以3D打印技术为基础的STEM教学活动探究获奖科研报告

以3D打印技术为基础的STEM教学活动探究获奖科研报告3D打印技术;STEM教育;多功能作图尺;流程

一、开展STEM教育是国家战略发展政策

国务院发布的《全民科学素质行动计划纲要实施方案（2016—2020年）》鼓励在高中阶段开展跨学科探究活动。教育部于2016年发布的《教育信息化“十三五”规划》明确提出，应将信息技术纳入跨学科教育模式当中去[1];于2017年印发的《义务教育小学科学课程标准》倡导跨学科学习方式，建议教师可以在教学实践中尝试STEM教育[2];于2018年印发的《2018年教育信息化和网络安全工作要点》提出，开展利用现代信息技术构建新型教学组织模式的研究，探索信息技术在众创空间、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等教育教学新模式中的应用，逐步形成创新课程体系。这些连续发布的政策性文件，反复强调了跨学科学习的重要性，说明STEM教育是满足时代需求的综合性教育。为此，教师应及时更新教育观念，积极开展STEM教育实践。

鉴于此，笔者深入研究了由中国科学院STEM教育研究中心发布的《中国STEM教育白皮书》《STEM教师能力等级标准》和《中国STEM教育2029行动计划》。其中，《STEM教师能力等级标准》明确指出，STEM教师应能够根据内容准备STEM课程实施的硬软件，具备发现问题、确定问题、分析问题的能力，创设可以探究的、与学生生活实际相关的问题情境或生活场景，通过问题解决培养学生的STEM素养。这为探究和实施STEM教育的教师们提出了明确的要求和清晰的教学目标。为此，笔者积极尝试开展了以3D打印技术为基础的STEM课程，现以高中多功能作图尺的设计与制作为例，说明如何通过“发现问题—确定问题—分析问题—解决问题”开展以3D打印技术为基础的STEM课程。

二、利用3D打印技术

制作多功能作图尺的教学过程

1.提出问题

教师先呈现问题情境，引导学生提出问题[3]。数学教师在教学中免不了使用三角尺、圆规等在黑板上作图，画直线和角时要用到三角尺，画圆时就换成圆规，通常无法用同一个教具实现所有的作图功能，而且教具圆规在黑板上作图时的圆心位置不易固定，增加了作图难度，使绘图效率较低。那么，能否发明一种新的作图工具，既能画直线，又能画特定度数的角，还能画圆，更便于教师们使用呢？

2.分析问题

要想把直尺、量角器、圆规的功能集于一体，最容易想到的方法就是“组合法”，然而简单的组合会使工具体积庞大，使用起来也相当不便。因此，找到合理的组合形式是解决这个问题的关键。在考虑设计方案时，就要遵循“突出主要因素，忽略次要因素”的原则：画直线需要一块矩形主尺;画确定度数的角需要引入标度;画圆的主要问题是圆心不易固定，导致这种情况的主要原因是圆规的支腿太高，作用力稍有偏斜就会产生较大的力矩，使圆心偏离原来位置，那么减少圆规支腿尺寸应是解决这个问题的关键。

将学生合理分组，让学生在组内讨论并分析以上问题，要求每个小组提出一个解决方案，在全班分享交流，并分析每组方案的优缺点，最后共同确定一个理想的方案。根据这一方案，每个学生都要进行三视图的绘制，教师从中挑选较规范的视图汇编出各部件的三视图（见图1）。

3.利用3D软件和3D打印技术制作多功能作图尺

Autodesk123DDesign3D是一款易学、易用、功能齐全的建模软件，高中学生很容易掌握。教师需要先教会学生最基本的软件操作，此后，学生将在完成具体任务的过程中逐渐熟练掌握软件的应用。学生将根据图1所示的平面视图绘制出3D模型，各小组内再次分工合作，如有的负责报出三视图中各部件的尺寸，有的利用软件构建部件模型，有的在旁边检查构建过程中的数据是否正确，有的协助构建部件模型。教师巡视并在学生需要帮助时提供必要的引导。在学生完成模型构建后，教师将各组构建的模型汇总，并选出最好的模型组件（见图2）。

各部分零件的模型建成后，并不能保证打印出来的实体能够组装到一起。教师要通过实例或模型使学生认识到，根据软件设计模型打印出来的实体，可能会因为尺寸误差而导致难以顺利组装在一起，特别是在孔槽的位置，这就需要在软件环境下对装配尺寸进行微调（如孔槽的尺寸要略大于轴销），然后将各部件在软件环境下进行模拟组装（见图2），从不同视图方向对各零部件的尺寸核对无误后，再用3D打印机打印出实体零件，最后完成组装。

4.产品的使用与改进

STEM教育倡导学生像科学家一样思考，像工程师一样解决问题。利用3D打印技术完成多功能作图尺的制作后，要引导学生对其实用性进行检测。学生和教师都要请不同的人使用这一产品，并与使用者进行交流，发现需要改进之处，对3D软件模型进行优化。这样，通过反复使用、交流和改进，最终制作出了一款较理想的多功能制作图尺（见图3）。

三、以3D打印技术为基础

开展STEM教学活动的一般流程

通过以上课例，可以归纳出以3D打印技术为基础开展STEM教学活动的流程或步骤（见图4）。一是发现并提出问题。发现问题是开展STEM教学活动的第一步，要引导学生留意生活，培养学生发现真实问题的能力。二是设计方案。方案的设计具有开放性，设计的过程能够培养学生运用已掌握的知识解决实际问题的能力，促进学生创新能力的形成。三是描绘工程图。工程圖的描绘一般要求使用三视图，可培养学生空间想象能力及运用数学知识解决实际问题的能力。四是软件构建模型。此阶段要求学生学会并熟练使用相应的硬软件，如3D设计软件、3D打印机。五是模型产品的改进。此阶段包括对产品的设计的修改和完善，也有对研究过程的整体反思，这将使学生像工程师一样思考并解决问题。掌握了以上流程，学生就不仅能够设计制作多功能作图尺，还能举一反三，尝试设计并制作其他“产品”。

四、结语

中国教育科学研究院副院长曾天山强调，推动STEM教育的发展是国家的责任。实施STEM教育是中国乃至全世界培养高科技人才、创新人才、复合型人才、应用型人才的重要途径[4]。不断更新教学理念，努力在日常教学中尝试STEM教育，为国家培养创新型人才是时代赋予教师的使命，更是教师义不容辞的责任。

STEM教育的实施需要实施者具有相应的数学、工程、科学等领域的知识，它具有显著的综合性特征。这往往导致开展一次STEM教学活动的时间要多于开展常规