基于激光切割雕刻机的STEM课程的研究

张培喜 翟召东 郑咏梅

(1.山东省青岛第六十八中学 山东青岛 266102；2.青岛职业技术学院教育学院 山东青岛 266555）

2017年，中国教育科学研究院STEM教育研究中心发布了《中国STEM教育白皮书》，并启动“中国STEM教育2029行动计划”，以期实现“让STEM教育惠及最广泛的学生群体，让科学思维与创新能力成为每一个孩子的成长基因”[1]的教育理想。STEM教育已经成为影响学生未来事业是否成功和我国经济状况的关键因素[2]。

随着激光切割雕刻技术的不断发展，其应用领域也越来越广。兼具产品设计与制造高效、便捷等优点的激光切割雕刻机作为教育装备的一项重要资源走进了学校，为学校STEM教育发挥了较大的作用。它帮助学生将自己的设计思想表达和物化出来[3]，为其创新制造提供有效的帮助。为使学生更好地使用激光切割雕刻机，提升创新能力，其相应的配套课程亟待开发和建设。本课题组几年来孜孜以求，开发出适合学校师生的基于激光切割雕刻机的STEM课程。本课程良好的效果在实践中得到了有效的验证。

一、前期调研

（一）被试

本研究被试为某市区和郊区部分普通高中学校的教师和学生，回收有效教师问卷67份、学生问卷1 359份。被试的基本情况详见表1、表2。

表1 教师被试基本情况

表2 学生被试基本情况

（二）研究工具

本研究自编问卷，通过对教师、学生的调查掌握当前基于激光切割雕刻机的STEM课程的需求与现状，师生问卷均设计了16道题目。

（三）施测程序

本研究借助问卷星平台通过网络进行施测。学生问卷通过技术课团体施测，教师问卷通过微信群进行施测。

（四）结果

1.学校激光切割雕刻机的配备不理想

调查结果表明，只有26.87%的教师所在学校配备了激光切割雕刻机，配备情况不理想。但进一步访谈得知，随着科技创新类教室的不断建设或更新，更多的学校将会配备激光切割雕刻机，从而具备本课程开设的硬件条件。

2.师生的激光切割雕刻机操作能力不理想

调查结果表明，17.91%的教师参加过相关的培训或学习，对激光切割雕刻机有所了解，只有2.99%的教师能够熟练操作，86.57%的教师“一点不会”。然而，绝大多数的教师认识到此项能力的重要性，并希望通过参加相关的培训或学习来提升自己。因此，教师操作能力不理想的调查结果既是本课程开发的阻力，又是助力。

只有极少数学生接触过相关的课程，能够对激光切割雕刻机进行熟练操作，大部分学生对设备和相关的课程不了解，72.33%的学生“一点不会”。这种状况应该与设备的配备及学校的重视度有较大的关系。

3.学生对激光切割雕刻机的STEM课程的需求度很高

虽然学生的设备操作能力不理想，但是，89.99%的学生对使用该设备开展的创新制作、STEM学习等兴趣较高。81.31%的学生希望学校为其开设相关的课程，84.33%的学生希望配备相关的教材。学生的高需求是本课程开发的现实基础和原发动力。

4.学生对课程内容有明确的需求方向

调查结果表明，模型、雕刻画、挂饰、实用物品、相框、飞机模型等课程内容的关键词出现的频率较高。这表明了学生对课程内容有明确的需求方向，也是本课程内容开发的依据。

二、基于激光切割雕刻机的STEM课程的开发与建设

调查结果表明，学校师生对基于激光切割雕刻机的STEM课程和教材有较高的需求，而普通高中通用技术课程标准（教育部2017年版）也明确要求学生能够运用数字化的加工设备制作简单产品的模型或原型[4]。笔者长期从事普通高中通用技术课程教学，并带领学生开展各类科技创新活动，深刻体会到激光切割雕刻机在学生创新实践活动及STEM教学中的优势，于是在教学实践中大胆创新，开设了《基于激光切割雕刻机的STEM课程》的校本课，收到了良好的效果。笔者下面将课程开发建设与实施情况进行梳理总结，为学校师生及其他爱好者提供借鉴，同时提高中小学教师对激光切割雕刻机的认识及在STEM教育中的应用，为基于激光切割雕刻机的STEM教育实践探索尽绵薄之力。

