3D創(chuàng)意設計與機器人教育融合創(chuàng)新夯實科創(chuàng)人才培養(yǎng)基礎

3D創(chuàng)意設計與機器人教育融合創(chuàng)新，夯實科創(chuàng)人才培養(yǎng)基礎此案例呈現(xiàn)的是河南省開封市第十四中學通過開展3D設計打印與機器人創(chuàng)客教育，解決學生課本知識與生活應用實踐割裂問題的具體做法。傳統(tǒng)的計算機課單一傳授操作計算機的技能，而沒有開設培養(yǎng)學生“創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力”的課程，純粹的理論學習使學生的大腦逐漸僵化，無法激發(fā)其興趣和熱情，教學效率也就不能得到應有的提升，教師和學生的可持續(xù)發(fā)展遇到了很大的阻礙。在此背景下開封市第十四中學以科技創(chuàng)新教育為學校素質教育改革的發(fā)力點，將3D創(chuàng)意設計教育、機器人教育等跨學科教育人才培養(yǎng)理念和方式引進課堂，通過在教學設施投入、教師專業(yè)培養(yǎng)、課程資源開發(fā)、學習空間創(chuàng)設等方面形成一體化發(fā)展體系，加速學校數(shù)字化校園建設，促進信息技術與創(chuàng)新教學融合發(fā)展，大力培養(yǎng)學生的動手創(chuàng)造和實踐能力，實現(xiàn)學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)，讓素質教育回歸本色。河南省開封市第十四中學（以下簡稱“開封第十四中學”）創(chuàng)建于1947年，坐落在八朝古都開封，是一所具有七十多年歷史的傳統(tǒng)名校。改革開放以來，學校共培養(yǎng)畢業(yè)生10000余人，其中升入重點高中的人數(shù)達8000余人，共有600多人次獲國家級、省級學科競賽獎勵。在這些過往眾多國家級別、省級競賽獎勵的科目中，我們發(fā)現(xiàn)學生主要集中參加主科偏理論性競賽項目如物理、數(shù)學、英語等，而參與科創(chuàng)實踐類的競賽科目如信息技術等的卻寥寥無幾。針對學生存在創(chuàng)造性思維欠缺、創(chuàng)新能力不足、動手操作能力弱等現(xiàn)象，開封市第十四中學開始了傳統(tǒng)教學方式變革的思考，尋求將課本和應用結合、學生創(chuàng)造力與動手實踐能力結合的創(chuàng)客教育探索。一、建構系統(tǒng)思維解決學校科創(chuàng)教育發(fā)展之“困”科創(chuàng)教育的實施落地并不是一蹴而就，合理的規(guī)劃是必要前提?；诖?，在開封市第十四中學黃海燕校長的帶領下，學校建立起穩(wěn)定的科創(chuàng)領導班子和科技教師隊伍。由教學副校長直接分管科技工作，負責教科室全面協(xié)調活動，科技輔導員負責具體操作，形成“校長掛帥、中層協(xié)力、教師指導”的合力氛圍。2015年，開封市第十四中學的信息科技老師先行先試，有針對性地對市面上各類創(chuàng)客教育產(chǎn)品進行了學習和試用，并結合當下學生零基礎、零認知的現(xiàn)狀，從學生熟悉的玩具“機器人”、從小接觸過的“畫畫”入手，將機器人教育、3D設計與打印教育等納入學?？萍冀逃奈磥戆l(fā)展方向，并確定“圖形化編程—三維模型設計——綜合應用”的發(fā)展模式，通過問題解決式的、可視化的、合作式的學習項目，引導孩子們從3D打印基礎、機器人搭建編程、開源硬件基礎原理逐步走向以3D設計和打印和機器人搭建編程融合的綜合學科應用，激發(fā)學生的興趣及內在驅動力，實現(xiàn)課本知識與生活實踐的有效銜接。（一）一手抓常規(guī)一手抓創(chuàng)新，逐步開展創(chuàng)客教育普及化以機器人教學為契機，激發(fā)學習興趣。