3D打印進(jìn)課堂的思考

于方軍

2015年12月4日，淄博創(chuàng)客空間在山東省淄博市張店區(qū)華僑城小學(xué)組織了一次分享活動(dòng)。在分享活動(dòng)中，我有意識(shí)地加入了一些調(diào)查，1個(gè)小時(shí)的時(shí)間里，12所學(xué)校的老師們分享了在開展3D打印課程中所遇到的問(wèn)題，解決這些問(wèn)題的方法和建議，以及未來(lái)的發(fā)展方向。我把這些分享進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題主要集中在設(shè)備、師資、課程三個(gè)方面，以下是我對(duì)這三個(gè)問(wèn)題的思考。

設(shè)備的問(wèn)題

1. 設(shè)備故障的問(wèn)題

打印機(jī)噴頭堵塞是最常見的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)幾乎所有學(xué)校都出現(xiàn)過(guò)這個(gè)故障。究其原因，現(xiàn)在學(xué)校配備的大部分是FDM原理的桌面級(jí)3D打印機(jī)，這種打印機(jī)在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)噴頭堵塞。輕一點(diǎn)的可以用鋼絲直接疏通，嚴(yán)重的就要拆下噴頭處理，如果還不行就要送廠家維修了。有些廠商已經(jīng)解決了這個(gè)技術(shù)問(wèn)題，如淄博創(chuàng)客空間研發(fā)團(tuán)隊(duì)改進(jìn)的噴頭結(jié)構(gòu)就解決了這個(gè)技術(shù)問(wèn)題。

反思這個(gè)普遍存在的問(wèn)題，對(duì)于3D打印進(jìn)課堂，肯定需要3D打印機(jī)廠商的支持。雖然近幾年，3D打印機(jī)已經(jīng)降到幾千元，然而機(jī)器價(jià)格僅僅是一方面，要在校園開展3D打印課程教學(xué)，還需要做很多工作。而現(xiàn)在的3D打印機(jī)確實(shí)還存在很多硬傷。

2. 打印操作煩瑣，打印速度慢

一個(gè)完整的作品打印過(guò)程包括：利用建模軟件完成作品后生成STL文件，然后用切片軟件切片，還要根據(jù)打印作品的形狀特點(diǎn)調(diào)整支撐、底板、填充等一大堆參數(shù)，然后保存為G代碼文件，再連接電腦或者拷貝到SD卡，整個(gè)過(guò)程要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的等待才能完成。3D打印機(jī)打印速度很慢，一個(gè)10cm×10cm×10cm的模型，如果要稍微打印精細(xì)些，一般需要幾個(gè)小時(shí)。再小點(diǎn)的模型，從開始加熱到模型打印完畢，最快也要半個(gè)小時(shí)左右。難以實(shí)現(xiàn)當(dāng)堂反饋，教學(xué)效果也就打了折扣。如果3D打印能像打印一個(gè)Word文檔一樣，一點(diǎn)“打印”按鈕，幾分鐘就能完成，將大大降低進(jìn)入課堂的技術(shù)門檻。

據(jù)開展3D打印課程的學(xué)校反饋，很多老師因?yàn)楹闷娑鴮W(xué)習(xí)和使用3D打印機(jī)，但煩瑣的操作嚇退了一部分老師。看到打印速度慢、很難達(dá)到自己預(yù)想的課堂效果，又有一部分老師放棄?？吹酱蛴〕鰜?lái)的作品質(zhì)量不高，又有老師失望而去，最后能堅(jiān)持下來(lái)的老師并不多。

反思這個(gè)問(wèn)題，我們發(fā)現(xiàn)3D打印要進(jìn)入課堂，首先要選擇合適的建模軟件，常見的建模軟件如Solidworks、Rhino（犀牛）、Sketchup、Autodesk等。對(duì)于入門教學(xué)，大部分學(xué)校選擇了Sketchup，因?yàn)镾ketchup是開源軟件，安裝包小，對(duì)電腦系統(tǒng)的要求不高，適合普及。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)江蘇省常州市天寧區(qū)管雪沨老師的團(tuán)隊(duì)編輯出版了相應(yīng)教材。除此之外，Autodesk的123D也是一款很好的入門軟件。Autodesk的教育版軟件是免費(fèi)的，只要不用于商業(yè)用途就可以。123D Catch還可以讓我們輕松地使用照片創(chuàng)建3D模型，不足的是這款軟件還沒有中文版本的，英文不好的老師用起來(lái)有些吃力。OpenScad也是開源軟件，浙江省溫州中學(xué)謝作如老師團(tuán)隊(duì)的3D打印課程《數(shù)學(xué)視野下的3D打印》就是基于OpenScad開發(fā)的。

