以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)的STEM教學(xué)活動探究獲獎科研報告

以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)的STEM教學(xué)活動探究獲獎科研報告3D打印技術(shù);STEM教育;多功能作圖尺;流程

一、開展STEM教育是國家戰(zhàn)略發(fā)展政策

國務(wù)院發(fā)布的《全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要實施方案（2016—2020年）》鼓勵在高中階段開展跨學(xué)科探究活動。教育部于2016年發(fā)布的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》明確提出，應(yīng)將信息技術(shù)納入跨學(xué)科教育模式當(dāng)中去[1];于2017年印發(fā)的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式，建議教師可以在教學(xué)實踐中嘗試STEM教育[2];于2018年印發(fā)的《2018年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點》提出，開展利用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建新型教學(xué)組織模式的研究，探索信息技術(shù)在眾創(chuàng)空間、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等教育教學(xué)新模式中的應(yīng)用，逐步形成創(chuàng)新課程體系。這些連續(xù)發(fā)布的政策性文件，反復(fù)強調(diào)了跨學(xué)科學(xué)習(xí)的重要性，說明STEM教育是滿足時代需求的綜合性教育。為此，教師應(yīng)及時更新教育觀念，積極開展STEM教育實踐。

鑒于此，筆者深入研究了由中國科學(xué)院STEM教育研究中心發(fā)布的《中國STEM教育白皮書》《STEM教師能力等級標(biāo)準(zhǔn)》和《中國STEM教育2029行動計劃》。其中，《STEM教師能力等級標(biāo)準(zhǔn)》明確指出，STEM教師應(yīng)能夠根據(jù)內(nèi)容準(zhǔn)備STEM課程實施的硬軟件，具備發(fā)現(xiàn)問題、確定問題、分析問題的能力，創(chuàng)設(shè)可以探究的、與學(xué)生生活實際相關(guān)的問題情境或生活場景，通過問題解決培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。這為探究和實施STEM教育的教師們提出了明確的要求和清晰的教學(xué)目標(biāo)。為此，筆者積極嘗試開展了以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)的STEM課程，現(xiàn)以高中多功能作圖尺的設(shè)計與制作為例，說明如何通過“發(fā)現(xiàn)問題—確定問題—分析問題—解決問題”開展以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)的STEM課程。

二、利用3D打印技術(shù)

制作多功能作圖尺的教學(xué)過程

1.提出問題

教師先呈現(xiàn)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生提出問題[3]。數(shù)學(xué)教師在教學(xué)中免不了使用三角尺、圓規(guī)等在黑板上作圖，畫直線和角時要用到三角尺，畫圓時就換成圓規(guī)，通常無法用同一個教具實現(xiàn)所有的作圖功能，而且教具圓規(guī)在黑板上作圖時的圓心位置不易固定，增加了作圖難度，使繪圖效率較低。那么，能否發(fā)明一種新的作圖工具，既能畫直線，又能畫特定度數(shù)的角，還能畫圓，更便于教師們使用呢？

2.分析問題

要想把直尺、量角器、圓規(guī)的功能集于一體，最容易想到的方法就是“組合法”，然而簡單的組合會使工具體積龐大，使用起來也相當(dāng)不便。因此，找到合理的組合形式是解決這個問題的關(guān)鍵。在考慮設(shè)計方案時，就要遵循“突出主要因素，忽略次要因素”的原則：畫直線需要一塊矩形主尺;畫確定度數(shù)的角需要引入標(biāo)度;畫圓的主要問題是圓心不易固定，導(dǎo)致這種情況的主要原因是圓規(guī)的支腿太高，作用力稍有偏斜就會產(chǎn)生較大的力矩，使圓心偏離原來位置，那么減少圓規(guī)支腿尺寸應(yīng)是解決這個問題的關(guān)鍵。

將學(xué)生合理分組，讓學(xué)生在組內(nèi)討論并分析以上問題，要求每個小組提出一個解決方案，在全班分享交流，并分析每組方案的優(yōu)缺點，最后共同確定一個理想的方案。根據(jù)這一方案，每個學(xué)生都要進(jìn)行三視圖的繪制，教師從中挑選較規(guī)范的視圖匯編出各部件的三視圖（見圖1）。

