3D创意设计与机器人教育融合创新夯实科创人才培养基础

3D创意设计与机器人教育融合创新，夯实科创人才培养基础此案例呈现的是河南省开封市第十四中学通过开展3D设计打印与机器人创客教育，解决学生课本知识与生活应用实践割裂问题的具体做法。传统的计算机课单一传授操作计算机的技能，而没有开设培养学生“创新精神和创造力”的课程，纯粹的理论学习使学生的大脑逐渐僵化，无法激发其兴趣和热情，教学效率也就不能得到应有的提升，教师和学生的可持续发展遇到了很大的阻碍。在此背景下开封市第十四中学以科技创新教育为学校素质教育改革的发力点，将3D创意设计教育、机器人教育等跨学科教育人才培养理念和方式引进课堂，通过在教学设施投入、教师专业培养、课程资源开发、学习空间创设等方面形成一体化发展体系，加速学校数字化校园建设，促进信息技术与创新教学融合发展，大力培养学生的动手创造和实践能力，实现学生核心素养培养，让素质教育回归本色。河南省开封市第十四中学（以下简称“开封第十四中学”）创建于1947年，坐落在八朝古都开封，是一所具有七十多年历史的传统名校。改革开放以来，学校共培养毕业生10000余人，其中升入重点高中的人数达8000余人，共有600多人次获国家级、省级学科竞赛奖励。在这些过往众多国家级别、省级竞赛奖励的科目中，我们发现学生主要集中参加主科偏理论性竞赛项目如物理、数学、英语等，而参与科创实践类的竞赛科目如信息技术等的却寥寥无几。针对学生存在创造性思维欠缺、创新能力不足、动手操作能力弱等现象，开封市第十四中学开始了传统教学方式变革的思考，寻求将课本和应用结合、学生创造力与动手实践能力结合的创客教育探索。一、建构系统思维解决学校科创教育发展之“困”科创教育的实施落地并不是一蹴而就，合理的规划是必要前提。基于此，在开封市第十四中学黄海燕校长的带领下，学校建立起稳定的科创领导班子和科技教师队伍。由教学副校长直接分管科技工作，负责教科室全面协调活动，科技辅导员负责具体操作，形成“校长挂帅、中层协力、教师指导”的合力氛围。2015年，开封市第十四中学的信息科技老师先行先试，有针对性地对市面上各类创客教育产品进行了学习和试用，并结合当下学生零基础、零认知的现状，从学生熟悉的玩具“机器人”、从小接触过的“画画”入手，将机器人教育、3D设计与打印教育等纳入学校科技教育的未来发展方向，并确定“图形化编程—三维模型设计——综合应用”的发展模式，通过问题解决式的、可视化的、合作式的学习项目，引导孩子们从3D打印基础、机器人搭建编程、开源硬件基础原理逐步走向以3D设计和打印和机器人搭建编程融合的综合学科应用，激发学生的兴趣及内在驱动力，实现课本知识与生活实践的有效衔接。（一）一手抓常规一手抓创新，逐步开展创客教育普及化以机器人教学为契机，激发学习兴趣。开封市第十四中学地处河南中部，相比于省会城市和东部的发展迅猛，更多的是偏向“小步子、常规化”的发展模式。为此，开封市第十四中学，选择了从社团为切入点，从建立兴趣班开始。开封市第十四中学于2015年成立机器人社团，面向全体学生招募对计算机、机器人有特长的学生，让学习自主发生。同时固定每周社团活动时间，落实课时保障。学生通过学习机器人基本知识与技能，完成机器人的基础搭建、编程控制等任务，逐步提升动手操作能力、三维空间想象能力和解决问题的思维能力。引进3D创意设计，加快推进创客教育普及。为满足不同基础学生的个性化发展需求，2016年开封市第十四中学在原有机器人课程体系的基础上，增加3D设计与打印课程，让学有余力的学生运用所学的理工科知识，发挥创意，根据自己的想象规划机器人设计方案，利用3D建模软件进行机器人的架构配件和外观装饰的改造，并利用3D打印机打印出来，定制更加个性化的硬件。学生借助数字化工具如3DOne（青少年三维创意软件）可快速制作出创意机器人等三维数字模型。