本文由東城區教育研修學院高勇提供
2015年，“創客”、“互聯網+”、“政府和社會資本合作模式”等新概念首次進入到我國政府工作報告中，引發了海內外的關注。“3D打印”、“三維設計”、“創客”、“創客空間”、“STEM”、“STEAM”等新詞、熱詞，不斷出現在社會的各個領域中。其中“3D打印”的概念，已經逐步上升到了一個國家層面，被我國領導人先后多次提到。與此同時，“3D打印”技術的應用對我國中小學教育的發展起到了非常積極的推動作用。
一、“3D打印”技術受到我國領導人的高度重視
2013年7月21日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平在武漢東湖高新區進行考察，并對武漢光谷科技會展中心的光纖通訊、3D打印、生物質能源等創新成果展示，進行了詳細觀看。其中，就3D打印技術的研發和應用，對企業囑咐道：這個技術很重要，要抓緊產業化。
2015年6月17日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平來到位于貴陽清鎮職教城的貴州省機械工業學校，了解貴州省職業教育發展情況。在一臺3D打印機前，一名同學把校訓“崇德尚能 勵學敦行”打印在鋁片上送給總書記，習近平微笑著說“共勉”。
2015年8月21日，李克強總理主持國務院專題講座，盧秉恒院士國課開講，討論加快發展先進制造與3D打印等問題后，3D打印與傳統制造業的融合成了全民談論的熱點。3D打印從小眾逐漸向大眾邁進，并且提升到了推動中國傳統制造轉型的高度上。
2015年10月19日，全國大眾創業萬眾創新活動周啟動。李克強總理出席啟動儀式后來到主題展區考察，第一站來到西安鉑力特激光成形技術有限公司的展位，一個被譽為金屬3D打印專家的高科技企業。
2015年11月15日，由20個國家領導人組成的第十次峰會在土耳其如期舉行。中國國家主席習近平在此次峰會上進行了《創新增長路徑共享發展成果》的講話，在講話中習主席說：“新一輪科技和產業革命正在創造歷史性機遇，催生互聯網+、分享經濟、3D打印、智能制造等新理念、新業態，其中蘊含著巨大商機，正在創造巨大需求，用新技術改造傳統產業的潛力也是巨大的。”
二、中小學“3D打印”與“三維創意設計”課程發展現狀分析
我國基礎教育階段對學生的培養目標是：培養出全面而富有個性發展的人。從技術的角度來分析，在我國基礎教育階段最需要提升的是學生規范的設計能力和設計思想。技術教育要在充分保證學生安全的情況下進行，要教會學生規范的理解技術，使用技術。
現代化技術加工手段的應用是培養學生技術能力的最有效解決措施。學生創新能力培養的核心是要教會學生運用科學的方法去思考、去創新。中小學的技術教育要跟上時代發展的步伐，就要讓學生認識、了解和應用先進的加工技術。
縱觀上述觀點，通過研究發現在當前基礎教育階段對學生創新能力培養方面最有效的解決措施，就是要首先教會學生應用“3D打印與三維設計技術”。
（一）“3D打印”與“3D打印課程”
3D打印：三維打印（英語：3D printing），即快速成形技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。過去其常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，現正逐漸用于一些產品的直接制造。
3D打印課程：以3D打印技術或3D打印機應用為主的課程。目前根據對3D打印概念不同角度的理解，此類課程在義務教育階段主要以三種形式進行呈現。
第一，以3D打印機硬件探究為基礎的課程。課程讓學生近距離地了解、學習、組裝、設計3D打印機。
第二，以3D模型打印為基礎的課程。學生在初步學習3D打印技術后，利用網絡對感興趣的或有需求的模型進行檢索，進而在模型下載后應用3D打印機最終將模型實體化,并進行表面渲染的學習過程。
