立体图案模型，绘制出3D模型。学生在教师布置任务后，进行独立的操作练习，如有疑问之处，可以与同伴进行交流，也可以寻求教师的指导与帮助。

（二）小组合作，大胆质疑

我校开设的3D设计课程，主要由信息技术课教师对学生进行基本操作的培训，学生经过培训学习，自主参与，学生对3D打印技术已经产生了一定兴趣，对3D打印技术已有一定的基础。教师为学生准备丰富的学习素材，通过发布具体任务，让学生进一步掌握有关桥结构方面的常识，感受桥的结构构成，学生进一步探索本小组所选择桥的受力原理研究点，找到具体的受力点，使用3D One软件绘制桥模型。

学生在教师指导下，应用各种有结构的材料，收集更加丰富的资料。结合教师布置的任务，整理相关素材，与教师进行交互、反馈。这一过程中，教师的教学是站在学生的视野上，以学生的角度去分析、去探究、去评价，较好地实现学生个性化、差异化的学习，可视化思维过程，展现学生的学习逻辑，提高学生技术工程素养。

（三）课堂答疑，分解生成的问题

学生反馈学生对桥的设计制作，教师结合学生在设计制作中反馈的问题，结合具体的实例讲解材料的抗弯曲能力，鼓励学生在小组内进行交流，并且与教师进行交互。学生在这一过程中，可以培养自己的合作、探究能力，并不断地提高自身的科学素养。具体实践过程中，教师可以针对学生在分析桥的抗弯曲方面存在的疑问，引导学生自主分析，再由教师启发答疑，通过课堂上递进式的问题，让学生陈述理由，展示学生思维过程，展现学生的学习逻辑。

（四）分层互动，跨界融合

教师为学生提供3D打印机以及有关材料，学生设计具体的方案，用3Done软件制作桥模型，教师向学生进行调查，观察与询问学生的学习情况，了解班级内每个学生的学习状况、知识水平，分层指导，完成对桥模型的制作，然后打印出实体“桥”模型，并且检验实体“桥”模型是否存在瑕疵。

学生利用3Done软件，通过对心中的“桥”进行立体设计，然后利用3D打印机进行操作体验，学生在小组内相互交流,掌握3D打印技术的操作要领。教师通过学生的分层互动，针对打印的“桥”的实体模型的各方面进行有效处理。通过跨界融合的过程，锻炼学生的动手操作能力，而且令其科学素养、艺术素养以及技术素养均有所提高[3]。

（五）展示成果，交流评价

学生在课堂上完成对桥的设计任务和制作任务后，教师出示评价要求，学生分别展示各组的成果，教师为学生发放评价量表，生生互评，教师同时参与到评价中。在评价时，学生汇报作品的优缺点，教师对有创新的作品进行奖励。

学生集中观看各小组的作品，教师把学生在制作过程中使用3D软件的操作视频和自己设计的作品进行打包，发步在现场的资源库中，学生再次对作品进行观看，这样可以保证学生互相借鉴彼此的思路和方法，提高学习能力，提升科学核心素养。

综上所述，在“双减”大背景下，在STEAM教育理念下，3D打印技术在小学科学教学活动中的作用不容小觑，真正体现着小学科学课程理念，真正体现学生基于问题、任务的自我认知学习。在科学教学中整合科学技术与工程的教学策略，让学生就自己的观点进行阐释，学生之间进行辩论，促进学生进一步思考，促进了学生思维进阶。同时，教师引导学生对问题持续深入探究，通过抛出的问题生生思维碰撞和师生思维碰撞，培养学生创新精神和实践能力。STEAM教育理念下的3D打印技术的融合，遵循了学生的学习规律，遵循了小学科学的学科逻辑，适合学生的思维水平发展。

参考文献：

[1]《义务教育科学课程标准》2022，2022(04):12

[2]刘素珍,孙献鸿.基于3D打印技术的STEAM课程探索——以凯瑞小学为例[J].中小学数字化教学,2019(09):75-77.

[3]吴振兴.基于3D打印技术进行STEAM教学的运用与探索[J].新课程(小学),2018(10):103.