（一）课程性质

本课程是以《中国STEM教育白皮书》和《STEM教师能力等级标准》为主要依据，在落实STEM课程校本化的基础上，以激光切割雕刻机为载体，融合多学科知识，结合现实生活中的应用情境，借助与学生联系密切的现实生活中的具体项目，帮助学生学会运用先进的技术手段辅助解决现实生活中遇到的问题。这是以培养学生项目式学习与动手实践能力为核心的课程，16学时，1学分。

（二）课程目标

学生通过项目学习和创客作品制作，了解激光切割雕刻机的工作原理、操作流程等基础知识，深入体验激光切割雕刻机的功能，熟练掌握计算机辅助设计软件的操作，将自己的设计构思转化为现实。它提升了学生的创新能力、综合实践能力和人文素养，使其感受科技魅力、提升幸福感。

（三）课程特色

依据调查问卷收集到的信息，结合校本课程实施中学生反馈的信息，本课程在内容制定时充分考虑学生的意愿和需求，兼顾课程内容的趣味性、可操作性、普适性。

1.主题新颖独特

本课程的每一章都有一个新颖独特的主题，该章中的教学项目全部是围绕这一主题展开。其主题的确定考虑了国情、时代特色、道德品质培养等诸多因素，使学生在掌握激光切割雕刻机知识、开展STEM学习的同时增强文化自信、培养爱国情怀、感受科技进步、懂得知恩图报。

2.项目内容贴合学生生活

本课程所有教学项目内容都是围绕相应主题而选取，均与学生生活贴合紧密。比如，代表青岛特色的“五月的风”雕塑模型、个性化小夜灯、桥梁结构模型等制作项目。

3.注重人文素养提升

本课程每一章节都精选了与本章节内容相关的科技名人和名言警句。作为人类文明和智慧提炼的名言警句，其可以启迪学生的创造思维、陶冶他们的高尚情操、培养他们的积极心态、塑造他们健康的人格。科技名人是人类文明的创造者和传播者，蕴含巨大的激励价值和教育价值[5]。学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.情景导入自然高效

在项目教学内容开始之前，本课程创设合理情境，让学生能快速融入情境之中。这样，项目教学内容过渡得更加柔和，并能激发学生的学习情趣，提高学习效率。

（四）课程结构

表3 课程结构

续表

（五）课程实施方式

本课程的实施主要以校本课程、社团课程为主阵地，同时也可以借助《通用技术》课程来实施。本课程实施范围广泛，可以运用到各个学段。

（六）课程考核方式

本课程的过程性评价（出勤、参与度等）40%+作品评价40%+研究报告20%=100%。

（七）课程效果

1.课程评价表

为了解本课程的实施效果，本研究通过设计的《基于激光切割雕刻机的STEM课程评价表》进行课程效果调查，从各项目和课程总体评价两个方面进行。其中，“1=非常不满意，2=不满意，3=基本满意，4=比较满意，5=非常满意”[6]。本研究发放评价表30份，回收有效评价表29份，有效率97%，结果见表4。

表4 课程效果评价统计表

由表4可知，各项目满意度均在4.80及以上，课程总体评价满意度为4.95。这说明本课程得到了学生的认可，实现了课程目标。

2.课程收获和感悟摘录

一学期的时光眨眼已逝。学生手捧雕刻作品的那一刻，充满成功的喜悦和感动。小文同学说：“制作的过程、雕刻的神奇将永远印刻在我的脑海里，成为高中永远的美好回忆。”

小婧同学说：“一年时光飞逝，创客社团活动仍历历在目，遥想初入社团时，我还是一脸茫然、不知所措的小白，而今已是深谙AutoCAD等设计软件、熟练操作激光切割雕刻机、自信卓然的大侠了。”