三维创意设计在教与学上的便利性，为开封市第十四中学的创客教育提供了另一种途径。通过3DOne三维创意设计课程，即使学生没有设计基础，也可以通过简单的堆砌、拖拉等操作完成创意物品的制作，获得成就感和创作能力提升。为此，开封市第十四中学开始了3D创意设计课程的尝试，并将3D设计与3D打印技术融合，逐渐形成“兴趣导向—课题研究—系统培训—自主学习—互动实践”的教学模式和路径。（二）建设创新实验室群，释放学生创作潜力创新实验室的建设为学生的实践提供了强有力的支撑。开封市第十四中学努力构建科创文化氛围，积极营造科普教育环境，充分利用校内的宣传阵地，如黑板报、校园网等对近现代的中外科技创新成果、科技人才的先进事迹进行科普宣传，及时转播国家科技时事新闻等，校图书馆订阅和购买科技书刊杂志数百种，引领学生走近科技前沿，开拓视野。在科创空间建设上，开封市第十四中学着力打造2个配套，以促进学生科创实践。配套多功能实践空间：开封市第十四中学目前已建成3D打印实验室，机器人教室、等十多个创新实验室，涉及多个领域，形成了集实验演示、动手实践、拓展探究于一体的实验室群，这些功能教室的设立，让学生能够根据自己的兴趣特长，自主选择，满足学生多样化成长的需求，同时让学生在此过程中学会合作、发展个性，为师生提供了基础型教学和学习的保障。同学们在现有活动室里利用3D打印技术，可以在实验室内亲历从创意想法到图纸再到实物的全过程，将图纸上的个性化创意作品真正“造”出来，进一步跨出了画画草图、纸上谈兵的阶段。配套数字化教学工具：3D打印的基础是利用3D建模软件设计好模型，再将实物打印出来。为了减少教学软硬件迭代，方便师生快速上手操作，开封市十四中将先进的科学技术手段，如3D建模软件3DOne（青少年三维创意设计软件）和3D打印机等引入课堂，帮助学生实现创意物化，掌握基础知识。学生们利用3DOne内的3D设计功能，有的会结合物理力学原理设计拱桥模型验证自己的假设和猜想，不断去修正模型。二、呼唤创新型师资赋能教师自主成长在倡导素质教育的今天，开封市第十四中学认为科创教育不能仅针对部分学生，应当是一个普惠性的体系，而课程是保证科创教育长效化和常态化的重要载体。我校在开展常态化的3D设计和打印课程之初，也曾遇到师资不足和课程资源缺乏两大难题。针对这个现状，学校一方面陆续组织信息技术、劳动技术、综合实践等有潜力的教师开展创客教育培训，另一方面整合社会科创资源和教材中科创教育的素材，将3D创意设计与数学、物理、地理等学科进行融合，让课程随时渗透到日常的教学中。（一）完善课程建设，构建创新人才培养主渠道作为全国教育创新示范校，学校在应试教育与科创这种“重实践”的教育之间寻找平衡点，依托自身成熟的“平台+模块+课程”三级课程结构，培植出生长力丰厚的科创课程体系。为此，教师团队针对信息技术课进行合理优化，在保证完成教材大纲制定内容的前提下，变成一周信息技术课一周创客教育普及化课程的模式，将创客教育普惠到每一位学子。目前，3D创意课程从最初的10人发展到现在的50人，从小班教学模式到如今的大班教学模式，得益于学校近年来创客课程的开发与实施。引进适合本校校情的创客教育课程，并着力实现本土化。学校采用自主开发、校企合作引入校外课程、整合社会科创资源等方法，创建普及性、普适性科创教育课程，内容涵盖3D创意设计、3D打印、机械制造等十多类特色课程，既有注重思维训练的，又有锻炼动手搭建的，还有关注设计与展示的，形成了多点、多层、多样的科创课程体系。截至本学期，学校现在共拥有各类校本课程30多种，实现了校本课程的多样化、系列化，每个星期四下午第四节，是孩子们的狂欢节：创客空间、有趣的物理实验、校园文化创意产品开发……这一个个课程和社团活动让学生的思维与艺术触角一步步延伸向远方。紧跟“双减”步伐，让“优质课”走向“常态课”。