第三，以“傻瓜型”三維設計軟件為基礎的課程。學生利用不同類型的“傻瓜型”三維設計軟件，快速搭建某種類型的簡易模型，最終利用3D打印機將設計實體化的過程。
（二）“三維設計”與“三維創意設計課程”
三維設計：是通過計算機輔助設計（CAD）或計算機動畫建模軟件建立立體的、有光的、有色的生動畫面，虛擬逼真地表達大腦中的產品設計效果。它是建立在平面和二維設計的基礎上，讓設計目標更立體化，更形象化的一種新興設計方法。
三維創意設計課程：以三維設計軟件和3D打印機應用為主的課程。此類課程在義務教育階段主要以兩種形式進行呈現。
第一，以專業三維設計軟件的學習為基礎的課程。學生在學習應用專業三維設計軟件的過程中，根據不同開放性的設計要求自主進行探究式設計并應用3D打印機將設計模型實體化的學習過程。
第二，以簡易三維設計軟件的學習為基礎的課程。學生在完成某項任務或項目中學會并應用簡易三維設計軟件的某項或某幾項功能完成作品設計，并通過3D打印機將設計實體化的學習過程。
三、中小學“3D打印”與“三維創意設計”課程校內開設方式研究
小學階段，受學生視力發育的影響，一般在三年級以后才開始有信息技術課的學習。因此學校主要在四年級以后，以興趣班或社團的形式為有興趣的學生開設“3D打印”與“三維創意設計”課程。
初中階段，受學習壓力的影響，“3D打印”與“三維創意設計”課程主要在初一或初二年級進行開設。此時學生處于一個生理和心理的過渡區，管理難度較大。因此，學校會依據校內學生的實際特點對學習對象和學習方式進行適當的調整。有的利用信息技術課為全體學生講解三維設計軟件的應用技巧和3D打印機的使用技巧；有的則以社團或課外小組活動的形式組織學生從興趣出發學習三維設計與3D打印技術。
高中階段，由于學生學習壓力比較大，“3D打印”與“三維創意設計”課程主要安排在高一年級進行開設。由于其學習內容強調動手操作，因此學校主要利用高中通用技術課程或信息技術課程的課時，以1-2個較復雜的設計案例為基礎教會學生應用三維設計軟件的基本使用技巧和3D打印機的基本使用方法。除此以外，也可從學生興趣出發組織了專門的社團進行學習。
四、中小學“3D打印”與“三維創意設計”課程實施比較研究
“3D打印”課程主要是以硬件理解和使用為核心的課程；“三維創意設計”課程主要是以軟件學習、創意思維訓練為核心的課程。兩類課程各有側重，均能夠從不同側面滿足不同學生的學習需求。
根據不同年齡段及不同學習目標學生的學習特征和認知結構進行分析，“3D打印”課程更適用于低年齡段或者入門的學生進行學習；“三維創意設計”課程更適用于有一定學科（數學、物理、化學等）基礎知識或者有一定職業理想的學生進行學習。
根據課程對教師能力的需求及對學習時間的要求分析，“3D打印”課程更適用于在校外的創新實踐活動中進行開展；“三維創意設計”課程更適用于在校內進行系統性的課堂情景教學。
根據課程對軟、硬件設備需求數量及學生相對操作空間面積的不同需求分析，“3D打印”課程更適用于在3D打印機數量較多，學生相對操作空間較大的環境內開展；“三維創意設計”課程更適用于在計算機數量較多，3D打印機數量相對較少且學生相對操作空間較小的環境內開展。
五、中小學“3D打印”與“三維創意設計”課程實踐發展研究
（一）學具教具方面對學生學習基礎學科的支撐
“3D打印”與“三維創意設計”課程與中小學具體學科教學最恰當的結合點在于學具或教具的制作與研發。在語文學科中，可以讓學生不用跋山涉水就能感受到“趙州橋”結構設計的精妙；不用身臨其境就能理解人民大會堂的結構和功能。在數學學科中，可以幫助學生輕松認識到幾何體之間的相互關系；毫不費力的理解圓柱體攔腰斜切一刀后得到的幾何圖形。在英語學科，可以讓學生迅速的建立對某種陌生物品的感性認識，從而加深對單詞的記憶。在物理學科，電子元件模型的打印與應用能夠幫助學生更好的理解抽象的電路圖原理。在化學學科，原子體積的等比例放大，分子結構模型的搭建幫助學生從宏觀模型認識到了微觀的知識。在地理學科，仿真的星球位置關系模型很好的為學生詮釋了日食、月食和節氣的概念。在生物學科，動物內臟的拼裝模型加強了學生對器官結構和位置的理解。除此以外，無論是授課教師還是學生都能夠根據自己的實際需求利用三維設計軟件開發出最適合自己的學具或教具。
