初中階段系統(tǒng)化3D打印課程：從設(shè)計(jì)到成品

吳瀾+++鞏媛麗

目前關(guān)于如何開展3D打印課程的建議和方案很多，但缺少一個(gè)綜合的3D打印課程體系以更好地幫助學(xué)生運(yùn)用3D打印技術(shù)將設(shè)計(jì)想法變成現(xiàn)實(shí)成品。為此，Abbie Brown提出3D打印課程的層次觀以指導(dǎo)開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)化的3D打印課程。

3D打印課程層次觀的概述與啟示

1. 3D打印課程的層次觀

Abbie Brown在一年的時(shí)間內(nèi)基于25個(gè)打印測試活動(dòng)以及一系列的文獻(xiàn)研究和個(gè)人訪談，提出3D打印課程的層次觀，如圖1所示。

（1）打印測試

該活動(dòng)包括正確安裝3D打印材料、操作打印機(jī)、將3D打印源文件轉(zhuǎn)化成切片文件、觀察打印效果等。

（2）設(shè)計(jì)嘗試

學(xué)習(xí)者根據(jù)問題需求自主設(shè)計(jì)一個(gè)3D模型并將其打印出來?？梢詮牧汩_始設(shè)計(jì)一個(gè)新的3D模型，也可以修改現(xiàn)有的3D模型以符合問題需求。

（3）工程考驗(yàn)

應(yīng)對實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)或制造工藝中的工程需求設(shè)計(jì)產(chǎn)品，以解決真實(shí)問題。

2. 3D打印課程層次觀的啟示

（1）3D打印的初次體驗(yàn)過程對學(xué)生學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)的重要性

在大多數(shù)的3D打印課堂中，為了節(jié)省時(shí)間，常常是由學(xué)生設(shè)計(jì)作品，老師幫助打印。學(xué)生有時(shí)候都沒有機(jī)會觸摸到3D打印機(jī)，缺少這一項(xiàng)體驗(yàn)會削弱學(xué)生們使用3D打印技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)作的積極性，同時(shí)不利于自主探究和動(dòng)手實(shí)踐能力的提升。學(xué)生自主將3D建模源文件打印成三維現(xiàn)實(shí)物體的學(xué)習(xí)過程，能夠激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)3D技術(shù)的興趣，還能培養(yǎng)問題解決的能力和觀察判斷能力，促進(jìn)后續(xù)的學(xué)習(xí)與創(chuàng)作。

（2）3D打印課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)要著眼于3D打印的全過程

3D打印技術(shù)包括的內(nèi)容很多，如3D打印機(jī)的操作、3D打印材料、3D建模軟件、切片軟件等，還有很多內(nèi)容是需要不斷實(shí)踐才能學(xué)到的。利用3D打印技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)作常常是一個(gè)迭代循環(huán)的過程：分析-設(shè)計(jì)-建模-打印-改進(jìn)與完善。目前，很多的3D打印教材和課程都是以3D建模軟件的操作為核心，導(dǎo)致很多教師在課堂中只教授3D建模軟件。很多學(xué)生甚至都不會操作3D打印機(jī)，這直接影響到學(xué)生設(shè)計(jì)的作品和打印模型的效果。

立體化初中3D打印課程設(shè)計(jì)

在Abbie Brown層次觀的指導(dǎo)下，筆者根據(jù)自己的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，基于國內(nèi)外理論研究，探尋一種立體化初中3D打印課程開發(fā)模式。如圖2所示，立體化初中3D打印課程開發(fā)模式的縱向由四個(gè)活動(dòng)構(gòu)成，每個(gè)活動(dòng)集合完成過渡到下一個(gè)活動(dòng)集合，過程重復(fù)，但課程內(nèi)容層層遞進(jìn)，學(xué)生完成每個(gè)活動(dòng)集合后習(xí)得的知識與技能為后續(xù)階段奠定基礎(chǔ)。

圖2 初中3D打印課程開發(fā)模式

1. 縱向——四個(gè)活動(dòng)

（1）實(shí)踐體驗(yàn)

