基于激光切割雕刻機的STEM課程的研究

張培喜 翟召東 鄭詠梅

(1.山東省青島第六十八中學 山東青島 266102；2.青島職業技術學院教育學院 山東青島 266555）

2017年，中國教育科學研究院STEM教育研究中心發布了《中國STEM教育白皮書》，并啟動“中國STEM教育2029行動計劃”，以期實現“讓STEM教育惠及最廣泛的學生群體，讓科學思維與創新能力成為每一個孩子的成長基因”[1]的教育理想。STEM教育已經成為影響學生未來事業是否成功和我國經濟狀況的關鍵因素[2]。

隨著激光切割雕刻技術的不斷發展，其應用領域也越來越廣。兼具產品設計與制造高效、便捷等優點的激光切割雕刻機作為教育裝備的一項重要資源走進了學校，為學校STEM教育發揮了較大的作用。它幫助學生將自己的設計思想表達和物化出來[3]，為其創新制造提供有效的幫助。為使學生更好地使用激光切割雕刻機，提升創新能力，其相應的配套課程亟待開發和建設。本課題組幾年來孜孜以求，開發出適合學校師生的基于激光切割雕刻機的STEM課程。本課程良好的效果在實踐中得到了有效的驗證。

一、前期調研

（一）被試

本研究被試為某市區和郊區部分普通高中學校的教師和學生，回收有效教師問卷67份、學生問卷1 359份。被試的基本情況詳見表1、表2。

表1 教師被試基本情況

表2 學生被試基本情況

（二）研究工具

本研究自編問卷，通過對教師、學生的調查掌握當前基于激光切割雕刻機的STEM課程的需求與現狀，師生問卷均設計了16道題目。

（三）施測程序

本研究借助問卷星平臺通過網絡進行施測。學生問卷通過技術課團體施測，教師問卷通過微信群進行施測。

（四）結果

1.學校激光切割雕刻機的配備不理想

調查結果表明，只有26.87%的教師所在學校配備了激光切割雕刻機，配備情況不理想。但進一步訪談得知，隨著科技創新類教室的不斷建設或更新，更多的學校將會配備激光切割雕刻機，從而具備本課程開設的硬件條件。

2.師生的激光切割雕刻機操作能力不理想

調查結果表明，17.91%的教師參加過相關的培訓或學習，對激光切割雕刻機有所了解，只有2.99%的教師能夠熟練操作，86.57%的教師“一點不會”。然而，絕大多數的教師認識到此項能力的重要性，并希望通過參加相關的培訓或學習來提升自己。因此，教師操作能力不理想的調查結果既是本課程開發的阻力，又是助力。

只有極少數學生接觸過相關的課程，能夠對激光切割雕刻機進行熟練操作，大部分學生對設備和相關的課程不了解，72.33%的學生“一點不會”。這種狀況應該與設備的配備及學校的重視度有較大的關系。

3.學生對激光切割雕刻機的STEM課程的需求度很高

雖然學生的設備操作能力不理想，但是，89.99%的學生對使用該設備開展的創新制作、STEM學習等興趣較高。81.31%的學生希望學校為其開設相關的課程，84.33%的學生希望配備相關的教材。學生的高需求是本課程開發的現實基礎和原發動力。

4.學生對課程內容有明確的需求方向

調查結果表明，模型、雕刻畫、掛飾、實用物品、相框、飛機模型等課程內容的關鍵詞出現的頻率較高。這表明了學生對課程內容有明確的需求方向，也是本課程內容開發的依據。

二、基于激光切割雕刻機的STEM課程的開發與建設

調查結果表明，學校師生對基于激光切割雕刻機的STEM課程和教材有較高的需求，而普通高中通用技術課程標準（教育部2017年版）也明確要求學生能夠運用數字化的加工設備制作簡單產品的模型或原型[4]。筆者長期從事普通高中通用技術課程教學，并帶領學生開展各類科技創新活動，深刻體會到激光切割雕刻機在學生創新實踐活動及STEM教學中的優勢，于是在教學實踐中大膽創新，開設了《基于激光切割雕刻機的STEM課程》的校本課，收到了良好的效果。筆者下面將課程開發建設與實施情況進行梳理總結，為學校師生及其他愛好者提供借鑒，同時提高中小學教師對激光切割雕刻機的認識及在STEM教育中的應用，為基于激光切割雕刻機的STEM教育實踐探索盡綿薄之力。

