3D打印在中小學(xué)信息技術(shù)課堂的應(yīng)用研究＊

楊 云，趙 艷，程 美

3D打印（3D P rinting）技術(shù)起源于美國，始于19世紀(jì)末形成的照相雕塑和地貌形成技術(shù)[1]，是一種快速成型技術(shù)。它以數(shù)字模型為依托，運用A B S（丙烯腈）塑料、P L A（聚乳酸）塑料或金屬等材料進行“逐層打印”，構(gòu)造立體模型。3D打印在中小學(xué)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域已受到廣泛關(guān)注，特別是在信息技術(shù)課堂——一個通過實踐操作來培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的課堂。筆者采用課堂演示操作練習(xí)的方法，使用3D O ne軟件，以今年生肖“狗年”為背景，讓學(xué)生在信息技術(shù)課堂開放式設(shè)計一個學(xué)習(xí)中常用的筆筒——“個性化狗年紀(jì)念筆筒”。教師通過課前準(zhǔn)備教學(xué)案例，課中教授學(xué)生3D模型設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計各種圖案的筆筒，使每個學(xué)生都參與到其中。3D模型完成后，教師與學(xué)生進行作品分享與交流，以探索3D打印在信息技術(shù)課堂中更為有效的教學(xué)方法，從而使學(xué)生激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強實踐操作能力，高效率利用課堂時間。

一、3D打印的應(yīng)用背景及3D建模軟件的應(yīng)用

（一）3D打印的應(yīng)用背景

3D打印技術(shù)已在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。在航空航天領(lǐng)域，俄羅斯于2016年將首個由3D打印出的立方體衛(wèi)星送入國際空間站；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，美國于2016年制造出一臺可以直接將打印出來的人類器官、組織、骨骼植入人體的3D打印機；在建筑領(lǐng)域，迪拜于2016年制造出世界上首棟3D打印的建筑。在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，英國于2012年通過3D打印技術(shù)創(chuàng)新新型學(xué)習(xí)模式，讓師生的學(xué)習(xí)過程伴隨著制作和分享[2]；張晶[3]等人于2015年提出了3D打印在中小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)上要堅持以學(xué)生為中心，并且應(yīng)用時要突出挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)；李柯影[4]等人于2015年以英國中小學(xué)課堂3D打印技術(shù)項目為例，為探索國內(nèi)3D打印在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用提供了經(jīng)驗；鄭賢[5]于2016年通過3D O ne軟件創(chuàng)設(shè)課堂模擬情景，設(shè)計了教學(xué)案例與實踐以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；丁焱[6]于2018年將3D打印技術(shù)在中小學(xué)各學(xué)科中進行整合，并列舉了在數(shù)學(xué)、語文、音樂等學(xué)科上的整合運用案例。3D打印已應(yīng)用于眾多領(lǐng)域中，在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的運用國內(nèi)外已有了很多研究，但研究的深度有待進一步挖掘。本文就3D打印在中小學(xué)信息技術(shù)課堂的有效教學(xué)方法進行研究和探索。

（二）3D建模軟件的應(yīng)用

3D建模軟件有很多種，如Sketchu p、IM E3D程序員、Autodes k 123D Design、3DO ne等，本文以3D O ne為例進行教學(xué)案例設(shè)計。

3D O ne是由廣州中望公司專門為中小學(xué)而開發(fā)的3D建模軟件[7]，于2015年發(fā)布第一個3D O ne版本，現(xiàn)已不斷更新、新增版本，有基本的3D O ne（教育版、家庭版）、進階的3DOne Plus、3DOne Cut等，能夠滿足中小學(xué)各個年齡段的教師與學(xué)生使用。該軟件界面比較直觀，便于操作，也融入了各個學(xué)科的一些操作，如數(shù)學(xué)學(xué)科中的各種立體、線性模型的構(gòu)建，美術(shù)學(xué)科中草圖的修剪、繪制等，同時在繪制模型時候也運用了簡單的數(shù)學(xué)運算，以保證立體模型各個位置的精準(zhǔn)性。信息技術(shù)教師在課堂上教授學(xué)生使用該軟件，設(shè)定一個學(xué)習(xí)場景，導(dǎo)入一些生活中常用的模型（如筆筒模型）或與其他學(xué)科相關(guān)的模型（如生物細胞模型），能使課堂更加個性化、趣味化，加強學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)性。在設(shè)計3D立體模型的時候，也能夠探究更多未知的部分，如生物微生物、細胞等，這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力都能提高。

二、3D打印“個性化筆筒”教學(xué)設(shè)計流程

愛因斯坦曾說過：“在科學(xué)上，每一條道路都應(yīng)該走一走。發(fā)現(xiàn)一條走不通的道路，就是對于科學(xué)的一大貢獻?！边@也意味著，信息技術(shù)教師在教授學(xué)生3D建模時候，要引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)意性地去設(shè)計自己“所想”的模型，通往更多從未嘗試的“道路”。信息技術(shù)教師通過導(dǎo)入“開放性的3D立體模型”案例，教授學(xué)生學(xué)會使用3D設(shè)計軟件的功能，引導(dǎo)學(xué)生用不同的方式完成同樣類型的3D立體模型作品。