鑒于大多數(shù)學(xué)生沒有參與3D打印全過程，在此環(huán)節(jié)中提供一些動(dòng)手活動(dòng)和問題讓學(xué)生在實(shí)踐中觀察、學(xué)習(xí)和反思。該活動(dòng)為不太熟悉3D打印過程的學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)參與式學(xué)習(xí)體驗(yàn)活動(dòng)，幫助學(xué)生了解3D打印相關(guān)的軟硬件知識。

（2）模仿設(shè)計(jì)

該環(huán)節(jié)以介紹3D建模軟件中基本功能為主，由教師操作演示。學(xué)生模仿練習(xí)為主，快速地讓學(xué)生熟悉3D建模軟件中常用的工具和命令。

（3）問題解決

問題分為良構(gòu)問題和劣構(gòu)問題。一個(gè)良構(gòu)問題只有一個(gè)滿意的解決方案。而劣構(gòu)問題則相反，往往會有多種解決方案。該環(huán)節(jié)中的問題屬于良構(gòu)問題，因此該環(huán)節(jié)中解決問題只需要學(xué)生利用上一環(huán)節(jié)中所學(xué)的3D建模軟件中的工具和命令建構(gòu)既定的3D模型，起到復(fù)習(xí)回憶新知識和促進(jìn)知識遷移的作用。

（4）生活應(yīng)用

引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的知識和技能解決生活中的問題，該環(huán)節(jié)中問題是劣構(gòu)的，有很多不可知地方需要學(xué)生花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，需要制定不同的問題解決方案以找到最佳解決辦法。

如圖3所示，首先教師設(shè)計(jì)一個(gè)真實(shí)的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生確定研究問題，生成研究方案。然后，學(xué)生根據(jù)問題利用3D建模軟件將創(chuàng)意變成模型，接著將模型打印出來。最后，需要反復(fù)測試與修改，保證打印出來的產(chǎn)品能夠用到生活中真正解決實(shí)際問題。該環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)完整的科學(xué)研究過程，親身體驗(yàn)如何利用3D打印技術(shù)解決實(shí)際問題。

圖3 生活應(yīng)用環(huán)節(jié)的研究過程

2. 橫向——學(xué)科知識融合

可以參考美國馬里蘭大學(xué)赫希巴奇（Herschbach，2011） 針對STEM 教育整合的課程設(shè)計(jì)提出的一種課程模式——相關(guān)課程模式，該模式指將各科目仍保留為獨(dú)立學(xué)科，但各科目教學(xué)內(nèi)容的安排注重彼此間的聯(lián)系。例如，在初中物理課上學(xué)到電路工作原理的知識點(diǎn)時(shí)，可以在學(xué)生上完這節(jié)課后，在3D打印課程中制作小夜燈。學(xué)生既可以復(fù)習(xí)物理課上學(xué)到的電路工作原理和各種電路元件特性，又能夠利用所掌握的3D打印技術(shù)去設(shè)計(jì)和打印小夜燈的外殼。通過親手設(shè)計(jì)和制作小夜燈，不僅帶給學(xué)生無限的成就感，激發(fā)后續(xù)學(xué)習(xí)動(dòng)力，而且?guī)椭鷮W(xué)生理解物理書本上的理論知識，對考試分?jǐn)?shù)和動(dòng)手能力的提升都有積極的促進(jìn)作用。

案例：《3D創(chuàng)意建模之小小建筑設(shè)計(jì)師》

1. 教學(xué)對象

教學(xué)對象為初一年級學(xué)生，他們已經(jīng)學(xué)習(xí)了Solidworks軟件的基本特征命令，包括凸臺拉伸和旋轉(zhuǎn)特征命令，并能夠熟練地繪制草圖，使用陣列和鏡向功能輔助草圖繪制，使用特殊命令進(jìn)行3D建模。

2. 教學(xué)目標(biāo)

知識與技能：通過體驗(yàn)3D打印建筑模型的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)3D打印機(jī)的打印要求；通過模仿繪制3D建筑模型熟練掌握草圖繪制的常用命令以及基本特征命令。

過程與方法：通過自主設(shè)計(jì)建筑模型熟悉3D設(shè)計(jì)打印的一般流程。

情感、態(tài)度與價(jià)值觀：通過自主設(shè)計(jì)建筑模型獲得的成就感，體驗(yàn)3D建模和打印的樂趣，激發(fā)自主創(chuàng)作的積極性。

