编译：方莹 东南大学脑与学习科学系
研究生导师：柏毅，夏小俊
作者：Branko Anđić · Eva Ulbrich · Thierry (Noah) Dana‑Picard · Stanko Cvjetićanin · Filip Petrović · Zsolt Lavicza · Mirjana Maričić
【摘要】：有大量的研究表明，在STEM教育中使用3DMP可以提高学生的知识、动机和学习过程的参与度。然而，尽管已有3DMP在教育领域的营销尝试，但其在学校的普及率仍然很低。大量针对中学和大学教师的研究表明，教师对3DMP的认知是其成功使用的关键因素之一。然而，据我们所知，目前还没有研究调查STEM小学高年级教师对3DMP的看法。通过现象学的方法，本研究试图解决现有的差距。3DMP教学形成了四个概念:(1)3DMP作为课堂现代化的工具;(2) 3DMP技术和软件特性对实施的影响;(3) 3DMP作为学习和提高教学的工具;(4) 3DMP与学生专业定位、教师专业发展。这四个类别由五个关键的变化方面联系起来:对学生的影响，对教师的影响，课堂活动管理，真实性，学科-课程事项。我们的研究结果表明，当涉及到在STEM教育中使用3DMP时，数学和科学教师比技术教育、工程和信息学教师对3DMP有更成熟的看法，这些教师大多需要额外的培训。相比之下，科学和数学教师需要软件和3D打印机作为技术工具的实施支持。考虑到本研究的教师是早期使用3DMP的用户，未来的任何研究都应该探索经验用户的概念。
【关键词】：STEM教育·现象学·3D建模与打印·高等小学教育
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介绍
数字技术的引入对教育领域的现代化和改进具有关键作用。新的数字技术的发展及其在课堂上应用的适应，使新的教学和学习方式成为可能。其中一项技术是3D建模和打印(3DMP)。在3DMP过程中，将计算机(软件)模型设计的格式逐层添加材料，创建成3D对象。有大量的研究表明，在教育中使用3DMP有一定的好处，特别是在科学、技术、工程和数学(STEM)领域。此外，研究显示3DMP对教学过程和使用它的教师也有贡献。然而，与上述研究相反，部分研究者研究结果显示，由于缺乏对3DMP使用和维护的充分指导，以及对这一教学工具实施所需的过程缺乏理解，教师仍然无法充分利用3DMP的好处，最近的研究结果表明调查教师对在教育中使用3DMP的看法、意见和概念的研究并不常见。
为了更清楚地了解3DMP在实践中的应用，并采取适当的措施来促进、培训和提高教师对在教学中应用3DMP的重要性和益处的认识，我们开展了本研究。本前瞻性研究旨在调查黑山小学高年级STEM教师对3DMP的体验，并揭示教师对3DMP作为教学工具的概念，重点是识别类别之间的潜在差异。根据研究的目的，研究问题被开发。本研究旨在解决以下问题:在教学中体验3DMP的STEM教师在教学中存在哪些质的差异，以及在STEM中教授不同学科的教师在教学中使用3DMP的概念是否存在差异。
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方法
我们以探索性和描述性研究的形式准备了我们的研究。我们的研究采用了基于现象学的定性方法，旨在研究教师对STEM教学中3D建模和打印可用性的概念。为了收集数据，进行了个人访谈和焦点小组访谈。我们研究中的教师被分为四个焦点小组。在研究中有两个或两个以上的焦点小组可以确保不同的视角，减少可能的威胁，并增加结果的可靠性。
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访谈流程
所有参与我们研究的教师都主要是作为志愿者参加了关于在教学中实现3D建模和打印的研讨会。本次研讨会历时8小时，主要分为以下几个部分:三维建模理论介绍;3D打印机及打印理论介绍;浅谈3DMP在教育中的应用;实用的教师三维建模;实用3D打印教师模型，讨论。研讨结束一年后，在教师获得3DMP在教学中的实际实施经验后，进行了个别访谈和焦点小组访谈。访谈是在教师工作的学校进行的。主持人善于小组讨论，使用采访指南和预设问题。
首先对教师单独进行访谈，然后将这些教师分成焦点小组进行访谈。在焦点小组访谈中，主持人允许参与者将谈话引向他们感兴趣的方向，但始终专注地引导采访到3D打印机的主要话题。在采访开始时，参与者被告知他们不必同意或支持某人的观点。他们强调，根据个人经历表达自己的观点很重要。面试持续了两到两个半小时。3个焦点小组由9名教师组成，1个焦点小组由10名教师参与。通过实施四个有这么多参与者的焦点小组，来确保数据的多样性和可靠性。这些采访都是录音的。面试指南由20个开放式问题组成。面试以三个一般性问题开始，然后是一些更具体的问题。一些常见问题的例子如下:你在教学中使用3D打印机的经验是什么?你如何看待3D打印在教学中的附加价值?具体问题的例子如下:描述一个学习活动，你实现了3D打印，一切都很顺利?你在哪里组织和准备练习。
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参与
来自黑山的37名小学高年级教师参与了我们的研究。黑山国家教育课程中不存在STEM学科。在黑山的教育系统中，小学学生(6岁至14岁)在前五个年级以综合形式(综合生物-物理-化学-技术和信息学内容)学习科学、技术和信息学内容。在此之后，STEM内容将在接下来的4年里分别教授生物、物理、化学、技术教育和工程以及信息学。从小学一年级到最后一年级，数学是一门独立的教学科目。在课程和教师手册中，提出了在教学中实现跨学科、包容性和面向未来的STEM方法的建议。黑山课程中的这些建议是为了在下列教学科目之间建立联系:生物、化学、物理、技术教育和工程、信息学和数学。我们的研究对象包括在小学高年级教授这些课程的教师。
