3D打印技術在學校教育中的應用研究

楊久俊

摘要：教育領域是3D打印的應用領域之一。本文剖析了3D打印在學校教育中的應用及優(yōu)勢。介紹了3D One、Tinkercad兩款面向青少年教育的三維軟件，講述3D打印首要環(huán)節(jié)三維模型的創(chuàng)建方法及應用。

關鍵詞：3D打印;3D建模;青少年;3D One;Tinkercad;編程;電路

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）09-0025-03

0 引言

邁入全球化的信息時代，以大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、3D打印技術為代表的新興技術將會對學校教育產(chǎn)生深遠影響。3D打印技術是目前最熱門的新興技術之一，國內(nèi)對于該技術的教育領域應用還處于起步階段，但隨著該技術的發(fā)展成熟，3D打印技術將會推動課程內(nèi)容教學方法不斷變革。

1 3D打印技術及在學校教育中的應用

3D打?。?D printing，又稱三維打印）是一種快速成形技術，它以數(shù)字化模型為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料。1986年，3D打印技術的發(fā)明者Charles Hull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D打印機，開啟了全球的3D打印時代。英國《經(jīng)濟學人》雜志認為，3D打印技術將成為推動第三次工業(yè)革命的重要力量。3D打印技術可用于機械制造、工業(yè)設計、珠寶、建筑、航空航天、生物醫(yī)療、教育等眾多領域。在可以打印器官、汽車、飛機的今天，它還在創(chuàng)造無限的可能?！吨袊圃?025》、《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》都指出要重點部署3D生物打印技術的創(chuàng)新突破和應用發(fā)展。“中國3D打印第一人”顏永年認為，未來3D打印將成為發(fā)展的一個支柱產(chǎn)業(yè)。政府的推動和媒體的關注，使得3D打印迅速成為全球熱點。目前我國3D打印技術已形成“以高校為主體的技術研發(fā)力量布局，若干關鍵技術取得重要突破，產(chǎn)業(yè)發(fā)展開始起步，形成小規(guī)模產(chǎn)業(yè)市場，并在多個領域成功應用，為下一步發(fā)展奠定了良好基礎?！备窬帧?/p>

由于3D打印技術在個體定制化生成方面的巨大優(yōu)勢，使得其具備了顛覆傳統(tǒng)教育模式的潛力。在國內(nèi)的一些中小學開設了集三維設計和3D打印于一體的課程，這類課程給為學生的學習方式帶了變革，讓抽象的教學概念更加容易理解，激發(fā)了學生對科學、數(shù)學、物理、工程、設計創(chuàng)意等多學科的興趣，促進了實踐與理論、知識與思維、現(xiàn)實與未來3個方面的結(jié)合。主要優(yōu)勢有：（1）激發(fā)學生對一些科學過程或現(xiàn)象進行可視化展現(xiàn)，通過軟硬件結(jié)合，鼓勵學生動手實踐，激發(fā)學生潛能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識;（2）通過3D打印將視覺與觸覺結(jié)合，不同于單純的看文字、圖形，它為學生建立一種新型的學習通道，加深了學生對知識的理解與記憶，激發(fā)學生深入學習的熱情;（3）學生建模和設計的主題大多貼近生活，能培養(yǎng)學生積極思考、主動解決實際問題的能力;（4）學生通過學習簡易建模軟件，拓展了空間思維能力，也便于后期進一步學習專業(yè)建模軟件。

2 目前主流的面向青少年教育的三維設計軟件

3D打印包括三維建模、印前處理、打印、后期處理等步驟，3D打印首要任務就是創(chuàng)建三維建模，三維模型可以通過3D掃描儀掃描獲得后使用軟件進行修繕，或使用三維建模軟創(chuàng)建編輯，也可以在網(wǎng)絡共享素材庫直接下載。