3. 教學(xué)過程

（1）實(shí)踐體驗(yàn)（可放在課外進(jìn)行）

教師：提供一個(gè)3D模型源文件——艾菲爾鐵塔模型，要求學(xué)生將3D 模型源文件轉(zhuǎn)換成不同大小的切片文件進(jìn)行打印，并觀察打印效果，思考問題，探究原因。

學(xué)生：根據(jù)教師要求將3D 模型源文件轉(zhuǎn)換成不同大小的切片文件進(jìn)行打印，并在打印過程中觀察不同尺寸大小的打印效果有何區(qū)別；思考艾菲爾鐵塔模型頂部造型很難打印成功的原因，并提出解決辦法。

教師：引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)3D打印要求——設(shè)置打印模型的高度和寬度不能超過3D打印機(jī)的打印范圍，在使用切片軟件轉(zhuǎn)換時(shí)思考自己的3D模型是否需要設(shè)置打印支架。

（2）模仿設(shè)計(jì)

教師：上機(jī)演示利用Solidworks軟件設(shè)計(jì)一個(gè)對稱建筑模型（以土耳其圣索菲亞教堂模型為例），反復(fù)使用3D建模軟件的兩個(gè)特征命令：凸臺拉伸和旋轉(zhuǎn)。

學(xué)生：仔細(xì)觀看并模仿操作，強(qiáng)化兩個(gè)特征命令的操作方法。

注意：在這個(gè)活動(dòng)中教師在繪制草圖和使用特征命令時(shí)需融入一些數(shù)學(xué)知識，比如點(diǎn)-線-面-體的關(guān)系、軸對稱圖形、圖形旋轉(zhuǎn)的三要素。

以下是學(xué)生作品展示：

（3）問題解決

教師：展示一張古風(fēng)亭子的圖片，并提出問題“歷史老師想要請同學(xué)們幫忙為這幅二維效果的古風(fēng)亭子設(shè)計(jì)出三維模型，并打印出來作為實(shí)物教具帶到課堂上”。

學(xué)生：使用3D建模軟件根據(jù)圖片設(shè)計(jì)模型并打印出來。

教師：提出問題“如何更改參數(shù)讓亭子看起來更逼真？”

注意：本環(huán)節(jié)旨在促進(jìn)學(xué)生鞏固在前面環(huán)節(jié)中習(xí)得的3D建模軟件特征命令（凸臺拉伸和旋轉(zhuǎn)），并復(fù)習(xí)之前活動(dòng)集里學(xué)習(xí)的草圖繪制的一些技巧，比如圓周陣列和建立基準(zhǔn)面。

以下是學(xué)生作品展示：

（4）生活應(yīng)用

教師：提出問題“校史展覽室需要旋轉(zhuǎn)學(xué)校建筑的微模型中的致遠(yuǎn)樓有些破損，能否幫助老師設(shè)計(jì)致遠(yuǎn)樓的3D模型并打印出來一個(gè)進(jìn)行替換？”

學(xué)生：進(jìn)行問題分析，制定方案，3D建模，3D打印，測試與反復(fù)修改。

注意：在設(shè)計(jì)3D模型前，需要綜合使用多門學(xué)科知識，如要研究學(xué)校樓房的結(jié)構(gòu)，繪制草圖，尺寸比例測量等等。教師可以提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)平臺和測量工具幫助學(xué)生進(jìn)行探究，學(xué)生也可以去求助其他學(xué)科老師解決問題。

以下是學(xué)生作品展示：

4. 教學(xué)反思

通過循序漸進(jìn)，由易到難，由模仿到自主創(chuàng)作的的過程，可以讓學(xué)生一直都能信心十足地完成所有3D建模作品。每個(gè)活動(dòng)的完成讓學(xué)生更加熟練3D建模軟件的使用，為后續(xù)活動(dòng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。通過打印自主設(shè)計(jì)的作品，更給學(xué)生帶來了滿滿的成就感，激發(fā)他們繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。從身邊尋找實(shí)際問題，結(jié)合3D打印技術(shù)解決問題，同時(shí)能夠綜合利用各種學(xué)科知識，讓學(xué)生真正做到學(xué)以致用，教會他們的不僅僅是技術(shù)，更是一種解決實(shí)際問題的方法和理念。