開封市第十四中學地處河南中部，相比于省會城市和東部的發(fā)展迅猛，更多的是偏向“小步子、常規(guī)化”的發(fā)展模式。為此，開封市第十四中學，選擇了從社團為切入點，從建立興趣班開始。開封市第十四中學于2015年成立機器人社團，面向全體學生招募對計算機、機器人有特長的學生，讓學習自主發(fā)生。同時固定每周社團活動時間，落實課時保障。學生通過學習機器人基本知識與技能，完成機器人的基礎搭建、編程控制等任務，逐步提升動手操作能力、三維空間想象能力和解決問題的思維能力。引進3D創(chuàng)意設計，加快推進創(chuàng)客教育普及。為滿足不同基礎學生的個性化發(fā)展需求，2016年開封市第十四中學在原有機器人課程體系的基礎上，增加3D設計與打印課程，讓學有余力的學生運用所學的理工科知識，發(fā)揮創(chuàng)意，根據(jù)自己的想象規(guī)劃機器人設計方案，利用3D建模軟件進行機器人的架構配件和外觀裝飾的改造，并利用3D打印機打印出來，定制更加個性化的硬件。學生借助數(shù)字化工具如3DOne（青少年三維創(chuàng)意軟件）可快速制作出創(chuàng)意機器人等三維數(shù)字模型。三維創(chuàng)意設計在教與學上的便利性，為開封市第十四中學的創(chuàng)客教育提供了另一種途徑。通過3DOne三維創(chuàng)意設計課程，即使學生沒有設計基礎，也可以通過簡單的堆砌、拖拉等操作完成創(chuàng)意物品的制作，獲得成就感和創(chuàng)作能力提升。為此，開封市第十四中學開始了3D創(chuàng)意設計課程的嘗試，并將3D設計與3D打印技術融合，逐漸形成“興趣導向—課題研究—系統(tǒng)培訓—自主學習—互動實踐”的教學模式和路徑。（二）建設創(chuàng)新實驗室群，釋放學生創(chuàng)作潛力創(chuàng)新實驗室的建設為學生的實踐提供了強有力的支撐。開封市第十四中學努力構建科創(chuàng)文化氛圍，積極營造科普教育環(huán)境，充分利用校內的宣傳陣地，如黑板報、校園網(wǎng)等對近現(xiàn)代的中外科技創(chuàng)新成果、科技人才的先進事跡進行科普宣傳，及時轉播國家科技時事新聞等，校圖書館訂閱和購買科技書刊雜志數(shù)百種，引領學生走近科技前沿，開拓視野。在科創(chuàng)空間建設上，開封市第十四中學著力打造2個配套，以促進學生科創(chuàng)實踐。配套多功能實踐空間：開封市第十四中學目前已建成3D打印實驗室，機器人教室、等十多個創(chuàng)新實驗室，涉及多個領域，形成了集實驗演示、動手實踐、拓展探究于一體的實驗室群，這些功能教室的設立，讓學生能夠根據(jù)自己的興趣特長，自主選擇，滿足學生多樣化成長的需求，同時讓學生在此過程中學會合作、發(fā)展個性，為師生提供了基礎型教學和學習的保障。同學們在現(xiàn)有活動室里利用3D打印技術，可以在實驗室內親歷從創(chuàng)意想法到圖紙再到實物的全過程，將圖紙上的個性化創(chuàng)意作品真正“造”出來，進一步跨出了畫畫草圖、紙上談兵的階段。配套數(shù)字化教學工具：3D打印的基礎是利用3D建模軟件設計好模型，再將實物打印出來。為了減少教學軟硬件迭代，方便師生快速上手操作，開封市十四中將先進的科學技術手段，如3D建模軟件3DOne（青少年三維創(chuàng)意設計軟件）和3D打印機等引入課堂，幫助學生實現(xiàn)創(chuàng)意物化，掌握基礎知識。學生們利用3DOne內的3D設計功能，有的會結合物理力學原理設計拱橋模型驗證自己的假設和猜想，不斷去修正模型。二、呼喚創(chuàng)新型師資賦能教師自主成長在倡導素質教育的今天，開封市第十四中學認為科創(chuàng)教育不能僅針對部分學生，應當是一個普惠性的體系，而課程是保證科創(chuàng)教育長效化和常態(tài)化的重要載體。