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【教師簡介】李雯，中國人民大學(xué)附屬中學(xué)朝陽學(xué)?？萍贾行母敝魅危袑W(xué)一級教師。曾榮獲北京市基礎(chǔ)教育優(yōu)秀課堂教學(xué)設(shè)計評選一等獎，北京市中小學(xué)第一屆“京教杯”青年教師教學(xué)基本功展示活動一等獎等榮譽(yù)。指導(dǎo)學(xué)生參加全國創(chuàng)新思維競賽和創(chuàng)意工程挑戰(zhàn)賽，多次獲得全國一等獎。

STEM教育是美國應(yīng)對21世紀(jì)國際人才競爭的一項國家教育戰(zhàn)略，近年來已成為國際教育界的熱點(diǎn)研究問題。STEM教育并不是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的簡單疊加，而是強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。本文基于“三維創(chuàng)意設(shè)計”校本課程中一個項目課例，總結(jié)將STEM教育理念融入課堂的教學(xué)實(shí)踐。

一、課例設(shè)計依據(jù)

在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目標(biāo)，采用多種手段、多種途徑、綜合多學(xué)科知識與技能的創(chuàng)新課程成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的主要手段。3D打印和三維創(chuàng)意設(shè)計的相關(guān)課程已成為此類創(chuàng)新課程的典型代表?；赟TEM的教育理念，“三維創(chuàng)意設(shè)計”課程將多學(xué)科的基礎(chǔ)知識整合在若干教學(xué)項目中，在課堂中進(jìn)行系統(tǒng)的情境教學(xué)。在對三維設(shè)計和3D打印等先進(jìn)技術(shù)手段的應(yīng)用過程中，有助于學(xué)生學(xué)會設(shè)計、學(xué)會思考，形成良好的思維習(xí)慣和行為習(xí)慣。

二、課例特色

課程中師生首先共同梳理一個充滿人文關(guān)懷的視頻案例，了解工程設(shè)計的主要環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，教師創(chuàng)設(shè)問題情境，以“修復(fù)玩具蜘蛛”為任務(wù)進(jìn)行分析討論，貼近生活實(shí)際，將數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程有機(jī)的交叉融合，使學(xué)生在實(shí)踐體驗中學(xué)習(xí)應(yīng)用多學(xué)科知識應(yīng)對現(xiàn)實(shí)問題。充分利用三維設(shè)計軟件、3D打印技術(shù)，將設(shè)計構(gòu)思轉(zhuǎn)化為模型，并進(jìn)一步制作為實(shí)物，提升學(xué)生在圖樣表達(dá)和物化能力方面的技術(shù)核心素養(yǎng)。

三、課例內(nèi)容呈現(xiàn)

1、教學(xué)目標(biāo)

知識與技能：了解工程設(shè)計過程及其各個環(huán)節(jié)，知道設(shè)計是動態(tài)而有章可循的。理解設(shè)計過程需要不斷優(yōu)化。

過程與方法：經(jīng)歷設(shè)計的一般過程，初步學(xué)會有計劃、有步驟、科學(xué)地開展設(shè)計活動的方法。在思考、討論和合作實(shí)踐中，培養(yǎng)技術(shù)實(shí)踐、表達(dá)、交流、評價的能力和協(xié)作意識。

情感態(tài)度與價值觀：初步形成和保持對技術(shù)問題的敏感性和探究欲望，感受技術(shù)問題解決過程的艱辛與曲折。

2、教學(xué)過程

圖 1 教學(xué)流程示意

(一) 引入環(huán)節(jié)

教師首先介紹3D打印的應(yīng)用和研究前沿，并提出“也許你認(rèn)為這些高大上的技術(shù)還只是科學(xué)家和工程師的事。3D打印技術(shù)給我們每個人的生活帶來了什么呢？”提出問題，引發(fā)學(xué)生思考。

(二) 創(chuàng)設(shè)情境環(huán)節(jié)

教師播放一段視頻“父親為先天殘疾的兒子制作3D打印的義肢”，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行案例分析，梳理這位父親設(shè)計制作的全過程，并將主要環(huán)節(jié)書寫在黑板上。

設(shè)計意圖：視頻中深厚的父愛能夠打動學(xué)生，激發(fā)學(xué)生興趣。在教學(xué)設(shè)計上擺脫了傳統(tǒng)的“教師講、學(xué)生聽”的模式，采用引導(dǎo)-分析-探究的形式，師生共同梳理視頻內(nèi)容，自然得出工程設(shè)計過程的主要環(huán)節(jié)，易于學(xué)生接受和理解，符合STEM教育的情境性特征。

(三) 發(fā)現(xiàn)與明確問題環(huán)節(jié)

教師分享一次自己遵循工程設(shè)計過程修理玩具表針的經(jīng)歷，并提出“你是不是也想利用你的智慧和能力來幫助身邊有需要的人呢？”。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察桌上玩具“蜘蛛”的爬行狀況，發(fā)現(xiàn)它也飽受身體殘缺的痛苦，從而引入本節(jié)課的任務(wù)內(nèi)容——學(xué)習(xí)制作義肢的方法修理玩具爬蟲。

圖 2發(fā)現(xiàn)與明確問題——修復(fù)“蜘蛛”

設(shè)計意圖：本課在創(chuàng)設(shè)情境時選擇了一個與生活息息相關(guān)的實(shí)際問題，在充分考慮知識點(diǎn)的同時，還力求體現(xiàn)跨學(xué)科知識的交叉融合，在解決問題的過程中引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科的知識，與STEM教育的跨學(xué)科性相一致。

(四) 方案的制定環(huán)節(jié)

在發(fā)現(xiàn)問題后，學(xué)生拆下其他完整的腿部零件，將片狀的零件輪廓描在紙上，再對輪廓進(jìn)行分析。為了便于尺寸的測量計算，教師首先指導(dǎo)學(xué)生建立坐標(biāo)系，共同測量一些簡單尺寸，并明確其中最難確定的是外輪廓圓弧半徑。經(jīng)過小組討論，學(xué)生共得出了三種測量和計算半徑的方法。

圖 3分析零件輪廓尺寸

設(shè)計意圖：求解圓弧半徑的過程是應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解決實(shí)際問題的過程，是多學(xué)科知識融合的交叉點(diǎn)與整合點(diǎn)，是觸發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)與探究的觸發(fā)器。三種確定圓弧半徑的方法從理論上都是正確的，但測量精度卻不盡相同。學(xué)生能夠根據(jù)自身的實(shí)踐感受找出誤差更小的測量計算方法，對所學(xué)數(shù)學(xué)知識也有了更為深刻的理解,從掌握單純的知識點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檎莆战鉀Q問題的方法。

在測量的基礎(chǔ)上教師提出關(guān)于孔軸尺寸配合、加工精度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的問題。

設(shè)計意圖：這是解決工程設(shè)計方面的問題。教師預(yù)判了學(xué)生在實(shí)踐過程中可能出現(xiàn)的情況，讓學(xué)生帶著問題去實(shí)踐。學(xué)生在動手實(shí)踐中自主探究得出的結(jié)論會比教師直接給出的更令學(xué)生印象深刻。

(五) 設(shè)計圖樣的繪制環(huán)節(jié)

學(xué)生使用三維設(shè)計軟件繪制零件模型，熟悉用計算機(jī)輔助制圖表達(dá)設(shè)計構(gòu)思的方法。教師巡視指導(dǎo)，幫助學(xué)生分析遇到的問題，通過正確的方法、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程和合理的引導(dǎo)幫助學(xué)生建立實(shí)現(xiàn)技術(shù)、解決問題的信心。