（二）玩具生活方面對學生情商的培養
“愛玩”是基礎教育階段絕大多數學生的特性。如何做到有知識的“玩”？如何做到有內涵的“玩”？如何做到有水平的“玩”？如何做到有創意的“玩”？如何做到有文化的“玩”？如何做到有益于他人的“玩”？這些其實都可以通過“3D打印”或“三維創意設計”課程的開設對學生進行積極的正面的引導。例如，學生喜歡玩“悠悠球”，我們可以引導他們自己進行設計，而不是到市場上去比價格、比品牌；學生喜歡玩四旋翼飛行器，我們可以鼓勵他們買來電子元件，利用三維設計軟件自主進行設計；學生需要養成理財和節儉的習慣，我們可以發動他們自己來設計一個精巧的存錢罐；學生需要體驗對學校的熱愛，我們可以組織一次設計校徽或班徽的活動，從中讓他們來感受自己主人翁的意識；學生需要親近、熱愛大自然，我們可以調動他們用三維設計軟件來設計一個花盆，并種上一顆希望的種子；學生需要關心父母，我們可以組織他們為父母設計一款愛心小禮物；學生需要交流，我們可以組織他們展開一場名片設計大賽；總之，原來覺得只能停留在想象當中的事物，通過“3D打印”與“三維創意設計”課程都變成了現實。
（三）技術規范性方面對學生行為習慣的塑造
三維設計軟件與3D打印機的學習與應用，能夠保障學生在安全的實踐操作環境下，最大限度的保證設計產品的規范性。在工業設計領域，出現1mm的誤差，就有可能會造成重大的設計失誤。在基礎教育階段，我們一方面不希望把學生培養成技術工人，另一方面也不愿看到學生設計制作的產品外觀粗糙，結構松散，不具備實用性，也不能進行產品測試。三維設計與3D打印等先進技術手段的應用，在實踐中教會學生嚴謹，教會學生思考，教會學生專注，教會學生反復驗證，教會學生邏輯思考！
六、中小學“創新課程”教育體系建立和發展研究
“3D打印”與“三維創意設計”課程的有效實施，極大的促進了學生與教師對“創新”的渴望。美國的“STEM”或“STEAM”課程能否取代傳統的基礎教育模式？“創客教育”是否適用我們中國學生與教師的需要？“創新課程”能否幫助學生適用未來社會的發展？為了弄清上述問題的結論，我們進行了深入的研究。
（一）基本概念的研究
1、K-12教育：是美國學者描述大學前各個學段的一個統稱。“K”代表幼兒園(Kindergarten)。12表示從1到12年級。在我國大學前有學前教育（約3至4年），小學教育（約5至6年），初中教育（約3至4年），高中教育（約3年）或職業教育（約3年）。
2、STEM教育：源自美國。在上世紀80年代，美國認識到科技教育的滑坡將造成人才嚴重短缺，于是提出了科學、技術、工程和數學學科集成的戰略思路，目的在于大力培養訓練有素的數學家、科學家、工程師、技術人員和具備科學素養的美國公民。于是，STEM教育就成了科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的簡稱。
3、STEM或者STEAM課程：在中國逐漸升溫是最近幾年才出現的事情。其實在國內也有數學、科學、工程和技術教育,我們一般稱其為“理工科教育”。理工科教育的研究與培養主要集中在我國的高等教育階段。在小學階段我們主要進行的是數學和科學的教育。在中學階段我們主要進行的是數學、物理、化學和生物等部分理科的教育，在高一年級出現了側重工科的通用技術學科教育，但目前此類課程在全國開設的現狀還不容樂觀。通過分析我們可以發現，在基礎教育階段我們提供給學生工科教育的學習內容確實相對較少，并且缺乏從小學到高中的系統性培養。
STEM領域建立在與其他學科融合的基礎上。STEM的教育宗旨是“以設計和探索為目的，并對技術問題解決進行科學的探索”。其課程目標中包含了科學素養、技術素養、工程素養和數學素養等方面。STEM課堂上，圍繞一個真實問題，學生在教師的帶領下，參與到小組中開展研究，期間有可能通過面對面或者網絡的方式與學習伙伴開展交流。在學習與研究的過程中，學生應使用技術搜集、分析數據，設計、測試和改進一個解決方案，并與同伴交流研究成果。
