以3D打印技術為基礎的STEM教學活動探究獲獎科研報告3D打印技術;STEM教育;多功能作圖尺;流程

一、開展STEM教育是國家戰略發展政策

國務院發布的《全民科學素質行動計劃綱要實施方案（2016—2020年）》鼓勵在高中階段開展跨學科探究活動。教育部于2016年發布的《教育信息化“十三五”規劃》明確提出，應將信息技術納入跨學科教育模式當中去[1];于2017年印發的《義務教育小學科學課程標準》倡導跨學科學習方式，建議教師可以在教學實踐中嘗試STEM教育[2];于2018年印發的《2018年教育信息化和網絡安全工作要點》提出，開展利用現代信息技術構建新型教學組織模式的研究，探索信息技術在眾創空間、跨學科學習（STEAM教育）、創客教育等教育教學新模式中的應用，逐步形成創新課程體系。這些連續發布的政策性文件，反復強調了跨學科學習的重要性，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院STEM教育研究中心發布的《中國STEM教育白皮書》《STEM教師能力等級標準》和《中國STEM教育2029行動計劃》。其中，《STEM教師能力等級標準》明確指出，STEM教師應能夠根據內容準備STEM課程實施的硬軟件，具備發現問題、確定問題、分析問題的能力，創設可以探究的、與學生生活實際相關的問題情境或生活場景，通過問題解決培養學生的STEM素養。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目標。為此，筆者積極嘗試開展了以3D打印技術為基礎的STEM課程，現以高中多功能作圖尺的設計與制作為例，說明如何通過“發現問題—確定問題—分析問題—解決問題”開展以3D打印技術為基礎的STEM課程。

二、利用3D打印技術

制作多功能作圖尺的教學過程

1.提出問題

教師先呈現問題情境，引導學生提出問題[3]。數學教師在教學中免不了使用三角尺、圓規等在黑板上作圖，畫直線和角時要用到三角尺，畫圓時就換成圓規，通常無法用同一個教具實現所有的作圖功能，而且教具圓規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，能否發明一種新的作圖工具，既能畫直線，又能畫特定度數的角，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，使用起來也相當不便。因此，找到合理的組合形式是解決這個問題的關鍵。在考慮設計方案時，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;畫確定度數的角需要引入標度;畫圓的主要問題是圓心不易固定，導致這種情況的主要原因是圓規的支腿太高，作用力稍有偏斜就會產生較大的力矩，使圓心偏離原來位置，那么減少圓規支腿尺寸應是解決這個問題的關鍵。

將學生合理分組，讓學生在組內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缺點，最后共同確定一個理想的方案。根據這一方案，每個學生都要進行三視圖的繪制，教師從中挑選較規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打印技術制作多功能作圖尺

Autodesk123DDesign3D是一款易學、易用、功能齊全的建模軟件，高中學生很容易掌握。教師需要先教會學生最基本的軟件操作，此后，學生將在完成具體任務的過程中逐漸熟練掌握軟件的應用。學生將根據圖1所示的平面視圖繪制出3D模型，各小組內再次分工合作，如有的負責報出三視圖中各部件的尺寸，有的利用軟件構建部件模型，有的在旁邊檢查構建過程中的數據是否正確，有的協助構建部件模型。教師巡視并在學生需要幫助時提供必要的引導。在學生完成模型構建后，教師將各組構建的模型匯總，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生認識到，根據軟件設計模型打印出來的實體，可能會因為尺寸誤差而導致難以順利組裝在一起，特別是在孔槽的位置，這就需要在軟件環境下對裝配尺寸進行微調（如孔槽的尺寸要略大于軸銷），然后將各部件在軟件環境下進行模擬組裝（見圖2），從不同視圖方向對各零部件的尺寸核對無誤后，再用3D打印機打印出實體零件，最后完成組裝。

4.產品的使用與改進

STEM教育倡導學生像科學家一樣思考，像工程師一樣解決問題。利用3D打印技術完成多功能作圖尺的制作后，要引導學生對其實用性進行檢測。學生和教師都要請不同的人使用這一產品，并與使用者進行交流，發現需要改進之處，對3D軟件模型進行優化。這樣，通過反復使用、交流和改進，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打印技術為基礎

開展STEM教學活動的一般流程

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

四、結語

中國教育科學研究院副院長曾天山強調，推動STEM教育的發展是國家的責任。實施STEM教育是中國乃至全世界培養高科技人才、創新人才、復合型人才、應用型人才的重要途徑[4]。不斷更新教學理念，努力在日常教學中嘗試STEM教育，為國家培養創新型人才是時代賦予教師的使命，更是教師義不容辭的責任。

STEM教育的實施需要實施者具有相應的數學、工程、科學等領域的知識，它具有顯著的綜合性特征。這往往導致開展一次STEM教學活動的時間要多于開展常規