我校在開展常態(tài)化的3D設計和打印課程之初，也曾遇到師資不足和課程資源缺乏兩大難題。針對這個現(xiàn)狀，學校一方面陸續(xù)組織信息技術、勞動技術、綜合實踐等有潛力的教師開展創(chuàng)客教育培訓，另一方面整合社會科創(chuàng)資源和教材中科創(chuàng)教育的素材，將3D創(chuàng)意設計與數(shù)學、物理、地理等學科進行融合，讓課程隨時滲透到日常的教學中。（一）完善課程建設，構建創(chuàng)新人才培養(yǎng)主渠道作為全國教育創(chuàng)新示范校，學校在應試教育與科創(chuàng)這種“重實踐”的教育之間尋找平衡點，依托自身成熟的“平臺+模塊+課程”三級課程結構，培植出生長力豐厚的科創(chuàng)課程體系。為此，教師團隊針對信息技術課進行合理優(yōu)化，在保證完成教材大綱制定內容的前提下，變成一周信息技術課一周創(chuàng)客教育普及化課程的模式，將創(chuàng)客教育普惠到每一位學子。目前，3D創(chuàng)意課程從最初的10人發(fā)展到現(xiàn)在的50人，從小班教學模式到如今的大班教學模式，得益于學校近年來創(chuàng)客課程的開發(fā)與實施。引進適合本校校情的創(chuàng)客教育課程，并著力實現(xiàn)本土化。學校采用自主開發(fā)、校企合作引入校外課程、整合社會科創(chuàng)資源等方法，創(chuàng)建普及性、普適性科創(chuàng)教育課程，內容涵蓋3D創(chuàng)意設計、3D打印、機械制造等十多類特色課程，既有注重思維訓練的，又有鍛煉動手搭建的，還有關注設計與展示的，形成了多點、多層、多樣的科創(chuàng)課程體系。截至本學期，學校現(xiàn)在共擁有各類校本課程30多種，實現(xiàn)了校本課程的多樣化、系列化，每個星期四下午第四節(jié)，是孩子們的狂歡節(jié)：創(chuàng)客空間、有趣的物理實驗、校園文化創(chuàng)意產(chǎn)品開發(fā)……這一個個課程和社團活動讓學生的思維與藝術觸角一步步延伸向遠方。緊跟“雙減”步伐，讓“優(yōu)質課”走向“常態(tài)課”。2021年伴隨著“雙減”的落地，為突破小范圍、班級制三維創(chuàng)意設計授課瓶頸，學校進行了三維創(chuàng)意設計課堂改革，構建起涵蓋基礎型課程、拓展型課程和活動型課程三大類別的3D創(chuàng)意設計課程圖譜?；A型課程主要是按照國家規(guī)定和課程標準設置，確保學生具備較為扎實的基礎知識，實現(xiàn)學科內知識內容的縱向整合。拓展型課程以促進不同層次學生的發(fā)展為本，開發(fā)出具有學校特色的3DOne校本課程，以優(yōu)化學生知識結構，使學生有機會了解科技發(fā)展的趨勢?；顒有驼n程則是為滿足學生的個性化需求，融合校內外的科研資源進行深度開發(fā)的具有挑戰(zhàn)性的課程，旨在培養(yǎng)創(chuàng)新型、拔尖型人才。把有利于學生主動的、全面的發(fā)展作為課程設計的出發(fā)點。學校建立了較為完善的管理機制，鼓勵教師積極參與到課程的研發(fā)中。各教研組組織教師一起對教材中有關科技的篇目進行歸納、整理、延展，編寫出科技活動課的實踐校本教材和以培養(yǎng)科學精神為主旨的專題校本教材，先后開發(fā)了《走進3DOne世界》等多本科技校本教材。（二）強化教研創(chuàng)新，夯實教師專業(yè)發(fā)展教師是科創(chuàng)教育實施的主力軍，也是創(chuàng)客課程開展的源動力。為了提升校內教師信息素養(yǎng)，保障教師專業(yè)發(fā)展。學校打破地區(qū)、學校壁壘，積極組織骨干教師參與教師信息化教學創(chuàng)新能力專項培訓、帶領專業(yè)教師開展課題研究等多種研修活動，促進教師隊伍的階梯式培養(yǎng)。一是加強校本創(chuàng)客教育培訓，從抓教師基本功入手。