3D建模與打印：3D打印課程的三階段

徐艷莉

3D打印又稱(chēng)為快速成型技術(shù)，是指在數(shù)字化模型文件的基礎(chǔ)上，利用粉末狀的金屬或塑料等可粘合的材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。學(xué)校引入3D打印課程，是希望學(xué)生通過(guò)深度體驗(yàn)和參與設(shè)計(jì)制作過(guò)程，更好地發(fā)展其綜合能力。

目前，3D打印課程在國(guó)內(nèi)中小學(xué)校還處于嘗試和探索階段。已經(jīng)引入3D打印的學(xué)校，其相關(guān)課程也多以課外興趣小組、社團(tuán)等方式開(kāi)展，教學(xué)和實(shí)踐時(shí)間不足，師資力量和硬件設(shè)施參差不齊，還沒(méi)有完全發(fā)揮 3D 打印的功能與價(jià)值，尤其是設(shè)計(jì)成熟并適合高中學(xué)生的教材與課程極度缺乏。

2016年9月，學(xué)校為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)課思維和綜合實(shí)踐能力，豐富學(xué)校原有的信息技術(shù)課程體系，開(kāi)設(shè)了《3D建模與打印》校本選修課程。課程開(kāi)設(shè)一年來(lái)，兩個(gè)學(xué)期的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等均存在很大差異。筆者將2016年秋季學(xué)期，也就是開(kāi)設(shè)《3D建模與打印》課程的第一個(gè)學(xué)期稱(chēng)為“嘗試期”，即3D打印教學(xué)的第一階段；2017年春季學(xué)期稱(chēng)為“調(diào)整期”，即3D打印教學(xué)的第二階段；2017年秋季學(xué)期及以后則稱(chēng)為“升華期”，即3D打印教學(xué)的第三階段。本文將圍繞三個(gè)階段的實(shí)踐探索和教學(xué)反思來(lái)進(jìn)行分享。

嘗試期的三個(gè)誤區(qū)

這一階段的模型主要是結(jié)合日常生活中現(xiàn)有物體進(jìn)行模仿設(shè)計(jì)。筆者設(shè)計(jì)了四個(gè)綜合項(xiàng)目，分別是萬(wàn)圣節(jié)墻貼、花瓶、萬(wàn)圣節(jié)南瓜燈、馬克杯。剛開(kāi)始，學(xué)生對(duì)這個(gè)主題非常感興趣，但后來(lái)覺(jué)得“萬(wàn)圣節(jié)墻貼”沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，而南瓜燈模型因?yàn)椴僮鬏^為復(fù)雜，于是中途放棄?；ㄆ亢婉R克杯的模型雖然操作起來(lái)相對(duì)容易，但是學(xué)生作品幾乎一樣，缺乏個(gè)性化的表達(dá)。

經(jīng)過(guò)教學(xué)反思，筆者發(fā)現(xiàn)自己陷入了三個(gè)誤區(qū)：過(guò)于注重軟件操作的講解，將3D打印課程上成了軟件操作課；忽略了設(shè)計(jì)模型的實(shí)用性；忽略了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

調(diào)整期的課程優(yōu)化策略

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，筆者及時(shí)進(jìn)行了調(diào)整。筆者購(gòu)置了一批簡(jiǎn)易的電路裝置和傳感器，為學(xué)生設(shè)計(jì)多功能的模型提供支持。這一階段與第一階段相比，課程設(shè)置及實(shí)施方面，進(jìn)行了四個(gè)方面的優(yōu)化。

一是優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。將“萬(wàn)圣節(jié)墻貼”修改為“鑰匙掛飾”，它們所用的建模技巧相同，但后者實(shí)用性更強(qiáng)；“花瓶”和“馬克杯”模型修改為課堂模仿學(xué)習(xí)的內(nèi)容，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)建模技巧，學(xué)生在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)“筆筒”；“萬(wàn)圣節(jié)南瓜燈”修改為“小臺(tái)燈”，不對(duì)學(xué)生作統(tǒng)一要求，作為期末作品的推薦主題之一，供學(xué)生自由選擇（如下表）。

與第一階段的綜合項(xiàng)目相比，第二階段的綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)主題更貼近學(xué)生生活實(shí)際，更具實(shí)用性，內(nèi)容安排更符合學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律，循序漸進(jìn)，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。在鑰匙掛飾、手機(jī)支架、筆筒、小黃人、汽車(chē)等五個(gè)綜合項(xiàng)目中，前四個(gè)是靜態(tài)的整體模型，第五個(gè)則是可活動(dòng)的拼裝模型，綜合性更強(qiáng)，更復(fù)雜也更具有挑戰(zhàn)性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科知識(shí)的融合。

在設(shè)計(jì)汽車(chē)模型時(shí)，學(xué)生需要查閱資料，了解汽車(chē)外觀與功能的關(guān)系才能設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要求的汽車(chē)模型。從學(xué)生作品來(lái)看，模型設(shè)計(jì)更加多樣化和個(gè)性化。

