初中信息技術(shù)3D打印課程的探索與實踐

楊麗

摘 要：在深化教育改革、提倡創(chuàng)新的大背景下，3d打印這門新興學科已經(jīng)開始進入中學課堂。面對這樣一門全新的課程，課程設(shè)計還處于探索階段。文章介紹了什么是3d打印，探討了3d打印課程對創(chuàng)新能力培養(yǎng)的積極意義，列舉了3d打印技術(shù)走進課堂出現(xiàn)的一些問題，結(jié)合實踐從軟硬件問題以及課程設(shè)計理念進行了初步探討，為進一步建設(shè)3d打印課程、提高教學效率、普及創(chuàng)新教育拋磚引玉，提供有力的前期研究支持。

關(guān)鍵詞：3d打?。徽n程設(shè)計；教學實踐

中圖分類號：G434 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2016）11-0085-03

3D打印是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)、運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料、通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。[1]目前3d打印技術(shù)在工業(yè)、藝術(shù)、醫(yī)療、食品、建筑等各個領(lǐng)域都已經(jīng)有所應(yīng)用。盡管這種技術(shù)還不夠成熟，其類似于噴墨打印機的原理限制了材質(zhì)、成本和速度導致不能大批量生產(chǎn)，也不能直接用于數(shù)字時代的工業(yè)生產(chǎn)。[2]但不得不說，3d打印的普及為普通人無邊的創(chuàng)造力和想象力插上了一對有力的翅膀，3d打印讓想象變成現(xiàn)實。

一、創(chuàng)客引領(lǐng)潮流，走進創(chuàng)想校園

2014年6月9日，習近平主席指出，我國科技發(fā)展的方向就是創(chuàng)新、創(chuàng)新、再創(chuàng)新，創(chuàng)新的事業(yè)呼喚創(chuàng)新的人才。[3]創(chuàng)客教育應(yīng)運而生。而李克強總理訪問過深圳創(chuàng)客空間之后，創(chuàng)客開始“火”了，隨著創(chuàng)客教育的興起，3d打印也開始在教育界打開一片天地。[4]

日前，在南通市，已經(jīng)有20多所中小學擁有3d打印機，3d打印校本課程也隨之開設(shè)。我校自2015年2月起開設(shè)了3d打印社團，是市區(qū)開設(shè)3d打印課程最早的學校之一，現(xiàn)有社團成員55人，我校是一所以創(chuàng)想為主旨的學校，有著“創(chuàng)想無界，心筑未來”的教育哲學和“辦一所人人具有好奇心、個個具有創(chuàng)造力的創(chuàng)想學校”的愿景。在學校領(lǐng)導的大力支持下，3d打印走進了我們的校園，創(chuàng)客教育也隨同剛剛成長起來的學校一起萌芽和發(fā)展起來了。

二、三維初探未知，構(gòu)建課程低模

筆者之前從未接觸過這個帶著“高科技”光環(huán)的機器，接手這個任務(wù)時是躍躍欲試的，不過一門課程從無到有，問題還是接踵而來。

（一）維度x：軟件問題

1.設(shè)計軟件

要開設(shè)這門課程，首先得進行設(shè)計軟件的選擇，3d軟件如今非常多，筆者接觸過的有 3dsmax、maya、Rhino，還有一款2.5d可進行3d建模的zbrush。但這些軟件對初中學生來說，界面稍顯復雜，而且除了Rhino外對硬件的要求也較高，學校機房的機器若想流暢完成一次創(chuàng)作較為困難。在和同事交流后我們了解到sketchup這款軟件，這款中文名為“草圖大師”的軟件確實是一個很棒的3d小軟件，對機器的運行要求不高，界面直觀入門簡單，深入學習的話功能也十分強大，很適合用來進行中小學的3d入門教學。

2.轉(zhuǎn)換軟件

轉(zhuǎn)換軟件就用了通用的cura，但由于對設(shè)置的不熟悉，筆者犯過兩次設(shè)置上的錯誤。第一次是機器選擇不對，導致溫度升高后只吐絲不打印；第二次是耗材直徑設(shè)置錯誤導致打印成品“骨質(zhì)疏松”。在多次排查調(diào)整后，問題終于都解決了。Sketchup配合cura已經(jīng)能完美完成3d打印整個過程。經(jīng)過兩個學期的實踐，在此總結(jié)一下cura設(shè)置的注意點：①機器型號必須匹配，如學校的dfrobot機器使用的就是Ultimaker original，而且是沒有加熱平臺只能打印pal耗材的機器；②耗材和噴嘴設(shè)置也必須符合實際情況；③注意打印懸空模型時對支撐類型的設(shè)定，這個設(shè)定關(guān)系到是否能成功打印模型以及打印好之后是否能比較輕松去除支撐。其余的設(shè)定如打印速度填充密度等的改動對成功率影響都不大，可根據(jù)需要和實際打印效果進行調(diào)整。

