《小学科学3D打印技术课｜了解技术 激发创造》

一、课程的核心设计依据演讲人课程的核心设计依据01课程的实施保障体系02分层递进的课程内容体系03课程的实践效果反馈04目录《小学科学3D打印技术课｜了解技术激发创造》作为从事小学科创教育工作8年、负责本校3D打印技术课程研发与实施的一线教师，我今天分享的这门课程，核心目标始终围绕两个关键词展开：一是了解技术，二是激发创造。课程严格对标2022版义务教育科学课程标准中“技术与工程”领域的培养要求，适配小学全学段学生的认知发展规律，最终目标是在孩子心中种下“技术可及、创造可行”的种子，为其后续的科创素养发展筑牢基础。接下来我将从课程设计依据、分层内容体系、实施保障机制、实践效果反馈四个维度，对课程做完整说明。01课程的核心设计依据课程的核心设计依据开设这门课程并非跟风科创教育热点，而是经过多维度论证后的必然选择，核心依据主要包含三个层面：1政策与课标依据2022版义务教育科学课程标准明确将“技术与工程”领域列为四大核心学习领域之一，占总课时比例不低于15%，要求1-6年级学生需“认识常见的制造技术，体验技术发明的基本过程，初步形成‘技术服务于人’的认知”。3D打印作为第四次工业革命的代表性制造技术，兼具可视化、可操作、低门槛的特点，是落实课标要求的绝佳载体，能够填补小学阶段“实操性制造技术教学”的空白。2学生认知发展依据小学阶段学生的思维正处于从具象思维向抽象思维过渡的关键期，传统的科学技术类课程多以理论讲解、视频观摩为主，无法满足学生“亲手触摸、亲自实践”的认知需求。3D打印的整个过程完全可视化：从建模时的图形调整，到打印时的逐层堆积，再到最终成品的落地使用，所有环节都能让学生直观感知，完全适配小学生的认知特点，不会出现知识脱节的问题。我印象很深的是第一次给二年级学生展示3D打印过程时，有个孩子蹲在打印机旁边看了整整20分钟，下课的时候拉着我的手说“原来东西不是只能从商店买，我们自己也能做”，那一刻我更加确定这门课的价值。3时代发展的现实需求当前智能制造已经成为我国核心发展战略，技术素养已经成为未来公民的必备素养。小学阶段接触3D打印技术，能够打破孩子对“高科技”的陌生感与敬畏感，避免其形成“技术是少数精英才能掌握的工具”的错误认知，为其后续适应数字化时代的发展打下认知基础。02分层递进的课程内容体系分层递进的课程内容体系基于上述依据，我们搭建了覆盖小学全学段的三层内容体系，每个学段的内容难度、培养目标各有侧重，坡度平缓、循序渐进，不会让学生产生畏难情绪：1低段（1-2年级）：技术感知模块本模块的核心目标是建立学生对3D打印的初步认知，激发其好奇心，不涉及任何技能考核，主要包含三部分内容：1低段（1-2年级）：技术感知模块1.1作品观摩体验活动我会提前准备20余件不同类型的3D打印成品，包括可活动关节玩偶、定制化姓名印章、迷你建筑模型、可拼接的积木零件等，让学生用手触摸、拆分组装，直观感受3D打印产品和普通工业产品的区别：比如普通注塑玩具的接缝是齐整的模具压痕，而3D打印产品的表面有细微的层叠纹路，以此引导学生建立“3D打印是逐层堆积制造”的初步认知。1低段（1-2年级）：技术感知模块1.2打印过程观摩活动每次课会安排2台提前调试好的打印机，打印学生熟悉的小玩偶、小文具，让学生完整观察从耗材熔化、逐层堆积到成品出炉的全过程，期间会安排教师解答学生的各类问题，比如“为什么耗材是硬的，出来的时候是软的”“为什么打印机要沿着固定的路线走”，不需要标准答案，只要学生愿意提问、愿意思考就达到了教学目标。