3D打印技術(shù)在小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

劉若淼

1986年美國(guó)科學(xué)家查爾斯·胡爾發(fā)明出世界上第一臺(tái)3D打印機(jī)。隨后胡爾成立了世界上第一家3D打印設(shè)備公司。然而，這一技術(shù)卻由于價(jià)格昂貴、不夠成熟等原因并沒(méi)有引起業(yè)界的重視。經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，3D打印技術(shù)已逐步走向成熟，且價(jià)格有所降低，開(kāi)始風(fēng)靡全球。2013年《地平線報(bào)告》的基礎(chǔ)教育版，首次將3D打印的教育應(yīng)用列入了“待普及”的新技術(shù)清單。3D打印技術(shù)越來(lái)越受到教育界的關(guān)注。

一、小學(xué)階段開(kāi)設(shè)相關(guān)課程的價(jià)值與意義

素質(zhì)拓展課程是傳統(tǒng)課堂教學(xué)的必要補(bǔ)充，是全面推進(jìn)素質(zhì)教育的有效途徑，它注重個(gè)性塑造和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，旨在開(kāi)拓學(xué)生視野和提升學(xué)生設(shè)計(jì)和動(dòng)手的能力。隨著各地教育教學(xué)水平和科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，越來(lái)越多“新鮮”課程走進(jìn)中小學(xué)素質(zhì)拓展課堂。

小學(xué)階段的學(xué)習(xí)是學(xué)生成長(zhǎng)和成才的基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生今后的發(fā)展方向起到引領(lǐng)作用。3D打印作為二十一世紀(jì)的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，理應(yīng)在人群中推廣?！?D打印教育”由高等教育特定領(lǐng)域向基礎(chǔ)教育普通課堂過(guò)渡，逐漸推向中小學(xué)課堂是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用處于起步階段，還需不斷摸索。可以明確的是，3D打印可以把新技術(shù)和創(chuàng)造性學(xué)習(xí)聯(lián)系到一起，讓學(xué)生體驗(yàn)新技術(shù)帶來(lái)的巨大能量的同時(shí)，在項(xiàng)目探究中體會(huì)創(chuàng)新的樂(lè)趣。

二、3D打印技術(shù)在小學(xué)的教學(xué)內(nèi)容

1. 3D打印的定義

3D打印是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)，它是一種增材制造技術(shù)。

2. 3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域

與傳統(tǒng)的減材制造相比，3D打印技術(shù)擺脫了模型復(fù)雜程度的束縛，實(shí)現(xiàn)了完全數(shù)字化，降低了制造的難度，提高了制造的速度。近年來(lái)，3D打印被越來(lái)越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如創(chuàng)業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域、制造業(yè)領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、文物保護(hù)領(lǐng)域、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域等。

3. 3D打印機(jī)

在小學(xué)教學(xué)中，我們主要使用了HOFI-X1 3D打印機(jī)。HOFI-X1 3D打印機(jī)是基于熔絲沉積制造（FDM）原理的3D打印設(shè)備，它與臺(tái)式電腦或筆記本電腦通過(guò)USB電纜連接就可以打印出三維實(shí)體模型。3D打印的方式是逐層打印，每一個(gè)層都在上一層上堆積而成，上一層起到支撐的作用。隨著打印時(shí)長(zhǎng)的推移，3D打印作品逐步完成。學(xué)生可以清晰地看到打印的整個(gè)過(guò)程。這種設(shè)備結(jié)構(gòu)一目了然，機(jī)器堅(jiān)固耐用，性能穩(wěn)定十分適用于小學(xué)教學(xué)。

4.制圖軟件介紹

Sketchup使用簡(jiǎn)便，學(xué)生可以快速上手，是一個(gè)極受歡迎的三維設(shè)計(jì)軟件，它就像“鉛筆”一樣，可以畫(huà)出理想的圖形。TinkerCAD是一個(gè)基于瀏覽器的3D建模平臺(tái)，沒(méi)有軟件安裝條件的學(xué)生可以選擇這個(gè)繪圖方式。UG NX可以用于繪制二維和三維圖形，是一款專業(yè)級(jí)的制圖軟件，多用于工程制圖，功能強(qiáng)大，學(xué)生學(xué)習(xí)基本操作也不難上手。AutoCAD是一款計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，同樣可以用于二維制圖和基本三維設(shè)計(jì)，使用無(wú)需懂得程序設(shè)計(jì)，即可自動(dòng)制圖，因此它可以用于土木建筑、裝飾裝潢、工業(yè)制圖、工程制圖、電子工業(yè)、服裝加工等多個(gè)領(lǐng)域。

5.三維掃描儀

三維掃描儀可以掃描出靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)物體，由于三維掃描儀的掃描范圍有限，因此需要變換掃描儀與物體的相對(duì)位置或?qū)⑽矬w放置于電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)上，在光線充足的條件下經(jīng)過(guò)多次掃描以拼湊物體的完整模型。三維掃描出的模型可以直接導(dǎo)入到3D打印機(jī)，并打印出來(lái)。

6.沙盤(pán)制作

學(xué)習(xí)了三維制圖和打印機(jī)的使用后，學(xué)生已經(jīng)具備自己設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單模型的能力，他們不再滿足于制作個(gè)人的小物品。給學(xué)生分組，以團(tuán)隊(duì)的形式分工合作制作沙盤(pán)，讓他們?cè)诤献髦姓嬲龑?shí)現(xiàn)自主創(chuàng)意、自主管理、自主學(xué)習(xí)，通力合作。學(xué)生自主創(chuàng)意的作品有頗具天津特色的天塔湖公園等。

三、結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)的原理、電腦制圖是本課程的難點(diǎn)。小學(xué)生學(xué)起來(lái)還是需要一定時(shí)間，需要教師耐心教授。創(chuàng)意設(shè)計(jì)和模型制作是本課程的重點(diǎn)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生，并隨時(shí)對(duì)他們提出的問(wèn)題給予指點(diǎn)和反饋。3D打印技術(shù)在小學(xué)是一門(mén)全新的課程，教學(xué)沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可循，教師可通過(guò)總結(jié)歸納的方式，把學(xué)生提問(wèn)的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

素質(zhì)拓展課程是激發(fā)學(xué)生興趣和培養(yǎng)小學(xué)生動(dòng)手能力的重要途徑，這一階段的學(xué)習(xí)對(duì)其終身發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，值得重視。如今，3D打印的風(fēng)暴已經(jīng)波及全球，讓學(xué)生接觸并學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)對(duì)于我國(guó)的科技發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]兀旦暉，趙晨飛.3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教學(xué)信息，2013.

[2]童宇陽(yáng).3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013.