以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)的STEM教學(xué)活動(dòng)探究

李晨曦

[摘? ?要]STEM教育是一門(mén)結(jié)合了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的綜合性教育，旨在培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐的能力，為國(guó)家培養(yǎng)更多高科技創(chuàng)新人才。教師可以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)開(kāi)展STEM教學(xué)活動(dòng)，借助相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件和3D打印設(shè)備進(jìn)行實(shí)施，探索豐富的STEM教學(xué)活動(dòng)形式，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的提高。

[關(guān)鍵詞]3D打印技術(shù);STEM教育;多功能作圖尺;流程

一、開(kāi)展STEM教育是國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展政策

國(guó)務(wù)院發(fā)布的《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要實(shí)施方案（2016—2020年）》鼓勵(lì)在高中階段開(kāi)展跨學(xué)科探究活動(dòng)。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(shí)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(diǎn)》提出，開(kāi)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(qiáng)調(diào)了跨學(xué)科學(xué)習(xí)的重要性，說(shuō)明STEM教育是滿足時(shí)代需求的綜合性教育。為此，教師應(yīng)及時(shí)更新教育觀念，積極開(kāi)展STEM教育實(shí)踐。

鑒于此，筆者深入研究了由中國(guó)科學(xué)院STEM教育研究中心發(fā)布的《中國(guó)STEM教育白皮書(shū)》《STEM教師能力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》和《中國(guó)STEM教育2029行動(dòng)計(jì)劃》。其中，《STEM教師能力等級(jí)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(shí)施的硬軟件，具備發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、確定問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力，創(chuàng)設(shè)可以探究的、與學(xué)生生活實(shí)際相關(guān)的問(wèn)題情境或生活場(chǎng)景，通過(guò)問(wèn)題解決培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。這為探究和實(shí)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(kāi)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(jì)與制作為例，說(shuō)明如何通過(guò)“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—確定問(wèn)題—分析問(wèn)題—解決問(wèn)題”開(kāi)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(guò)程

1.提出問(wèn)題

教師先呈現(xiàn)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)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(huà)直線和角時(shí)要用到三角尺，畫(huà)圓時(shí)就換成圓規(guī)，通常無(wú)法用同一個(gè)教具實(shí)現(xiàn)所有的作圖功能，而且教具圓規(guī)在黑板上作圖時(shí)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(huà)直線，又能畫(huà)特定度數(shù)的角，還能畫(huà)圓，更便于教師們使用呢？

2.分析問(wèn)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(jiǎn)單的組合會(huì)使工具體積龐大，使用起來(lái)也相當(dāng)不便。因此，找到合理的組合形式是解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵。在考慮設(shè)計(jì)方案時(shí)，就要遵循“突出主要因素，忽略次要因素”的原則：畫(huà)直線需要一塊矩形主尺;畫(huà)確定度數(shù)的角需要引入標(biāo)度;畫(huà)圓的主要問(wèn)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(huì)產(chǎn)生較大的力矩，使圓心偏離原來(lái)位置，那么減少圓規(guī)支腿尺寸應(yīng)是解決這個(gè)問(wèn)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(wèn)題，要求每個(gè)小組提出一個(gè)解決方案，在全班分享交流，并分析每組方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后共同確定一個(gè)理想的方案。根據(jù)這一方案，每個(gè)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(jiàn)圖1）。

3.利用3D軟件和3D打印技術(shù)制作多功能作圖尺

Autodesk 123D Design3D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(huì)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(guò)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(bào)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(guò)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(shí)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(jiàn)圖2）。