1低段（1-2年级）：技术感知模块1.3安全规则初步普及这个年龄段的学生好奇心强、自我保护能力弱，所以每次课都会用动画、儿歌的形式普及基础安全规则：比如不能触碰打印机的高温喷头、不能随意拉扯耗材、打印的小零件不能放到嘴里，从一开始就建立安全操作的意识。2中段（3-4年级）：原理认知与基础操作模块本模块的核心目标是让学生掌握3D打印的基本原理，能够独立完成简单的建模与打印操作，是“了解技术”的核心环节，主要包含四部分内容：2中段（3-4年级）：原理认知与基础操作模块2.1基础原理通俗化讲解我们避免直接使用“熔融沉积成型”“光固化”等专业术语，而是用学生熟悉的生活场景类比：3D打印就像蛋糕师用裱花袋挤奶油做造型，只不过我们用的“奶油”是玉米淀粉制作的可降解PLA耗材，加热到200℃左右会熔化，从喷头挤出来之后会快速冷却变硬，按照预设的路径一层一层堆起来，就能得到想要的形状。每次讲这个知识点的时候我都会放一段裱花师做奶油蛋糕的视频，和3D打印的过程做对比，学生基本上5分钟就能理解核心原理，完全不会觉得晦涩。2中段（3-4年级）：原理认知与基础操作模块2.2轻量化建模软件教学我们选用完全免费、网页端即可操作的Tinkercad建模工具，所有操作都是积木式拖拽组合，不需要复杂的代码或命令输入：第一节课教学生认识基础几何体（长方体、球体、圆柱体），第二节课教组合、对齐、挖空三个核心操作，第三节课就能独立设计出带自己名字浮雕的专属姓名牌，整个过程坡度极缓，哪怕是动手能力较弱的学生也能跟上进度。2中段（3-4年级）：原理认知与基础操作模块2.3打印机基础操作教学我们选用带封闭安全外壳的桌面级FDM打印机，操作界面全部做了儿童友好的汉化处理，主要教学生三个核心操作：一是耗材的安装与拆卸，二是打印文件的导入与启动，三是简单故障的排查（比如耗材卡顿时的处理方法）。每次操作前都会反复强调安全规则：打印过程中不能打开打印机外壳、不能触碰喷头和加热板，所有操作必须在教师确认安全后才能进行。2中段（3-4年级）：原理认知与基础操作模块2.4阶段性实践任务本阶段的实践任务全部贴近学生的日常需求，比如设计专属姓名牌、定制铅笔帽、做自己喜欢的卡通形象摆件等，去年有个学生给自己的姓名牌加了奥特曼的浮雕头像，带到班上之后引起了一阵“定制风潮”，很多学生主动要求调整自己的设计，加入自己喜欢的元素，学习的主动性完全被调动了起来。3高段（5-6年级）：项目式创造模块本模块的核心目标是激发学生的创造思维，引导学生用3D打印技术解决真实问题，是“激发创造”的核心环节，主要包含三部分内容：3高段（5-6年级）：项目式创造模块3.1真实问题导向的项目设计我们所有的项目都从学生的真实生活场景出发，主要设置两类项目：第一类是校园场景项目，比如“班级公物优化”“校园绿植养护工具设计”“运动会文创产品设计”等，去年有个小组发现教室的白板擦放在讲台上容易弄脏桌面，于是测量了白板擦的尺寸，设计了带背胶的壁挂式收纳盒，第一次打印出来卡口太松，就调整了0.3毫米的公差，第二次打印的成品刚好可以卡住白板擦，现在已经在全年级12个班推广使用；第二类是文化主题项目，比如我们学校位于陕西，就设置了“陕西历史文化文创设计”项目，有学生设计的带陕博印章的书签，还在学校的义卖活动中卖出了120多件，所得款项全部捐给了山区留守儿童。