（1）科學和數學（Science、Mathematics）
科學和數學是STEM的組成部分,它們是在K-12教育中歷史最長的兩門課。兩門課都有標準、課程、評估、大量的教科書和其他的教學材料。己經建立了教師教育和專業發展的課程。每個學生都需要在高中畢業的時候能夠在科學和數學中至少達到熟練的程度。科學和數學的成功與否關系到國家的成功。因此美國學生在國家評估和國際競賽研究比如TIMSS中的稍微遜色的表現,使得人們不斷呼吁加強數學和科學教學。
科學素養：是一種運用科學知識和過程如物理、化學、生物科學和地球空間科學理解自然界并參與影響自然界的有關決策,主要包括三大領域生命與衛生科學、地球與環境科學和技術科學。
數學素養：指學生在發現、表達、解釋和解決多種情境下的數學問題時進行分析、推斷和有效交流思想的能力。
（2）技術教育（Technology）
雖然技術教育扎根于手工業藝術,在過去年里,它己經延伸開來,在最一般意義上強調對技術的理解。在今天技術教育是對人造世界的研究,包括工藝品、流程以及其基本原理和概念,其總體目標是使學生能夠有效參與現在技術型社會。
技術素養：是指使用、管理、理解與評價技術的能力。學生應當知道如何使用技術,了解技術的發展過程,具備分析新技術如何影響自己、國家乃至整個世界的能力。技術是對自然環境的革新與改造以滿足人們的現實需要。
（3）工程教育（Engineering）
工程教育在內容、關注點和實施要求上非常寬泛。其目的從鼓勵學生追求工程領域的職業到增加技術素養和提高學生科學和數學成績。工程教育沒有任何的標準,在美國也沒有州級和國家水平的考試和評估,政策制定者幾乎對工程教育沒有任何的關注。事實上,工程可能應該叫做中缺失的字母。
工程素養：是指對技術的工程設計與開發過程的理解。工程課程是基于項目,整合了多門學科的知識,使得難以理解的概念與學生生活密切相關,激發學生解決問題的興趣。工程設計是把科學與數學原理系統地、創造性地用于實踐的結果。
（4）藝術教育（Arts）
藝術教育狹義上指美術、音樂等學科；廣義上則包括美術、音樂、人文、社會、語言、形體藝術等。
藝術素養：是指一個人對藝術的認知和修養，是一種獨立的人格和自由思想。
4、創客：一詞來源于英文單詞“Maker”或“Hacker”，是指出于興趣、愛好，樂于動手實踐和分享，努力把各種創意轉變為現實的人。
“創”的含義是：開始做，創造，首創，開創，創立。它體現了一種積極向上的生活態度，同時有一種通過行動和實踐去發現問題和需求，并努力找到解決方案的含義在里面；
“客”則有客觀、客人、做客的意思。客觀，體現的是一種理性思維。客人、做客則體現了人與人之間的一種良性互動關系，有一種開放與包容的精神在里面，而開放與包容體現在行動上就是樂于分享。
5、創客教育：創客教育最終目的是培養學生的開創性個性。創客教育的理論基礎建立在體驗教育（Experiential Education）、項目教學法（Project-Based Learning）、創新教育、DIY（Do It Yourself）、DIT（Do It Together）等理念之上。同時創客教育注重教育體驗的整體性，學習過程本身代替學習成果成為最重要的部分。
創客教育主要以學生的自主探究和動手制造為主體，它建立于杜威的進步主義和Logo語言發明者——西蒙?帕伯特(Seymour Papert)教授提出的建造主義，強調學生在學習過程中利用知識建造外在的、具體的、可分享的人工制品和建立人際關系。在學科整合途徑上，可以借鑒整合性STEM教育方法，即在研究各學科特點的基礎上探求以工程技術教育為核心、整合數學和科學的教學方法，也就是利用技術/工程教育的思想和模式有意圖地整合科學/數學教育的內容和過程，采用技術/工程教育常用的基于設計的學習(Design-based Learning)方法，讓學生在面向真實問題解決的項目探究學習過程中，綜合運用技術素養、工程/技術的設計過程、科學素養、科學探究和科學/數學以及其他相關概念來設計和制作人工制品，從而達到培養學生STEM素養、創新意識和實踐能力的目的。
