EDIPT设计思维模型下的STEM课程

◇沈怡桑 罗德清（江苏：常熟伦华外国语学校）

3D打印能帮助学生将脑海中的创意通过3D建模软件，转换为立体模型，再通过3D打印机打印出个性化定制的真实物体。学生在此过程中，感受设计所带来的乐趣。然而，大部分老师在3D打印的STEM课程的课堂教学过程中，并没有充分发挥3D打印个性化定制的特征，没有充分挖掘3D打印的内涵，激发学生的创新意识，导致3D打印教学活动的实施效果欠佳，学生的创造能力、学习能力等综合素质的培养令人不太满意。对于这样的普遍现象，笔者在3D打印课程中融入设计思维，从设计思维的角度培养学生的创新意识，激发学生的创作力、学习力。

一、研究背景

（一）STEM课程下3D打印教育现状分析

在STEM课程中，老师更应当强调学生的学习过程，而非学习结果，始终以培养学生综合素质为教学目标。STEM课程往往以项目的形式展开，从提出问题到解决问题，始终以学生为中心，老师在各环节中均担任辅助、引导的角色。学生在STEM课程的学习过程中，自然而然会运用多学科知识进行探究实践。

在这样的课程理念下，需要易于操作的技术或平台支持，而3D打印正是这样一个易于实现的平台。它可以是完成虚拟环境中的操作，也能将虚拟物体转化为现实，这为STEM课程的实施提供了强大的支撑。学生在3D打印的学习中，能将心中所想，通过建模、打印的过程变得真实，体验从无到有的过程，大大激发了学生学习的积极性，因此在目前很多中小学中开设了3D打印的STEM课程。但在3D打印课程的具体实施过程中，仍存在一个普遍问题，即过于强调技术。由于开展3D打印课程的老师多数为信息技术老师，他们在不经意间注重了学生的建模过程，以三维建模为主，这就导致技术型课堂的出现，影响了学生主动性及设计思维、创造能力等一些综合素质的培养，这对培养未来优秀人才是不可取的。

（二）EDIPT设计思维模型

设计思维强调以人为中心，强调用户的真实体验，运用创新思维及手段解决实践问题。斯坦福大学设计思维学院（D.School）将设计分为共情、定义、构思、原型实现和测试优化五个步骤，这些步骤以更灵活和非线性的方式进行。共情阶段，是指从用户角度出发，体会用户感受，理解用户真实需求，这是设计思维的重要特征；定义阶段，要求设计者明确做什么，准备达到什么样的目的；构思阶段是解决问题的关键，设计者经过一番头脑风暴，提出具有最佳创意的解决方案；原型实现阶段是根据解决方案实践的过程，将方案转化为实际作品；测试优化阶段是通过测试的过程，提出改进优化方案，通过更新迭代使作品更合理优化。该设计思维的五个阶段简称为EDIPT模型，学习者经过一番头脑风暴并通过反复操作实践，不断完善解决实际问题，从而提升创造能力及学习能力等综合素质。EDIPT模型下的3D打印课能让学生更完整地体验3D打印创造的过程。

二、基于EDIPT设计思维的3D打印教学实践

基于设计思维模型下的学习能发挥并提升学生的创造力，在3D打印的学习过程中引入EDIPT模型能培养学生发现问题、解决问题的能力，在探索、发现、实践的过程中，激发学生的创造能力、学习能力等。该教学实践案例在小学阶段的3D打印社团的课堂中开展实践，旨在研究EDIPT设计思维模型下的3D打印教学设计。

（一）主题的确定

几年前，带学生参加过一次3D打印创新设计大赛，比赛围绕三个主题准备，分别为生活类、艺术类、环保类。学生提交了两份作品，分别为工具收纳盒及创意景观盆，以改造塑料瓶、变废为宝为亮点。基于这次有趣的比赛体验，我发现塑料瓶改造是一个有意义的项目。塑料瓶是贴近学生生活实际的一件物品，大量的塑料瓶给环境造成了一定污染，除了进行垃圾合理分类回收之外，我们还可以对塑料瓶进行“再定义”，变废为宝，借此激发学生创意、培养设计意识、锻炼学生小组合作能力。于是，我开展了基于EDIPT设计思维下改造塑料瓶项目教学。

（二）教学实践过程

以“改造塑料瓶”项目为例，该项目主要分为五课时，围绕认识塑料瓶的危害、认识不同形状塑料瓶的作用展开，然后，通过小组合作的方式，分别提出改造塑料瓶方案、初步形成图纸，最后，结合身边材料，初步完成塑料瓶改造。下面是该项目的第四、五课时的教学过程，学生将结合3D打印的方式改造塑料瓶。

文王适逢商周改朝换代大变革时代，他在囚牢里演绎《周易》而被后人冠以“圣人”。传说在周朝初期，《周易》为周天子的家藏密传书，是传给子孙后代修身养性齐家治国平天下的智慧学。孔子说他五十而研易，大约在孔子时期，《周易》开始从官家流落到民间，孔子才得到接触《周易》的机会。孔子的《十翼》是对《周易》阴阳消长对立统一哲学内核的挖掘和重要诠释，在易学史上具有承前启后的划时代意义，然而只是在《卦序传》中留下了遗憾的缺陷。本文为《易经》最新研究成果，修改后的《易经》64卦卦序，符合文王卦辞／爻辞内容的排序逻辑。比干八宫揭示：