2021年伴随着“双减”的落地，为突破小范围、班级制三维创意设计授课瓶颈，学校进行了三维创意设计课堂改革，构建起涵盖基础型课程、拓展型课程和活动型课程三大类别的3D创意设计课程图谱。基础型课程主要是按照国家规定和课程标准设置，确保学生具备较为扎实的基础知识，实现学科内知识内容的纵向整合。拓展型课程以促进不同层次学生的发展为本，开发出具有学校特色的3DOne校本课程，以优化学生知识结构，使学生有机会了解科技发展的趋势。活动型课程则是为满足学生的个性化需求，融合校内外的科研资源进行深度开发的具有挑战性的课程，旨在培养创新型、拔尖型人才。把有利于学生主动的、全面的发展作为课程设计的出发点。学校建立了较为完善的管理机制，鼓励教师积极参与到课程的研发中。各教研组组织教师一起对教材中有关科技的篇目进行归纳、整理、延展，编写出科技活动课的实践校本教材和以培养科学精神为主旨的专题校本教材，先后开发了《走进3DOne世界》等多本科技校本教材。（二）强化教研创新，夯实教师专业发展教师是科创教育实施的主力军，也是创客课程开展的源动力。为了提升校内教师信息素养，保障教师专业发展。学校打破地区、学校壁垒，积极组织骨干教师参与教师信息化教学创新能力专项培训、带领专业教师开展课题研究等多种研修活动，促进教师队伍的阶梯式培养。一是加强校本创客教育培训，从抓教师基本功入手。基于创客教育的跨学科性，学校主张全员教师培训，普及三维创意设计、机器人等知识，力求每个学科的教师对创客课程有所了解，推动3D设计的多学科融合应用。二是丰富教研活动形式，拓展教研活动外延。通过教学技能评赛课、学习汇报课、公开观摩课、网络教研等多种课型开展教学质量调研。至今先后举行了“一天一研”活动、新进教师“一天一研”展示课等活动，确保教研活动形成惯例，落到实处。先后多次邀请专家到校开展专题讲座，支持老师们到外地学习培训，在此基础上，学校还加大了推进课改的力度，提出了“变‘教室’为‘学堂’、变‘教案’为‘学案’”的要求。目前，“同头课展示”、“青年教师过关课”、“见习班主任拜师”等多种形式校本教研、业务自修活动开展得有声有色，收到显著效果。三是加强科创教育课题研究，建立完善的课题研究和管理制度。倡导全校师生积极承担县级、学区级科创教育课题研究任务，开展小课题研究工作。为了做好课程设计，省学科带头人张守义老师、开封市第十四中学信息技术老师张莹老师组织10多位跨学科老师成立课程研究小组，定期进行集体大研讨，保证每个年级每学期有不同的研究项目。同步启动青年教师精准提升项目和中青年骨干教师精准培育项目，激活教师自我成长的内驱力，营造教师自主专业发展的良好态势。开封市第十四中学的老师们在课程变革逐渐实现自我突破，完成从“被动输血”到“自主造血”的转变，我校的师资队伍也在不断壮大，在他们当中不乏有在数学课上利用三维模型讲解“完全平方式”的，有在物理课上通过磁力模型演示“同性相斥，异性相吸”原理的，还有在地理课上借助3D建模软件还原“等高线地形图”的……3D设计教育在我校随时发生。三、协同创新打造学生成长统一战线一个学校科创教育的发展不能没有数字化环境的支撑，而数字化校园环境的建设不能单凭学校一方之力。我校认为，学校许多科创教育工作的开展必须和家长达成共识。否则，学校想开展建设，但家长不理解不支持，也达不到预期的效果。（一）家校共育，颠覆传统教育理念孩子们在各类科创活动中彼此交流、相互成长，在老师们的带领下积极参加区、市、国家级比赛，包括河南省青少年机器人竞赛、全国学生信息素养提升实验活动之3D创意设计赛项、世界教育机器人大赛（WER）2019中国赛区河南公开赛积木教育机器人普及赛等，并在大赛中大放异彩，频频获奖。创客教育开展的初期，许多家长无法接受自己的孩子要多上一节看似在玩的课程。而现在，越来越多的家长在询问怎样让自己的孩子更好地选修创客课程。