（二）中小學實施“創新課程”可行性研究
1、“創新課程”在我國中小學實施的必然性分析
基于對上述基本概念的研究，我們發現STEM或STEAM教育更強調學生在學習過程中的跨學科性和綜合性；創客教育更加注重項目教學法的應用，更加注重技術與工程的設計過程。可以說創客教育是STEM或STEAM教育的更深入體現形式，是我們發展學生實踐能力與創新能力的一種良好方式。
但從我國基礎教育的整體發展脈絡體系進行分析，上述兩種培養模式從短期來看都有其發展的弊端。
首先，無論是國外還是國內，STEM型教師（具備跨學科知識與能力素養的教師）的培養是一個非常困難的問題，教師數量與水平的嚴重不足會導致STEM教育最終陷入困境。
其次，創客教育強調項目教學法的應用，基于項目的教學法勢必會打破知識的系統性，使學生在知識學習的過程中，出現不連續的或重復的學習。最終導致學生的知識體系出現斷層，及學習時間不能得到高效的利用。
我國的基礎教育在世界范圍內均處于領先地位，世界各國均在學習和效仿我國基礎教育體系的發展。基礎教育階段以學科為背景的主體教育體制不容動搖。從STEM或STEAM的角度出發進行分析，我國基礎教育階段在數學、科學、及廣義的藝術領域方面的發展均處于世界領先的地位。我們在技術和工程方面對于學生的培養還顯得略有不足。因此，在基礎教育階段，我們可以嘗試根據不同學段學生的特點和實際需求，從學科角度與創客教育的角度出發，研發出一些可行性的“創新課程”不斷彌補原有基礎教育的不足。
2、“創新課程”的核心概念
創新，是以現有的思維模式提出有別于常規或常人思路的見解為導向，利用現有的知識和物質，在特定的環境中，本著理想化需要或為滿足社會需求，而改進或創造新的事物、方法、元素、路徑、環境，并能獲得一定有益效果的行為。“創新課程”中“創新”是一個綜合性的概念，創新是主體調動求新意識，積極探索，通過創造性行為，創造出對人類社會進步有價值的或全新的物質和精神產品的過程。
課程，是指學校學生所應學習的學科總和及其進程與安排。廣義的課程是指學校為實現培養目標而選擇的教育內容及其進程的總和，它包括學校教師所教授的各門學科和有目的、有計劃的教育活動。狹義的課程是指某一門學科。“創新課程”中的“課程”往往是多學科知識綜合應用的體現，屬于課程定義中的廣義課程。
“創新課程”我們可以理解為：在基礎教育階段，以培養創新人才為目標，在培養學生創新思維與創新能力的過程中，采用新方法、新技術、新材料，應用多種手段、多種途徑、綜合多學科知識與技能的新型課程。創新課程旨在充分調動學生探究能力、創造欲望的前提下，以培養和提高學生創造潛能和人文素養為主的綜合性課程。
3、“創新課程”提升學生“創新思維”與“創新能力”的可行性研究
大腦分為“左半球”和“右半球”，左腦主管語言,也就是用語言來處理信息,把進入腦內看到、聽到、觸到、嗅到及品嘗到的信息轉換成語言來傳達,相當費時。左腦主要控制著知識、判斷、思考等,它和顯意識有密切的關系。
右腦的五感包藏在右腦底部,可稱為“本能的五感”，控制著自律神經與宇宙波動共振等,它和潛意識有關。右腦將收到的信息以圖像處理,瞬間即可處理完畢,因此能夠把大量的信息一并處理心算、速讀等即為右腦處理信息的表現方式。如果讓右腦大量記憶,右腦會對這些信息自動加工處理,并衍生出創造性的信息。也就是說,右腦具有自主性,能夠發揮獨自的想象力、思考力,把創意圖像化。