基于創(chuàng)客教育的跨學科性，學校主張全員教師培訓，普及三維創(chuàng)意設計、機器人等知識，力求每個學科的教師對創(chuàng)客課程有所了解，推動3D設計的多學科融合應用。二是豐富教研活動形式，拓展教研活動外延。通過教學技能評賽課、學習匯報課、公開觀摩課、網(wǎng)絡教研等多種課型開展教學質量調研。至今先后舉行了“一天一研”活動、新進教師“一天一研”展示課等活動，確保教研活動形成慣例，落到實處。先后多次邀請專家到校開展專題講座，支持老師們到外地學習培訓，在此基礎上，學校還加大了推進課改的力度，提出了“變‘教室’為‘學堂’、變‘教案’為‘學案’”的要求。目前，“同頭課展示”、“青年教師過關課”、“見習班主任拜師”等多種形式校本教研、業(yè)務自修活動開展得有聲有色，收到顯著效果。三是加強科創(chuàng)教育課題研究，建立完善的課題研究和管理制度。倡導全校師生積極承擔縣級、學區(qū)級科創(chuàng)教育課題研究任務，開展小課題研究工作。為了做好課程設計，省學科帶頭人張守義老師、開封市第十四中學信息技術老師張瑩老師組織10多位跨學科老師成立課程研究小組，定期進行集體大研討，保證每個年級每學期有不同的研究項目。同步啟動青年教師精準提升項目和中青年骨干教師精準培育項目，激活教師自我成長的內驅力，營造教師自主專業(yè)發(fā)展的良好態(tài)勢。開封市第十四中學的老師們在課程變革逐漸實現(xiàn)自我突破，完成從“被動輸血”到“自主造血”的轉變，我校的師資隊伍也在不斷壯大，在他們當中不乏有在數(shù)學課上利用三維模型講解“完全平方式”的，有在物理課上通過磁力模型演示“同性相斥，異性相吸”原理的，還有在地理課上借助3D建模軟件還原“等高線地形圖”的……3D設計教育在我校隨時發(fā)生。三、協(xié)同創(chuàng)新打造學生成長統(tǒng)一戰(zhàn)線一個學?？苿?chuàng)教育的發(fā)展不能沒有數(shù)字化環(huán)境的支撐，而數(shù)字化校園環(huán)境的建設不能單憑學校一方之力。我校認為，學校許多科創(chuàng)教育工作的開展必須和家長達成共識。否則，學校想開展建設，但家長不理解不支持，也達不到預期的效果。（一）家校共育，顛覆傳統(tǒng)教育理念孩子們在各類科創(chuàng)活動中彼此交流、相互成長，在老師們的帶領下積極參加區(qū)、市、國家級比賽，包括河南省青少年機器人競賽、全國學生信息素養(yǎng)提升實驗活動之3D創(chuàng)意設計賽項、世界教育機器人大賽（WER）2019中國賽區(qū)河南公開賽積木教育機器人普及賽等，并在大賽中大放異彩，頻頻獲獎。創(chuàng)客教育開展的初期，許多家長無法接受自己的孩子要多上一節(jié)看似在玩的課程。而現(xiàn)在，越來越多的家長在詢問怎樣讓自己的孩子更好地選修創(chuàng)客課程。因為家長們發(fā)現(xiàn)，接受創(chuàng)客教育的孩子各方面學習能力都得到了很大提升；面對同樣的問題，創(chuàng)新能力強的學生往往能給出更為多樣、深度的回答。（二）搭建寬領域、多層次的實踐平臺，讓教育不止發(fā)生在實體區(qū)域除了借助線下活動開展創(chuàng)客教育實踐活動，開封市第十四中學結合3DOne配套的線上平臺i3DOne青少年創(chuàng)意社區(qū)，為學生建立網(wǎng)絡學習平臺，帶領學生走出課堂，實現(xiàn)線上交流和資源互通；以線上平臺為抓手，實現(xiàn)“教-學-練-管-評”教學閉環(huán)。成果展示促交流。i3DOne社區(qū)為孩子們搭建了可以與全國中小學生交流的平臺，在這里孩子們可以找到共同學習的伙伴，營造良好的學習氛圍。為了便于三維創(chuàng)意設計教學活動開展，開封市第十四中學讓每個同學注冊成為社區(qū)會員，建立3D打印社團共享社區(qū)。