圖1 基于3D打印的“個性化筆筒”教學(xué)設(shè)計流程

信息技術(shù)教師要在課前選擇一個趣味性的“立體化設(shè)計主題”。筆者以今年的生肖——狗年為背景，制作學(xué)習(xí)文具筆筒?！皞€性化狗年紀(jì)念筆筒”由兩部分組成，即狗年卡通圖案和筆筒的組合。狗年卡通圖案可從網(wǎng)絡(luò)上下載，筆筒的設(shè)計方式有多種，設(shè)計前要考慮“所想的模型”由幾個部件組成，使用哪些命令能夠完成“所想的模型”設(shè)計。在繪制“個性化狗年紀(jì)念筆筒”前，應(yīng)先設(shè)計好草圖，規(guī)劃好筆筒的各個層次、各個部件，利用簡單的數(shù)學(xué)運算對筆筒各個層次的高度進行求和，計算好筆筒的各個部件疊加后的高度，以保證草圖設(shè)計的精準(zhǔn)性；草圖繪制完成后，將紙上的想法在軟件中實現(xiàn)，在3D O ne軟件中，分別設(shè)計各個部件，使用軟件中的命令將草圖建模成立體模型；當(dāng)繪制完模型后，信息技術(shù)教師要對學(xué)生的作品進行點評，學(xué)生與學(xué)生之間互評，以完善模型；最后將最終的作品分享到3D O ne社區(qū)，與網(wǎng)絡(luò)上3D O ne學(xué)習(xí)者共同交流探討。

三、3D打印“個性化筆筒”教學(xué)案例實施

在熟悉3D打印在中小學(xué)信息技術(shù)課堂的設(shè)計流程后，將上述的設(shè)計流程具體化。模型由所應(yīng)用3D O ne軟件中的具體命令如表1所示。

表1 “個性化狗年紀(jì)念筆筒”命令組成

（一）狗年卡通圖案的設(shè)計

1.網(wǎng)絡(luò)搜索下載圖片。在網(wǎng)絡(luò)上搜索喜愛的“狗年卡通圖案”，并將圖片保存到本地，所選取的圖案要求線條清晰，以保證導(dǎo)入3D O ne時便于處理。

2.曲線連通性檢查。將網(wǎng)上下載的“狗年卡通圖案”導(dǎo)入到3D O ne工作區(qū)，并檢查“曲線的連通性”。網(wǎng)絡(luò)上下載的圖片一般不能直接使用，需通過3D O ne軟件處理后，才可設(shè)計成“立體圖案”。

3.處理圖案曲線不封閉的地方。圖片所需處理的地方就是經(jīng)“曲線連通性”檢查后，出現(xiàn)的“紅色空心矩形框”所圈起的部分，如圖2a所示，可使用“修剪”“線段”“曲線”等命令處理。當(dāng)圖片上的“紅色空心矩形框”全部消失時，點擊確定按鈕，便形成了一個封閉曲線的圖案。要巧用3D O ne的一些快捷命令，Ctrl+W可將要處理的“紅色空心矩形框”局部最大化顯示，更便于對圖形進行修改。

4.曲線經(jīng)拉伸后形成立體模型。將處理好的封閉的“狗年卡通圖案”進行拉伸，長度為4mm，即可形成立體的狗年卡通圖案模型，如圖2b所示。

圖2 狗年卡通圖案設(shè)計模型

（二）筆筒的設(shè)計

筆筒的設(shè)計可簡可繁，本文選用圓柱體與扭曲后的圓柱體交叉的方式設(shè)計，以保證筆筒的實用性。具體的設(shè)計步驟如下：

為筆筒繪制底座，選用基本實體（圓柱體）命令，繪制2個圓柱體，圓心分別為（0,0,0）（0,0,5）；半徑分別為 30mm、2.5mm；高度分別為5mm、100mm；基本編輯（線性陣列），在筆筒底盤的圓柱體上繪制距離為25mm的圓柱體，如圖3-a所示；基本編輯（圓形陣列），方向為筆筒底座，數(shù)量為15；特殊功能（扭曲），扭曲角度為100度；移動（動態(tài)移動）距離為25mm，要保證筆筒底座中間的“圓柱體”與“扭曲后的圓柱體”的位置重合；基本編輯（圓形陣列），將扭曲后的圓柱體設(shè)定為數(shù)量15，如圖3-b所示；為筆筒添加一個筒蓋，選用基本編輯（線性陣列），距離設(shè)定為105mm；將筆筒的筒蓋置空，并進行圓角處理，先選用基本實體（圓柱體）命令，圓心設(shè)為（0,0,110），半徑為 22mm，高度為 50mm，使用基本編輯（動態(tài)移動）命令將此圓柱體沿Z軸移動，使其穿過筆筒筒蓋，再使用組合編輯（減運算）將筒蓋置空，最后選用特征造型（圓角）命令處理筒蓋；“材料渲染”命令可將筆筒設(shè)置為想要的顏色。最后將狗年卡通圖案與筆筒結(jié)合，即完成了“個性化狗年紀(jì)念筆筒”的制作，如圖3-c所示。

以上每一個操作完成后，均需點擊“√”確定按鈕，方可完成立體圖形的繪制。

圖3 筆筒設(shè)計模型

在介紹了3D打印在國內(nèi)外的應(yīng)用背景和設(shè)計教學(xué)案例時所選用的3D O ne建模軟件；設(shè)計了信息技術(shù)教師從對3D打印課主題的選擇、需求說明、3D立體模型部件的組成、草圖的繪制、軟件中建模、制作完成后師生互評，到最后將作品分享到網(wǎng)絡(luò)社區(qū)互相學(xué)習(xí)這一教學(xué)設(shè)計流程基礎(chǔ)上，用課堂演示操作練習(xí)的方法將“個性化狗年紀(jì)念筆筒”教學(xué)案例實施到信息技術(shù)課堂中。信息技術(shù)教師通過導(dǎo)入有趣的3D打印教學(xué)主題，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)身邊感興趣的“模型”——生活中或其他學(xué)科的模型，使學(xué)生能夠獨立設(shè)計“所想模型”，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，充實課堂教學(xué)內(nèi)容，為探索3D打印在中小學(xué)信息技術(shù)課堂的教學(xué)提供參考。