日本學者七田真研究發現,人在誕生之初,右腦的能力還很發達,右腦具備了超越常識那種幾乎可稱為全然未知的天才似的能力。但是因為人類世界是以教導、開啟左腦為主,讓小孩子努力學習語言以及往后生存所必需的知識,久而久之,左腦越來越發達,右腦卻因為少用而日形退化。這也是目前在我國基礎教育階段中常見到“越小的孩子想象力越豐富，越大的孩子思想越禁錮，越缺乏想象力與創新能力。”的根本原因了。
在許多腦科學研究證明中,對學生進行“創新思維”與“創新能力”訓練,將會對開發人的右腦有非常大的作用。右腦的信息處理能力如果被開發出來,那么人的創新發展將會產生一個大的飛躍。因此,在我國要提升中小學生的“創新思維”與“創新能力”,最有效的解決措施就是有針對性的研發一系列的“創新課程”。
“創新課程”的研發必須要從兩個方面進行努力，一方面是側重研究創新思維,目的在于幫助學生學會科學的進行創新思考；另一方面是側重研究創新能力, 目的在于幫助學生學會創造所需要的各項能力。
4、“創新課程”的研發策略
“創新課程”的研發離我們究竟有多遠？一所學校，一名普通教師又該如何進行“創新課程”的研發呢？其實“創新課程”的研發就在我們身邊，我們每一名中小學的教育工作者都有能力進行研發。在對現有“創新課程”相關資料的了解后，我們總結出了一些基本的研發策略供大家參考。
（1）國家課程的二度開發。由于學校或教師個人的特質差異和學生的需求差異，我們對國家課程的理解和研究專長也有所不同。我們可以利用自身的優勢資源對國家課程進行相對應的充實與補充，通過有針對性探究活動的設計，豐富學生的學習過程，把課本當中的封閉型知識轉化為開發性問題。隨著日積月累的和集思廣益的多種課程形式的積累，最終形成富有個性的校本或地方性特色“創新課程”。
（2）注重學習者的實際需求有針對性進行研發課程。課程的研發不能盲目進行，研發出的內容要讓學習者感興趣。一方面我們可以提供給學習者一些課程的菜單，另一方面我們可以廣泛征集學習者的學習愿望，結合學校自身特色和能力，有選擇性的研發“創新課程”。
（3）緊跟時代發展步伐，抓住世界發展中的熱點問題進行課程研發。教育要跟上時代發展的腳步，僅僅依靠國家課程是非常困難的。我們要善于捕獲社會發展中的熱點信息，以專題的形式組織人員進行專業進修。再結合自身特點和學習者特點，降低難度進行“創新課程”研發。
（4）專家引領與科研課題結合進行課程研發。在專業技術能力不足的時候，我們還可以聘請相關方面的專家與學校教師一同進行專項課程研發的課題研究。用科研方法去研發“創新課程”。
5、“創新課程”應利用“STEAM”與“創客教育”的核心思想對學生進行有效性評價
“創新課程”與以往“學科課程”的最本質區別在于：學科課程更多的強調求同思維，學生們最終得出的結論往往是趨同的；“創新課程”倡導求異思維，強調學生最終作品的個性化。
評價是每一門課程未來發展方向的重要引導性指標。在求異思維的引領下，利用“STEAM”多元化、跨學科化的特性對學生的作品進行評價，將有助于提升學生的全面的發展。將創客教育思想融入到“創新課程”的評價體系中，將有助于激發學生從各個學科角度有個性的去創新。“STEAM”與“創客教育”的核心思想的融合將有助于我們利用“創新課程”培養出全面而富有個性發展的人才。
七、中小學“創新課程”的發展展望
中小學“創新課程”研發與發展，將是未來中國“創客教育”領域中的一個不可或缺的重要組成部分。它實踐著將教育目標從知識與能力的培養，逐步轉向為對學生價值觀的培養；實踐著將教育內容以課程本位的思想逐步轉向為學生本位的思想；實踐著將教育方式從全民教育逐步轉向為全民學習的方式。這些轉變將促使我們傳統的學校教學模式發生更本性的變革，學生想學什么內容，未來我們就要提供什么樣的課程；學生想怎樣學，未來我們就要提供怎樣的學習方式。學生將從教育的消費者變為教育的創造者；從教育的被評價者轉變成為教育真正的主人！
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更新時間：2019-05-09
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