3高段（5-6年级）：项目式创造模块3.2迭代优化思维培养我们会明确告诉学生，没有任何技术产品是一次就能做完美的，每次项目都要求至少完成两次迭代：第一次打印原型后，要邀请使用方提出修改意见，调整参数后第二次打印最终成品。比如之前有小组设计班级的粉笔盒，第一次做的尺寸太小放不进整盒粉笔，第二次做的没有沥水孔，湿粉笔容易发霉，第三次调整后才最终投入使用，这个过程里学生能真正理解“技术是在不断优化中完善的”，也能接受“失败是创造的必经环节”。3高段（5-6年级）：项目式创造模块3.3跨学科融合设计我们会主动和其他学科的老师合作设计项目，比如和美术课结合做“非遗文化文创产品”，和科学课结合做“太阳能小车外壳设计”，和语文课结合做“红色故事场景模型设计”，让学生在一个项目中用到多学科的知识，真正理解技术的应用是跨领域的。03课程的实施保障体系课程的实施保障体系科学完善的内容体系，需要配套的实施保障机制支撑，才能确保课程落地不走样、见实效，我们的保障体系主要包含三个层面：1硬件与耗材保障1.1设备选型全部选用带封闭安全外壳、带过热断电保护的桌面级FDM打印机，平均每4名学生配备1台，每台打印机都贴有清晰的安全操作提示，打印过程中如果外壳被打开会自动停止运行，最大程度降低安全风险。1硬件与耗材保障1.2耗材选择全部使用食品级可降解PLA耗材，不含任何有毒有害物质，打印过程中没有刺激性气味，所有废弃的边角料都会统一回收交给合作的环保企业处理，避免造成环境污染，也能给学生树立“绿色技术”的认知。2师资与教研保障2.1师资培训我们每年都会组织所有科学教师参加2次以上的3D打印技术专项培训，同时和本地的科创企业合作，邀请工程师作为校外辅导员，每个月来学校上1次拓展课，解决教师解决不了的技术问题。2师资与教研保障2.2教研机制每两周开展1次3D打印课程的集体备课，收集学生上课过程中提出的创意和问题，动态调整课程内容，比如之前有学生提出想给自己家的宠物设计食盆，我们就专门加了“家庭宠物用品设计”的拓展任务，受到了学生的普遍欢迎。3安全管理保障每次课除了主讲教师之外，还会配备1名助教，专门负责巡看设备运行情况，课前会统一宣讲安全规则，课中全程值守，课后会统一断电、回收所有耗材和边角料，确保整个教学过程零安全事故。04课程的实践效果反馈课程的实践效果反馈经过近5年的落地实施，这门课程已经取得了超出预期的实践效果，也让我们对科创教育的内核有了更深刻的理解：1学生层面的变化1.1技术认知的转变之前很多学生觉得“制造技术是工厂里的工人、实验室里的科学家才会的东西”，现在90%以上的学生都能说出3D打印的基本原理，明白技术是解决问题的工具，普通人也能掌握和使用。1学生层面的变化1.2创造思维的激活现在学生遇到问题第一反应不是找老师要解决方案，而是会想“我能不能用3D打印做个东西解决这个问题”，比如上次班级里的绿萝盆漏水，当天就有小组设计了带导水槽的接水盘，第二天打印出来就用上了，主动创造的意识已经完全建立了起来。1学生层面的变化1.3综合能力的提升所有的实践任务都是4人小组合作完成，有人负责调研需求、有人负责建模、有人负责打印操作、有人负责测试优化，学生的团队合作能力、表达能力、问题解决能力都得到了明显提升。2学校与家长层面的反馈目前这门课已经被评为我区的精品校本课程，学生的3D打印作品有27件在省市科创比赛中获奖，不少家长反馈，孩子在家会主动观察家里的需求，比如给奶奶设计了专门放老花镜的支架，给爸爸设计了剃须刀的收纳座，很多小设计都特别暖心。回顾这门课的研发与实施历程，我们始终没有偏离“了解技术、激发创