3.利用3D軟件和3D打印技術(shù)制作多功能作圖尺

Autodesk123DDesign3D是一款易學(xué)、易用、功能齊全的建模軟件，高中學(xué)生很容易掌握。教師需要先教會學(xué)生最基本的軟件操作，此后，學(xué)生將在完成具體任務(wù)的過程中逐漸熟練掌握軟件的應(yīng)用。學(xué)生將根據(jù)圖1所示的平面視圖繪制出3D模型，各小組內(nèi)再次分工合作，如有的負(fù)責(zé)報出三視圖中各部件的尺寸，有的利用軟件構(gòu)建部件模型，有的在旁邊檢查構(gòu)建過程中的數(shù)據(jù)是否正確，有的協(xié)助構(gòu)建部件模型。教師巡視并在學(xué)生需要幫助時提供必要的引導(dǎo)。在學(xué)生完成模型構(gòu)建后，教師將各組構(gòu)建的模型匯總，并選出最好的模型組件（見圖2）。

各部分零件的模型建成后，并不能保證打印出來的實體能夠組裝到一起。教師要通過實例或模型使學(xué)生認(rèn)識到，根據(jù)軟件設(shè)計模型打印出來的實體，可能會因為尺寸誤差而導(dǎo)致難以順利組裝在一起，特別是在孔槽的位置，這就需要在軟件環(huán)境下對裝配尺寸進(jìn)行微調(diào)（如孔槽的尺寸要略大于軸銷），然后將各部件在軟件環(huán)境下進(jìn)行模擬組裝（見圖2），從不同視圖方向?qū)Ω髁悴考某叽绾藢o誤后，再用3D打印機打印出實體零件，最后完成組裝。

4.產(chǎn)品的使用與改進(jìn)

STEM教育倡導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，像工程師一樣解決問題。利用3D打印技術(shù)完成多功能作圖尺的制作后，要引導(dǎo)學(xué)生對其實用性進(jìn)行檢測。學(xué)生和教師都要請不同的人使用這一產(chǎn)品，并與使用者進(jìn)行交流，發(fā)現(xiàn)需要改進(jìn)之處，對3D軟件模型進(jìn)行優(yōu)化。這樣，通過反復(fù)使用、交流和改進(jìn)，最終制作出了一款較理想的多功能制作圖尺（見圖3）。

三、以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)

開展STEM教學(xué)活動的一般流程

通過以上課例，可以歸納出以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)開展STEM教學(xué)活動的流程或步驟（見圖4）。一是發(fā)現(xiàn)并提出問題。發(fā)現(xiàn)問題是開展STEM教學(xué)活動的第一步，要引導(dǎo)學(xué)生留意生活，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)真實問題的能力。二是設(shè)計方案。方案的設(shè)計具有開放性，設(shè)計的過程能夠培養(yǎng)學(xué)生運用已掌握的知識解決實際問題的能力，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的形成。三是描繪工程圖。工程圖的描繪一般要求使用三視圖，可培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力及運用數(shù)學(xué)知識解決實際問題的能力。四是軟件構(gòu)建模型。此階段要求學(xué)生學(xué)會并熟練使用相應(yīng)的硬軟件，如3D設(shè)計軟件、3D打印機。五是模型產(chǎn)品的改進(jìn)。此階段包括對產(chǎn)品的設(shè)計的修改和完善，也有對研究過程的整體反思，這將使學(xué)生像工程師一樣思考并解決問題。掌握了以上流程，學(xué)生就不僅能夠設(shè)計制作多功能作圖尺，還能舉一反三，嘗試設(shè)計并制作其他“產(chǎn)品”。

四、結(jié)語

中國教育科學(xué)研究院副院長曾天山強調(diào)，推動STEM教育的發(fā)展是國家的責(zé)任。實施STEM教育是中國乃至全世界培養(yǎng)高科技人才、創(chuàng)新人才、復(fù)合型人才、應(yīng)用型人才的重要途徑[4]。不斷更新教學(xué)理念，努力在日常教學(xué)中嘗試STEM教育，為國家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是時代賦予教師的使命，更是教師義不容辭的責(zé)任。

STEM教育的實施需要實施者具有相應(yīng)的數(shù)學(xué)、工程、科學(xué)等領(lǐng)域的知識，它具有顯著的綜合性特征。這往往導(dǎo)致開展一次STEM教學(xué)活動的時間要多于開展常規(guī)