還要選擇合適的切片軟件，Repetier-Host是Repetier公司開發(fā)的一款免費(fèi)的3D打印綜合軟件，可以進(jìn)行切片、查看修改G-Code、手動(dòng)控制3D打印機(jī)、更改某些固件參數(shù)以及其他的一些小功能。Repetier公司并不提供切片引擎，而是在該軟件中外部調(diào)用其他的切片軟件進(jìn)行切片，比如CuraEngine、Slic3r及Skeinforge等切片軟件。在同類軟件（如Printrun、Repelicator-G）中使用起來(lái)是比較方便的一款。

為了解決打印速度慢的問(wèn)題，淄博創(chuàng)客空間團(tuán)隊(duì)在不影響學(xué)生對(duì)3D打印理解的基礎(chǔ)上，開發(fā)了陶泥3D打印機(jī)。陶泥材料的3D打印機(jī)是根據(jù)半流體沉積成型原理工作的。通過(guò)擠出設(shè)備擠壓陶泥入噴頭，無(wú)需加熱過(guò)程，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，與周圍的材料粘接到一起成型。這種方式的優(yōu)勢(shì)有五點(diǎn)，一是成型速度快，陶泥噴頭可以做得較粗，每一層打印的層高就可以很高，打印速度就能提高。在不影響學(xué)生對(duì)3D打印原理理解的情況下，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生設(shè)計(jì)作品的當(dāng)堂打印完成，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)的及時(shí)反饋；二是不需要高溫加熱，安全性得到保障；三是原材料可以重復(fù)利用；四是原材料價(jià)格便宜，容易獲得；五是作品打印完成后，由于陶泥的特性還可以在打印基礎(chǔ)上進(jìn)行二次加工，實(shí)現(xiàn)藝術(shù)與技術(shù)的完美結(jié)合。

3. 模型打印困難的問(wèn)題

現(xiàn)在的3D打印技術(shù)還沒有發(fā)展到任何一種設(shè)計(jì)都能輕松打印出來(lái)。在3D打印課程中，有學(xué)生也設(shè)計(jì)了許多有趣的模型，例如，一棵掛滿蘋果的樹，雖然很漂亮，但打印的時(shí)候發(fā)現(xiàn)支撐很難加上。還有很多模型有突出的部分或懸空的部件，如果不加一些特殊的支撐，就無(wú)法打印。要把這些稀奇古怪的模型打印出來(lái)，需要師生對(duì)打印機(jī)本身非常熟悉，了解各種參數(shù)設(shè)置和工作原理。

師資的問(wèn)題

在開設(shè)3D打印課程的學(xué)校中，大部分的老師是信息技術(shù)老師，只有一位是美術(shù)老師，她是淄博市美術(shù)教研員畢娟老師的數(shù)字美術(shù)團(tuán)隊(duì)的成員。 她的團(tuán)隊(duì)與信息技術(shù)學(xué)科融合，開展數(shù)字美術(shù)教育，引導(dǎo)學(xué)生做出了很多有創(chuàng)意的作品，并在上海嘉年華、北京嘉年華大放異彩。

反思這個(gè)問(wèn)題，我認(rèn)為3D打印進(jìn)課堂應(yīng)該是多學(xué)科的，才具有生命力。例如，和美術(shù)課的結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)一種基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)（DBL），學(xué)生在自己設(shè)計(jì)意圖的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過(guò)一系列的學(xué)習(xí)研究，在3D打印機(jī)的幫助下完成自己的作品，用數(shù)字化的方式體驗(yàn)了藝術(shù)創(chuàng)作的過(guò)程。