现象学研究强调了参与者在年龄、性别和经验方面的多样性对这类研究的重要性。本研究参与者的年龄范围从30岁以下到60岁以上，而教学经验的年限从10年以下到30年以上。所有参与这项研究的教师都在黑山的一所小学教6 - 9年级(11 - 14岁)的学生。
表1参与者的特点与教学主题有关
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数据分析
采用现象学方法(Marton, 1981)对教师访谈进行分析。所有的访谈都在一开始被转录，之后将其放在一边2周，以便为研究人员的思考提供时间，使他们能够进行更开放的数据分析。使用Han和Ellis(2019)、Dahlgren和Fallsberg(1991)和McCosker等人(2004)的七步数据现象学分析对这些转录本进行处理。这意味着数据的处理方式如下:第一步熟悉:研究人员多次阅读转录的访谈，目的是熟悉数据及其细节，并创建关于信息的个人笔记;第二步整合:在转录本中标记出最具代表性的样本单元，揭示数据模式。第三步比较:比较具有代表性的样本单位，找出差异或一致的来源;第四步分组:对性状相似的样本单元进行分配和分组。第五步:在这一步中，描述了每一类样本单元(语句)的相似性。第六步标注:用语言表达类别的含义。第七步对比:采用对比法对所得到的范畴进行比较，以揭示它们各自的意义和相似之处，以及它们之间的差异。利用结构关系来建立所开发类别之间的层次结构。利用结构关系来建立所开发类别之间的层次结构。)。层次结构的建立是基于一些类别与其他类别交织在一起的证据。
层次结构的确认可以从逻辑和经验的角度得到支持，而这两者都应该得到转录数据的证实。基于这一建议，我们将抄本修改的重点放在重要的思想主张及其在抄本中的体现程度上。从每部分的文字记录中，提取出重要的部分来总结关键的意思。遵循同样的原则，从教师叙事的各个部分中提取“关键意义”，然后将其与发展类别的目标进行比较。基于这些原则，上述引用和结果部分中描述的其他引用被归为四种类别。
在类别及其结构关系的发展过程中，遵循了Marton和Booth(1997)和Han和Ellis(2019)提出的三个规则:每个类别在所探索的现象上应表现出与其他类别的一些区别;类别应该精简，并显示最重要的数据;层次关系中的类别应该清晰而有逻辑地指定。目的是探讨和了解3DMP概念的潜在差异。在我们的研究中，主要概念类别是根据教师焦点小组和个人访谈中叙述的最高频率来确定的。从基本的概念类别到复杂的概念类别，类别之间的关系被假定为形成一个包容性的结构层次结构。层次结构是基于某些类别包含其他类别的证据，而不是基于价值判断。根据这一原则，本研究对所有类别进行了分级。
所描述的类别表示所有参与本研究的STEM教师对3DMP的概念。为了诊断在STEM中教授不同学科的教师之间概念的差异，计算了教师在不同学科中概念的出现频率。根据焦点小组中概念关键词和短语出现频率，不同STEM教学学科教师对3DMP的概念见表2。
表2 3DMP的教师概念在每科目教师叙事总量中的频率分布、每教学科目教师主要概念类别（✻）频率分布和每学科实现的教师概念类别（✦）中的频率分布。
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结论
本研究旨在探讨小学高年级STEM教师在教学中使用3DMP的概念。采用现象学研究方法考察教师对3DMP的概念。调查结果显示，小学高年级STEM教师对3DPM的概念可分为4类:
类别一：3DMP作为教学现代化的工具
这个类别代表了教师们为了跟上科技的发展趋势，对使用3DMP的看法。例如，TET:每个职业都随着时间的推移而变化，所以如果一个教师想要以一种良好的和当代的方式完成他们的工作，他/她应该跟随该领域的趋势。
类别二：3DMP技术和软件特性对实施的影响
在这个类别中，教师对3DMP的技术和软件特点及其在教育目的上的应用的看法。肯定了3DMP给课堂带来的巨大潜力，以及一些需要弥补的不足，以提高3DMP作为教学工具的生产力。
类别三：3DMP作为学习和教学改进的工具
在这一类别中，使用3DMP被视为增加学生学习活动的一种方式，以及教师的教学技能，或一般作为改进教育过程的工具。3DMP被定义为一种工具，它支持教师实施新的或适应的教学方法和方法，并促进学生在课堂上的积极参与。此外，教师认为3DMP的实施提供了多种学习内容表征，有助于激发学生参与学习过程的积极性，在更高的认知层面上获得知识。
类别四：3DMP和学生专业导向，教师专业发展
该类别的受访者从学生专业定位和教师专业发展两方面对3DMP进行了感知。当教师们讨论3DMP对教师职业生涯的各种增强时，他们指出它有助于他们的数字技能、语言技能以及与不同教学科目的同事的沟通能力。老师们认为3DMP是一种将学生与不同专业联系起来的工具，让他们了解跨学科、批判性思维和创造力的重要性，这些都是他们未来职业的21世纪关键技能。
这四个类别代表了教师在教育中使用3DMP的理念，它们相互关联着五个关键方面:对学生的影响、对教师的影响、课堂活动管理、真实性和学科课程事项。表3简要总结了关键方面及其在类别中的关系。
表3 在教学中体验3DMP的几个方面
本文是学者Branko Anđić · Eva Ulbrich · Thierry (Noah) Dana‑Picard · Stanko Cvjetićanin · Filip Petrović · Zsolt Lavicza · Mirjana Maričić于2022年11月发表在SPRINGER Journal of Science Education and Technology （施普林格·科学教育与技术）的论文。
DOI:https://doi.org/10.1007/s10956-022-10005-0
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