學生基于3DOne創(chuàng)作的作品可隨時隨地上傳至社區(qū)并獲得豌豆獎勵，與遠方的創(chuàng)客愛好者分享創(chuàng)意，共同學習和提高3D設計技能。社區(qū)匯聚不同階段的課程資源，學生利用這些資源進行自主探究，獲得持續(xù)性的學習。對于學生來說，不必再羨慕“別人家”的老師，社區(qū)拓寬了學生享受優(yōu)質教學資源的渠道，幫助學生突破時空的限制，隨時隨地學習各種知識，提升自主學習和創(chuàng)作能力。（三）建立信息化創(chuàng)客檔案，讓學生的成長有跡可循為改變過去“重結果，輕過程”的評價方式，學校遵循評價內容合理、評價過程動態(tài)、評價方式多樣的原則，建立信息化《學生創(chuàng)客成長檔案》跟蹤記錄學生生的創(chuàng)客實踐、比賽獲獎等各環(huán)節(jié)情況，這樣一來既可以增強學生自我反思、主動發(fā)展的意識和能力，又能直觀展示學生的學習過程，讓家長放心省心，讓學生安心用心。跟蹤成長樹榜樣。在i3DOne社區(qū)，師生可通過作品創(chuàng)作、榮譽認證、等級認證等實時完成成果記錄和評價，有效解決了傳統(tǒng)課程記錄難、留存難、集中難等問題，打破時空限制，這些配置的打造，既實現(xiàn)了學生的自主成長，又方便了教師的課堂管理和學校成果呈現(xiàn)。借助i3DOne社區(qū)制定的會員成長等級機制和獎勵機制，開封市第十四中學對不同基礎的學生進行分層教學和結果評價：對于基礎較弱的學生，以能原模原樣制作出3D模型為基礎要求；對于學有余力的同學，鼓勵大膽創(chuàng)造，發(fā)揮想象，創(chuàng)造更有個性、更獨特的作品，優(yōu)秀學生可獲得i3DOne社區(qū)授予的“校園創(chuàng)客”榮譽證書。老師可以同步看到本班學生上傳的所有作品，并能及時地給予點評，提出作品的成功之處和修改意見。結合i3DOne“作品推優(yōu)”功能，教師可對學生的作品進行推優(yōu)，鼓勵學生創(chuàng)作。師生線上線下的教學互動，提升了創(chuàng)客課堂的效率與質量。事實上，3D設計與打印等科技課程的開設，激發(fā)了孩子們的求知欲，拓寬了他們的視野，使他們的學習生活豐富多彩，有更多的機會觀察和思考，孩子們不僅更加熱愛學習，而且變得更善于學。建校75年，我校每年中考成績在同類學校中均名列前茅，甚至遙遙領先。四、耕耘結碩果創(chuàng)生教育新契機隨風潛入夜，潤物細無聲。創(chuàng)客教育催生著開封第十四中學的蝶變，也時常給學校帶來意向不到的教育契機：“網(wǎng)蟲”遠離網(wǎng)絡。創(chuàng)客教育讓學生從“要我學”變成“我要學”，我們發(fā)現(xiàn)一些原來迷戀網(wǎng)絡游戲，經(jīng)常出入網(wǎng)吧不能自拔的孩子，在參加創(chuàng)客教育課程后，興趣發(fā)生了轉移，由“網(wǎng)蟲”逐步變成了建模高手或者機器人編程高手，眼中盡是五彩繽紛的世界。學困生重拾自信。一些學習習慣差、文化成績差的學生，在進行創(chuàng)意設計中找到感覺，找到自信。每年一度的“河南省青少年機器人競賽”、“全國信息素養(yǎng)提升實踐活動”等各類科技競賽成為他們展示自我的寬廣舞臺。有個獲得省級科技競賽以等獎的學生興奮地告訴班主任：長這么大，第一次做比賽作品，第一次拿到省級的獲獎證書。教師實現(xiàn)專業(yè)化成長。創(chuàng)客教育課程的開設，強化了教師的課程意識和課程責任，老師從開始擔心自己能力不足無法開設優(yōu)秀課程，到建立高效的備課制度，開發(fā)校本課程，老師也變得更加從容和自信。學校載譽滿滿。開封市第十四中學將創(chuàng)客教育融入素質教育中，不僅受到了師生的青睞，也受到了社會媒體等一致好評。自2016年開展創(chuàng)客教育實施以