共情思考——发现问题

课堂上，各小组纷纷对1.0版本的作品进行展示介绍，接着各组针对任一小组的作品进行评价、提出建议。此环节将作品置于实际生活场景中，从用户真实体验角度出发，引导学生发现并思考作品中存在的问题，在真实的场景中发散思维，建立设计思维。

设计思维遵从以人为本的原则，强化学生的自我思维意识，通过各组学生对作品的“吐槽”，让各组在交流的基础上形成共情，初步感受设计思维，并为下一环节奠定基础。

需求定义——确定问题

各组学生结合自身体验感受及用户的建议，将大家的“吐槽”点精准提炼，明确要解决的实际问题。根据课上的反馈情况，各小组均存在明显的问题：有的小组计划制作洒水壶，但由于工具、材料等的限制，不方便制作洒水喷头；有的小组计划制作的是植物景观容器，但处理后的塑料瓶存在边缘锋利、易剐伤的问题，需要对边缘处进行防剐设计；有的小组设计的是盆栽，但容器材料不具备渗水功能。

需求定义这一环节能帮助各小组明确自己的项目方向，引出后续方案的提出。

创意构思——明确方案

根据需求定义环节，各小组都有以下几个问题需要解决，即材料易变形、不牢固等，这时，我们就引出了3D打印技术，各小组主要围绕设计合理的模型问题展开深刻讨论，进行头脑风暴，发散思维，提出多种解决问题的方案，并得出最优解决方案。

在该环节中，通过成员间的思维碰撞，确定最终设计方案，能够锻炼学生创意构思的方法，提升自身的设计思维，让设计思维通过语言、文字、图形等形式得以表达。

原型实现——建模创作

此时，学生进行到了建模环节，要将最优方案付诸实践。老师在此环节中可提供大量的帮助学习视频，以满足不同小组的学习需求，对具有普遍性的操作难点，应在课堂上进行重点阐述并演示。各小组主要通过合作探究的方式完成模型的创作，并在建模过程中体验不断调整改进的过程。

在课堂上，大部分小组能完成建模环节，模型打印环节会放在课后。通过此环节，学生能将小组方案转为真实物体，切身感受在该项目中所获得的小小成就感，进一步激发学生创造的激情。

测试分享——优化方案

学生将3D打印作品与塑料瓶进行组装，并真实体验塑料瓶改造物一周时间，从用户切身角度感受实际使用情况。此环节放在第五课时，分组分享展示结合3D打印的塑料瓶改造成品，介绍成品的特点、优势等，并说一说一周体验后的感受，谈谈是否需要修改方案，使作品更加完美，其他小组可对各组的作品提出合理建议。通过各组给出的建议及实际体验后，重新优化方案。

此环节非常重要，有些最初的想法可能会在该环节重新定义，甚至挖掘出新的问题，进一步提升学生的设计思维能力。

三、感悟与思考

该项目形成了“3D打印与塑料瓶碰撞”的课程，在实际项目教学中运用EDIPT设计思维的方法培养了学生的创造力、学习力等综合素质。

（一）EDIPT设计思维模型使学生的作品不再单一

相比较传统的3D打印技术课堂，设计思维模型下的3D打印课堂能让学生在指定的主题下，通过小组合作的方式展开创意设计。以“塑料瓶改造”项目为例，学生的改造方案具有各组的个性化特征，有可爱的存钱罐、实用的洒水壶、别致的景观盆……在作品汇报分享环节，精彩纷呈，各具特色。

（二）学生的设计思维在迭代修正中得到提升

在整个项目中，老师仅仅担任着引导、辅助的角色，充分体现了以学生为中心的特点。学生在整个项目开展的过程中，作品的完成并不是一蹴而就的，而是在反复修正迭代中完善。尤其在构思、原型实现和测试优化环节中，小组成员通过多次讨论、思维碰撞，在感受体验、修正中逐渐提升思维高度，掌握设计思维的方法。

（三）多学科领域知识助力设计思维的培养

在项目的实施推进过程中，需要学生先将已有的知识和创造性思维相结合，去实现设计想法，然后通过搜集更多学科资料去填补、修正前期的设计方案。在“塑料瓶改造”项目中，打破学科界限，学生会运用到科学、数学、艺术等学科的知识解决实际问题。多学科知识的整合，帮助学生在项目教学实施过程中更有序开展，提升学生的学习能力及设计思维能力。

EDIPT设计思维模型下的STEM课程能让学生学会创造性思考，激发学生创造性思维，让学生学会用设计思维的方式学习、创造，也促进了老师的专业成长。每一位3D打印老师应当不断提升自身的专业水平，将设计思维融入课堂，从多学科角度探索培养学生设计思维、创造力、学习力的教学策略与方法。■