（二）維度y：硬件問題

在進行了半個學期的教學后，筆者發(fā)現(xiàn)打印的作品歪了，自此失敗作品接連不斷，找不到原因，只得請銷售公司專業(yè)技術(shù)人員來，檢查發(fā)現(xiàn)是x、y電機驅(qū)動模塊損壞，導致方向控制出錯，打印歪斜。換過新的驅(qū)動模塊后打印正常了。在這期間，筆者對打印機的調(diào)平水平也從菜鳥的自動調(diào)平漸漸轉(zhuǎn)向了較為熟練的手動調(diào)平。

（三）維度z：課程問題

課程設(shè)計是3d打印社團開設(shè)的重點內(nèi)容，進行這個全新的課程之前應(yīng)該明確三個問題——教什么、怎么教、教到什么程度。

1.教什么

首先我們要教的肯定是三維建模，只有會了三維建模，學生才有創(chuàng)造的可能性。其次要教的是轉(zhuǎn)換和打印輸出，這是一個從虛擬到現(xiàn)實的過程，沒有打印的過程的3d打印課我們只能稱之為3d設(shè)計課。最后要教的還有創(chuàng)新思維，讓學生學會自主思考創(chuàng)新，這是我們創(chuàng)客教育的最終目標。

2.怎么教

對于一門新課程，在教授學生知識之前，教師也需要進行學習。在網(wǎng)絡(luò)上，筆者學習了“我要自學網(wǎng)”中草圖大師的視頻，當然筆者并不準備就這樣直接將網(wǎng)上學習的內(nèi)容照搬給學生?！拔乙詫W網(wǎng)”是針對已經(jīng)具有一定的自學能力的學員而設(shè)定的課程，而初中學生正處于初步培養(yǎng)自學能力的時期，需要有更加符合學生年齡階段的教學任務(wù)來驅(qū)動。同時，在為期一年的時間內(nèi)，筆者需要讓軟件設(shè)計中的一些常用功能在課程中得以呈現(xiàn)。在參考了3d打印方面前輩的課程設(shè)計后，筆者初步設(shè)計了如下教學任務(wù)：

（1）初識3d打印——3d打印課程介紹；

（2）紙盒子里的秘密——紙盒制作；

（3）我的小屋——房子制作及打印設(shè)置；

（4）萬丈高樓平地起——建筑創(chuàng)意設(shè)計；

（5）神奇的齒輪——復制旋轉(zhuǎn)；

（6）千變?nèi)f化的齒輪——齒輪創(chuàng)意飾品設(shè)計；

（7）漂亮花瓶——路徑的應(yīng)用；

（8）桌上靜物創(chuàng)意設(shè)計；

（9）一覽眾山小——等高線、沙盒學習；

（10）可愛的小動物們——曲面的應(yīng)用；

（11）室內(nèi)裝修設(shè)計師——綜合創(chuàng)意設(shè)計；

（12）組合拼圖制作——卡槽配對；

（13）創(chuàng)意燈制作——電子應(yīng)用；

（14）三球儀制作——傳動體驗。

其中“紙盒子里的秘密”、“漂亮花瓶”等屬于技能課，每節(jié)課教學設(shè)計基本遵循以下流程（見圖1）：

“建筑創(chuàng)意設(shè)計”、“桌上靜物創(chuàng)意設(shè)計”等屬于創(chuàng)想課，課程教學流程如圖2所示：

“組合拼圖”、“創(chuàng)意燈”、“三球儀”等課程是下半學期的提高課程，結(jié)合簡單物理知識進行3d設(shè)計的拓展，每個主題分三次課即6個課時進行。流程安排如圖3所示：

3.教到什么程度

“教到什么程度”，筆者認為，并不是指他們的技能掌握到了什么程度，而是他們能夠?qū)W以致用到什么程度、能夠自主學習的程度以及創(chuàng)新的程度。這門課的目的是培養(yǎng)有創(chuàng)造力的人才，提高學生的STEM素養(yǎng)。因此，在保證基本知識技能的基礎(chǔ)上，更需要注意的是他們創(chuàng)造力和實踐能力的培養(yǎng)。