二是優(yōu)化教學(xué)方法。注重“一題多解”，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)造性思維。由桌子模型“基本體的拼裝組合”和“在二維草圖基礎(chǔ)上拉伸”這兩種方法引出三維建模的兩種思路，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維；由花瓶的放樣和旋轉(zhuǎn)兩種做法，引導(dǎo)學(xué)生更加細(xì)致地觀察生活中的物體，發(fā)現(xiàn)它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而根據(jù)特點(diǎn)選擇合適的建模方法；由挖空花瓶的幾種方法將抽殼、切割體、合并、相減等工具的用法融匯在一起，開(kāi)拓思路，發(fā)散思維，讓學(xué)生設(shè)計(jì)模型時(shí)更加靈活。

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，筆者采用了多樣化的教學(xué)方式。第一階段，學(xué)生在學(xué)期結(jié)束時(shí)反映3D打印的理論部分比較枯燥。因此，筆者將“3D打印與傳統(tǒng)工藝的比較”這一部分作為辯論課，請(qǐng)學(xué)生就“3D打印能否取代傳統(tǒng)工藝”展開(kāi)激烈辯論；將“3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域”這一部分設(shè)計(jì)成展示課，學(xué)生以小組為單位搜集整理3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域，并在講臺(tái)上進(jìn)行集中展示與分享。辯論課和展示課的課堂氣氛非常活躍，學(xué)生都積極參與到課堂活動(dòng)中，增進(jìn)了師生交流和生生交流，也提高了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。

在操作部分，根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，筆者也采用了不同的教學(xué)方式。如設(shè)計(jì)手機(jī)支架時(shí)，由生活中的問(wèn)題引入，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，通過(guò)自主探究和小組合作設(shè)計(jì)手機(jī)支架從而解決問(wèn)題；設(shè)計(jì)小黃人模型時(shí)，要求學(xué)生利用老師提供的課件進(jìn)行自學(xué)從而完成模型設(shè)計(jì)等。通過(guò)問(wèn)題探究和自主學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力、合作能力、自學(xué)能力以及創(chuàng)新能力等。

三是優(yōu)化師生交流方式。豐富的教學(xué)內(nèi)容，靈活的教學(xué)方法，增進(jìn)了師生交流，讓師生關(guān)系更加融洽。除此之外，筆者還開(kāi)通了課程微博，用來(lái)展示學(xué)生作品和拓展學(xué)習(xí)內(nèi)容，搭建師生課下學(xué)習(xí)交流平臺(tái)，讓師生互動(dòng)從課上延續(xù)到線上。

四是優(yōu)化作品展示方式。第一階段的作品展示方式主要為課堂展示及校園展示兩種。有了課程微博之后，微博也成了作品展示的平臺(tái)。課程微博上的作品展示增加了作品的曝光率，也讓好的作品接受到更多的贊美、有瑕疵的作品得到更多的建議，從而提高學(xué)生的成就感，激勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)出更好的作品。

這一階段改善了學(xué)生的課堂體驗(yàn)，增進(jìn)了師生交流，但對(duì)學(xué)生工程思維和設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)依然不夠，購(gòu)置的簡(jiǎn)易電路和傳感器使用較少，可拼裝的模型和可活動(dòng)的模型設(shè)計(jì)部分應(yīng)該進(jìn)一步強(qiáng)化。

升華期的設(shè)想

通過(guò)對(duì)第二階段的總結(jié)反思，筆者計(jì)劃在第三階段增強(qiáng)體驗(yàn)性、增進(jìn)師生交流，增加課程的時(shí)代感。為此，筆者在課程設(shè)計(jì)中增設(shè)了智能模塊，引導(dǎo)學(xué)生嘗試智能化設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，筆者對(duì)第三階段的課程實(shí)施有以下設(shè)想：

加強(qiáng)主題探究活動(dòng)。在不同的節(jié)日開(kāi)展不同的主題學(xué)習(xí)活動(dòng)，如母親節(jié)設(shè)計(jì)梳子，兒童節(jié)設(shè)計(jì)動(dòng)漫形象，利用節(jié)日內(nèi)涵，傳遞感恩等思想，將德育教育引入課堂教學(xué)之中。

加強(qiáng)課程內(nèi)容的綜合性。第三階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容綜合性將更強(qiáng)，體現(xiàn)多學(xué)科的深度融合。如設(shè)計(jì)橋梁模型，探究橋梁結(jié)構(gòu)與承重的關(guān)系等；設(shè)計(jì)飛機(jī)模型，探究機(jī)身形狀與空氣阻力的關(guān)系等等。

提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。引導(dǎo)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并提出問(wèn)題，從而設(shè)計(jì)模型解決問(wèn)題，如設(shè)計(jì)可放置在自行車(chē)上的手機(jī)支架等。

設(shè)計(jì)模型更加智能化。加強(qiáng)與《智能機(jī)器人》選修課的聯(lián)系，設(shè)計(jì)智能機(jī)器人。

總之，第三階段是前兩個(gè)階段的升華，要讓學(xué)生更好地感受三維設(shè)計(jì)的美觀、嚴(yán)謹(jǐn)和獨(dú)特的魅力，更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和創(chuàng)新思維，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)學(xué)生的智力和潛能。

（責(zé)任編輯 徐世兵）endprint