各部分零件的模型建成后，并不能保證打印出來(lái)的實(shí)體能夠組裝到一起。教師要通過(guò)實(shí)例或模型使學(xué)生認(rèn)識(shí)到，根據(jù)軟件設(shè)計(jì)模型打印出來(lái)的實(shí)體，可能會(huì)因?yàn)槌叽缯`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(duì)裝配尺寸進(jìn)行微調(diào)（如孔槽的尺寸要略大于軸銷(xiāo)），然后將各部件在軟件環(huán)境下進(jìn)行模擬組裝（見(jiàn)圖2），從不同視圖方向?qū)Ω髁悴考某叽绾藢?duì)無(wú)誤后，再用3D打印機(jī)打印出實(shí)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(wèn)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(duì)其實(shí)用性進(jìn)行檢測(cè)。學(xué)生和教師都要請(qǐng)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(duì)3D軟件模型進(jìn)行優(yōu)化。這樣，通過(guò)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(jiàn)圖3）。

三、以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)

開(kāi)展STEM教學(xué)活動(dòng)的一般流程

通過(guò)以上課例，可以歸納出以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)開(kāi)展STEM教學(xué)活動(dòng)的流程或步驟（見(jiàn)圖4）。一是發(fā)現(xiàn)并提出問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是開(kāi)展STEM教學(xué)活動(dòng)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(shí)問(wèn)題的能力。二是設(shè)計(jì)方案。方案的設(shè)計(jì)具有開(kāi)放性，設(shè)計(jì)的過(guò)程能夠培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用已掌握的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)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(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。四是軟件構(gòu)建模型。此階段要求學(xué)生學(xué)會(huì)并熟練使用相應(yīng)的硬軟件，如3D設(shè)計(jì)軟件、3D打印機(jī)。五是模型產(chǎn)品的改進(jìn)。此階段包括對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的修改和完善，也有對(duì)研究過(guò)程的整體反思，這將使學(xué)生像工程師一樣思考并解決問(wèn)題。掌握了以上流程，學(xué)生就不僅能夠設(shè)計(jì)制作多功能作圖尺，還能舉一反三，嘗試設(shè)計(jì)并制作其他“產(chǎn)品”。

四、結(jié)語(yǔ)

中國(guó)教育科學(xué)研究院副院長(zhǎng)曾天山強(qiáng)調(diào)，推動(dòng)STEM教育的發(fā)展是國(guó)家的責(zé)任。實(shí)施STEM教育是中國(guó)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(guó)家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是時(shí)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(shí)施需要實(shí)施者具有相應(yīng)的數(shù)學(xué)、工程、科學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)，它具有顯著的綜合性特征。這往往導(dǎo)致開(kāi)展一次STEM教學(xué)活動(dòng)的時(shí)間要多于開(kāi)展常規(guī)單科教學(xué)活動(dòng)的時(shí)間，這就需要教師在備課時(shí)盡量減少與課程無(wú)關(guān)的變量，設(shè)計(jì)與學(xué)生能力相當(dāng)?shù)摹⑼ㄟ^(guò)探究能夠企及的課程活動(dòng)。而要成長(zhǎng)為一名優(yōu)秀的STEM教育工作者，教師還需要不斷學(xué)習(xí)、不斷思考、不斷總結(jié)與交流，將STEM教育的理念滲透在學(xué)科教學(xué)中，促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科應(yīng)用能力的提高。

參考文獻(xiàn)

[1]王素.《2017年中國(guó)STEM教育白皮書(shū)》解讀[J].現(xiàn)代教育，2017（7）：4-7.

[2]王素，曹培杰，李正福，等.中國(guó)STEM 教育白皮書(shū)發(fā)布：提高學(xué)科的本質(zhì)認(rèn)知和科學(xué)素養(yǎng)[N].中國(guó)教育報(bào)，2017-8-26.

[3]戴浩，周智良.基于stem教育理念的豎直平面圓周運(yùn)動(dòng)脫軌問(wèn)題研究[J].物理教學(xué)探討，2018（8）：63-64.

[4]董莉，蔣德瓊.有關(guān)高中物理教學(xué)中滲透STEM教育的思考[J].物理通報(bào)，2017（5）：7-8.

（責(zé)任編輯? ?郭向和）