（一）課程性質

本課程是以《中國STEM教育白皮書》和《STEM教師能力等級標準》為主要依據，在落實STEM課程校本化的基礎上，以激光切割雕刻機為載體，融合多學科知識，結合現實生活中的應用情境，借助與學生聯系密切的現實生活中的具體項目，幫助學生學會運用先進的技術手段輔助解決現實生活中遇到的問題。這是以培養學生項目式學習與動手實踐能力為核心的課程，16學時，1學分。

（二）課程目標

學生通過項目學習和創客作品制作，了解激光切割雕刻機的工作原理、操作流程等基礎知識，深入體驗激光切割雕刻機的功能，熟練掌握計算機輔助設計軟件的操作，將自己的設計構思轉化為現實。它提升了學生的創新能力、綜合實踐能力和人文素養，使其感受科技魅力、提升幸福感。

（三）課程特色

依據調查問卷收集到的信息，結合校本課程實施中學生反饋的信息，本課程在內容制定時充分考慮學生的意愿和需求，兼顧課程內容的趣味性、可操作性、普適性。

1.主題新穎獨特

本課程的每一章都有一個新穎獨特的主題，該章中的教學項目全部是圍繞這一主題展開。其主題的確定考慮了國情、時代特色、道德品質培養等諸多因素，使學生在掌握激光切割雕刻機知識、開展STEM學習的同時增強文化自信、培養愛國情懷、感受科技進步、懂得知恩圖報。

2.項目內容貼合學生生活

本課程所有教學項目內容都是圍繞相應主題而選取，均與學生生活貼合緊密。比如，代表青島特色的“五月的風”雕塑模型、個性化小夜燈、橋梁結構模型等制作項目。

3.注重人文素養提升

本課程每一章節都精選了與本章節內容相關的科技名人和名言警句。作為人類文明和智慧提煉的名言警句，其可以啟迪學生的創造思維、陶冶他們的高尚情操、培養他們的積極心態、塑造他們健康的人格?？萍济耸侨祟愇拿鞯膭撛煺吆蛡鞑フ?，蘊含巨大的激勵價值和教育價值[5]。學生可在感受科技名人的人格魅力和巨匠精神中提升自己。

4.情景導入自然高效

在項目教學內容開始之前，本課程創設合理情境，讓學生能快速融入情境之中。這樣，項目教學內容過渡得更加柔和，并能激發學生的學習情趣，提高學習效率。

（四）課程結構

表3 課程結構

續表

（五）課程實施方式

本課程的實施主要以校本課程、社團課程為主陣地，同時也可以借助《通用技術》課程來實施。本課程實施范圍廣泛，可以運用到各個學段。

（六）課程考核方式

本課程的過程性評價（出勤、參與度等）40%+作品評價40%+研究報告20%=100%。

（七）課程效果

1.課程評價表

為了解本課程的實施效果，本研究通過設計的《基于激光切割雕刻機的STEM課程評價表》進行課程效果調查，從各項目和課程總體評價兩個方面進行。其中，“1=非常不滿意，2=不滿意，3=基本滿意，4=比較滿意，5=非常滿意”[6]。本研究發放評價表30份，回收有效評價表29份，有效率97%，結果見表4。

表4 課程效果評價統計表

由表4可知，各項目滿意度均在4.80及以上，課程總體評價滿意度為4.95。這說明本課程得到了學生的認可，實現了課程目標。

2.課程收獲和感悟摘錄

一學期的時光眨眼已逝。學生手捧雕刻作品的那一刻，充滿成功的喜悅和感動。小文同學說：“制作的過程、雕刻的神奇將永遠印刻在我的腦海里，成為高中永遠的美好回憶?！?/p>

小婧同學說：“一年時光飛逝，創客社團活動仍歷歷在目，遙想初入社團時，我還是一臉茫然、不知所措的小白，而今已是深諳AutoCAD等設計軟件、熟練操作激光切割雕刻機、自信卓然的大俠了?！?/p>