因此給他們確定了如下目標：

（1）在學以致用上，學生需要達到將自己想的東西在電腦上大致描繪出來即可，但需要逐步養(yǎng)成精確度量意識；

（2）在自學能力上，學生需要了解自學的多種方法，并能主動通過同學交流和利用網(wǎng)絡(luò)搜索解決問題；

（3）在創(chuàng)新能力上，學生的作品要不局限于教師的范例所示，具有自己的想法即可，若有更具創(chuàng)意的想法則更棒！

基于這樣的理念和目標，筆者展開了為期1年的3d打印教學工作。

三、思維轉(zhuǎn)換格式，傳輸創(chuàng)想靈感

3d打印課程有著它的優(yōu)勢，那就是學生對其有著濃厚的興趣，而且又沒有人真正接觸過，興趣加上知識上的空白，讓他們的學習猶如海綿吸水一般。他們從一竅不通到能熟練地在校內(nèi)外數(shù)百人面前進行創(chuàng)作也不過就短短的不到兩個學期的時間而已。他們的作品從模仿到自主創(chuàng)作，建筑、花瓶、動物、裝修、拼圖等等都展現(xiàn)了他們思維的火花。上課過程是學生學習的過程，也是學生靈感展現(xiàn)的過程，社團在創(chuàng)想這塊有著很多有趣的小故事，比如小遠的怪獸、昊昊的蜘蛛、小凌的悠悠球、子涵的傘陀螺、潼潼的未來小屋……每一個都有屬于學生自己的故事和秘密。

3d打印社團是個充滿故事的社團，也是個快樂的社團。在快樂中創(chuàng)作，在創(chuàng)作中感受快樂，3d打印真正走進了學生的心里。

四、實踐探索真知，打印3D夢想

盡管學生在學習過程中也出現(xiàn)了不少不錯的作品，但這個課程還是不成熟的，不足之處尚有很多，筆者也在不斷反思和探索。

（1）各種軟硬件屢次出現(xiàn)問題導致課程一度只能進行設(shè)計不能打印，缺少了虛擬轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的關(guān)鍵一環(huán)。這一年也是任課教師學習的過程，到現(xiàn)在，筆者已能自主解決基本軟硬件問題。

（2）課程進度較快，由于不確定這一批社團學生具體需要帶幾年，最初設(shè)定的目標是1年，所以課程進度有點趕。知識點過于緊湊讓一部分接受能力較弱的學生在基礎(chǔ)技能上有所落后，學習不夠扎實。

（3）打印各個部分進行組合有點偏難，學生對于連接部分大小設(shè)置不太精確，這部分內(nèi)容可以根據(jù)學生水平進行一定的調(diào)整。

（4）部分學生的設(shè)計作品比較難以實現(xiàn)完美打印，在今后的教學中，對于打印作品的結(jié)構(gòu)要求需要進行比較系統(tǒng)的整理。

（5）方向不是太明確，沒有明確的評價標準。筆者覺得，3d打印可以有三個發(fā)展方向：一是3d設(shè)計方面，二是生產(chǎn)輔助方面，三是模型制作方面。前者是藝術(shù)創(chuàng)造，將設(shè)計的東西打印出來；第二個是輔助工具，比如要做一輛小車，主要部件都好了，就缺一個殼子，于是打一個殼子；后者則是，比如有一個發(fā)明創(chuàng)造，但不知道這樣設(shè)計是否可行，于是打一個小模型模擬試驗一下。這三個方向的評價標準自然是不同的。在這個課程設(shè)計的時候，筆者搖擺不定，如小燈有向第二種發(fā)展的趨勢，而三球儀則偏于第三種，但經(jīng)過實踐看來，初級階段還是以藝術(shù)創(chuàng)造為主要方向更好，這樣能夠讓學生對于三維設(shè)計的結(jié)構(gòu)有更明確的認識。

學生在成長，教師在成長，3d打印課程也在成長。3d打印課程是一門既能與高科技接軌，又能培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力的新型課程，它沒有明確的課程標準，但卻是我們在深化教育改革大背景下培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效手段。[5]隨著教學研究的深入和教育界同行的共同交流，相信這門課程也將不斷地完善起來。

參考文獻：

[1]3D打印[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/4117826.htm.

[2]古麗萍.蓄勢待發(fā)的3D打印機及其發(fā)展[J].數(shù)碼印刷，2011（10）.

[3]習近平.我國科技發(fā)展的方向 就是創(chuàng)新創(chuàng)新再創(chuàng)新[J].中國科技產(chǎn)業(yè)，2014（6）.

[4]創(chuàng)客[EB/OL].http：//baike.baidu.com/subview/371405/11140298.htm.

[5]王正玉.小學3D打印課程的設(shè)計與開發(fā)研究[D].上海師范大學，2014.

（編輯：王天鵬）