因为家长们发现，接受创客教育的孩子各方面学习能力都得到了很大提升；面对同样的问题，创新能力强的学生往往能给出更为多样、深度的回答。（二）搭建宽领域、多层次的实践平台，让教育不止发生在实体区域除了借助线下活动开展创客教育实践活动，开封市第十四中学结合3DOne配套的线上平台i3DOne青少年创意社区，为学生建立网络学习平台，带领学生走出课堂，实现线上交流和资源互通；以线上平台为抓手，实现“教-学-练-管-评”教学闭环。成果展示促交流。i3DOne社区为孩子们搭建了可以与全国中小学生交流的平台，在这里孩子们可以找到共同学习的伙伴，营造良好的学习氛围。为了便于三维创意设计教学活动开展，开封市第十四中学让每个同学注册成为社区会员，建立3D打印社团共享社区。学生基于3DOne创作的作品可随时随地上传至社区并获得豌豆奖励，与远方的创客爱好者分享创意，共同学习和提高3D设计技能。社区汇聚不同阶段的课程资源，学生利用这些资源进行自主探究，获得持续性的学习。对于学生来说，不必再羡慕“别人家”的老师，社区拓宽了学生享受优质教学资源的渠道，帮助学生突破时空的限制，随时随地学习各种知识，提升自主学习和创作能力。（三）建立信息化创客档案，让学生的成长有迹可循为改变过去“重结果，轻过程”的评价方式，学校遵循评价内容合理、评价过程动态、评价方式多样的原则，建立信息化《学生创客成长档案》跟踪记录学生生的创客实践、比赛获奖等各环节情况，这样一来既可以增强学生自我反思、主动发展的意识和能力，又能直观展示学生的学习过程，让家长放心省心，让学生安心用心。跟踪成长树榜样。在i3DOne社区，师生可通过作品创作、荣誉认证、等级认证等实时完成成果记录和评价，有效解决了传统课程记录难、留存难、集中难等问题，打破时空限制，这些配置的打造，既实现了学生的自主成长，又方便了教师的课堂管理和学校成果呈现。借助i3DOne社区制定的会员成长等级机制和奖励机制，开封市第十四中学对不同基础的学生进行分层教学和结果评价：对于基础较弱的学生，以能原模原样制作出3D模型为基础要求；对于学有余力的同学，鼓励大胆创造，发挥想象，创造更有个性、更独特的作品，优秀学生可获得i3DOne社区授予的“校园创客”荣誉证书。老师可以同步看到本班学生上传的所有作品，并能及时地给予点评，提出作品的成功之处和修改意见。结合i3DOne“作品推优”功能，教师可对学生的作品进行推优，鼓励学生创作。师生线上线下的教学互动，提升了创客课堂的效率与质量。事实上，3D设计与打印等科技课程的开设，激发了孩子们的求知欲，拓宽了他们的视野，使他们的学习生活丰富多彩，有更多的机会观察和思考，孩子们不仅更加热爱学习，而且变得更善于学。建校75年，我校每年中考成绩在同类学校中均名列前茅，甚至遥遥领先。四、耕耘结硕果创生教育新契机随风潜入夜，润物细无声。创客教育催生着开封第十四中学的蝶变，也时常给学校带来意向不到的教育契机：“网虫”远离网络。创客教育让学生从“要我学”变成“我要学”，我们发现一些原来迷恋网络游戏，经常出入网吧不能自拔的孩子，在参加创客教育课程后，兴趣发生了转移，由“网虫”逐步变成了建模高手或者机器人编程高手，眼中尽是五彩缤纷的世界。学困生重拾自信。一些学习习惯差、文化成绩差的学生，在进行创意设计中找到感觉，找到自信。每年一度的“河南省青少年机器人竞赛”、“全国信息素养提升实践活动”等各类科技竞赛成为他们展示自我的宽广舞台。有个获得省级科技竞赛以等奖的学生兴奋地告诉班主任：长这么大，第一次做比赛作品，第一次拿到省级的获奖证书。教师实现专业化成长。创客教育课程的开设，强化了教师的课程意识和课程责任，老师从开始担心自己能力不足无法开设优秀课程，到建立高效的备课制度，开发校本课程，老师也变得更加从容和自信。学校载誉满满。开封市第十四中学将创客教育融入素质教育中，不仅受到了师生的青睐，也受到了社会媒体等一致好评。自2016年开展创客教育实施以