3D打印還可以和數(shù)學(xué)結(jié)合，謝作如老師總結(jié)了和數(shù)學(xué)學(xué)科結(jié)合的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）教學(xué)中，學(xué)習(xí)者借助3D打印技術(shù)，可以看見具體的實(shí)物，體現(xiàn)了數(shù)學(xué)來(lái)自于生活的理念。（2）借助3D模型，可以讓缺少空間想象力的學(xué)習(xí)者有一個(gè)真實(shí)的認(rèn)知過(guò)程。（3）我們可以制作一個(gè)3D模型，通過(guò)打印檢驗(yàn)所學(xué)的知識(shí)是否正確。（4）學(xué)習(xí)者可以利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新，并通過(guò)3D打印的方式進(jìn)行檢驗(yàn)，并在創(chuàng)新的過(guò)程中讓知識(shí)得到升華。

3D打印也可以和物理學(xué)科結(jié)合，上海行知中學(xué)的陳嶺老師做了有益的嘗試。他把3D打印技術(shù)和自己教的物理學(xué)科結(jié)合起來(lái)，打印相關(guān)教具和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成了有創(chuàng)意的物理實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)上面幾個(gè)例子我們發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)如果被技術(shù)學(xué)科之外的學(xué)科老師掌握，并應(yīng)用到教學(xué)中，才會(huì)真正走進(jìn)課堂。

課程問(wèn)題

最早開始將3D打印引入課堂的老師說(shuō)，開始都是跟網(wǎng)上的視頻教程學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，而這些課程偏重于技術(shù)，更像軟件的使用說(shuō)明書。沒有合適的課程設(shè)計(jì)，所以不適合學(xué)生學(xué)習(xí)。3D打印課程的設(shè)計(jì)應(yīng)該更多地讓學(xué)生理解一些基本的東西，例如，讓學(xué)生理解點(diǎn)動(dòng)成線、線動(dòng)成面、面動(dòng)成體，在這個(gè)基礎(chǔ)上開發(fā)一些適合學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)的課程。

1. 基于真實(shí)需求的3D打印課例設(shè)計(jì)

如何讓學(xué)生對(duì)3D打印持續(xù)學(xué)習(xí)，是一個(gè)問(wèn)題。淄博市淄川一中的李浩老師在學(xué)生學(xué)習(xí)完成3D打印基本操作后，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)四軸飛行器制作的時(shí)候，用3D打印軟件進(jìn)行支架的設(shè)計(jì)。還有的老師引導(dǎo)學(xué)生用3D打印解決生活中的問(wèn)題，例如，設(shè)計(jì)一個(gè)把手裝到教室的書櫥上，打印一個(gè)水龍頭按鈕替換壞掉的按鈕。

3D打印課例設(shè)計(jì)可以融入測(cè)量的知識(shí)，這種3D建模更有設(shè)計(jì)因素的體現(xiàn)，并且能讓學(xué)生體驗(yàn)精確測(cè)量的重要性。學(xué)生們反映，通過(guò)這種方法理解測(cè)量中的“誤差”要比物理課本上他們接受的“誤差”概念深刻得多。3D打印課程設(shè)計(jì)或許能更好地把3D打印機(jī)定位于工具的角色，是一個(gè)服務(wù)于我們生活的工具，而不是高大上的產(chǎn)品，這樣或許更容易走入課堂。

2. 基于藝術(shù)設(shè)計(jì)需求的3D打印課例設(shè)計(jì)

華僑城小學(xué)的于愷老師引導(dǎo)學(xué)生用3D打印軟件完成自己的七巧板設(shè)計(jì)，讓學(xué)生拼出個(gè)性化的七巧板拼圖。還有的老師把自己學(xué)校的校徽導(dǎo)入建模軟件中，讓學(xué)生嘗試設(shè)計(jì)自己學(xué)校的立體?；?。還有老師介紹了通過(guò)一個(gè)網(wǎng)頁(yè)浮雕制作工具，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)格的浮雕效果（http：//3dp.rocks/lithophane），把自己的照片生成浮雕效果打印到筆筒上……

反思這些課例設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)一線的老師們也在積極地嘗試各種教學(xué)方式，通過(guò)更多老師的參與，3D打印課程一定會(huì)越來(lái)越豐富。

總之，通過(guò)老師們的嘗試，3D打印教學(xué)已經(jīng)跳過(guò)打印一些網(wǎng)上下載的精美模型的炫酷階段，進(jìn)入到解決真實(shí)問(wèn)題需要的情景導(dǎo)入、精確工具測(cè)量的數(shù)據(jù)采集、在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的模型設(shè)計(jì)階段，或許這樣更能接近于STEM課程中“工程”的理念。

（作者單位：山東淄博市博山區(qū)山頭中心學(xué)校）