所想即所得，這是3D打印技術的獨特魅力所在。3D打印機可以輕松、完美具現(xiàn)人們的創(chuàng)意和想象。問題是，3D打印機如何讀取我們的構想？解決這個問題，可以使用各種3D建模軟件。現(xiàn)今各種各樣的建模軟件，從工業(yè)設計、影視動畫、到青少年教育，軟件已涵蓋了各個領域。像AutoCAD、SOLIDWORKS、SketchUp、3dsMAX、May、Zbrush這些專業(yè)級三維軟件要靈活的使用它們必須經(jīng)過長期的學習。對于青少年、非專業(yè)人士，可以選擇一些相對簡單、更易上手的軟件進行三維設計，下面介紹目前兩款更適合青少年學習的三維設計軟件。

2.1 3D One系列

3D One（網(wǎng)址http：//www.i3done.com/）是由我國中望龍騰軟件公司開發(fā)的系列軟件，包括3D One、3D One Plus、3D One Mini、3D One Cut等系列軟件及3D One App。3D One是國內(nèi)首款面向青少年的三維設計軟件，具有簡易的3D設計功能，貼合青少年的創(chuàng)新思維，內(nèi)嵌社區(qū)和豐富的學習、教學相關資源，其積木編程、Phython編程等建模方式讓建模更具趣味性。截止2019年9月24日已有 51278 所學校入駐，共發(fā)布作品1085365件。3D One APP是3D One的移動端社區(qū)APP，用戶能隨時隨地能與社區(qū)好友分享、直播自己的創(chuàng)意，老師可隨時為學生作品點贊評價，展示教學成果，父母可綁定孩子賬號，與孩子一起探索趣味創(chuàng)意。3D One分教育版和家庭版，家庭版為免費版本。

3D One主界面的左側(cè)是工具欄，有著豐富的命令以實現(xiàn)模型的創(chuàng)建及修改。主界面的右側(cè)有社區(qū)管理、創(chuàng)意模型庫、視覺樣式、電子件管理、趣味編程等選項。視覺樣式包括材質(zhì)、貼圖、三維場景等，三維場景可以使用軟件自帶的宇宙、大海、天空等場景，也可以導入JPG、JPEG、PNG格式的全景圖或天空圖來創(chuàng)建新的三維場景。電子件管理中包括美科、盛思、機器時代等多家合作企業(yè)的電子元件，用戶能直接選擇這些電子元件來進行設計。積木模式和Python模式可完成模型的創(chuàng)建、修改、動畫效果。積木模式接近于Scratch積木編程軟件。Python模式下，用戶能通過語法庫更便捷的學習代碼，運用代碼實現(xiàn)創(chuàng)意。圖1列出了使用實現(xiàn)方框模型的創(chuàng)建方法：左上是需要創(chuàng)建的模型，左下使用普通建模方式，首先創(chuàng)建長寬高分別為（40，30，3）、（35，25，3）的兩個六面體，再用組合編輯命令中組合減將兩個六面體相減。右側(cè)是積木模式使用三個積木來實現(xiàn)創(chuàng)建。也可以使用代碼來創(chuàng)建：

from zw_api import *

import re

def zw_main（）：

zw_do_combine（2， [ ?zw_draw_box（40， 30， 3， zw_point（0， 0， 0）， '#33ccff'）]，

[ ?zw_draw_box（35，25，3，zw_point（0，0， 0），'#33ccff'）]）

3d One積木編程方式中的積木塊種類十分豐富，“海龜庫”能控制畫筆移動繪制豐富多彩的圖案，“特征造型”能用組合編輯、拉伸、旋轉(zhuǎn)等對模型進行修改，創(chuàng)建復雜造型的模型。“數(shù)學類別”能完成四舍五入、平方根等多種數(shù)學運算。

3D One內(nèi)置了豐富的學習資源，遇到不會的命令，點擊命令對話框的左上角“！”，就會彈出該命令的使用說明及視頻鏈接，例如圖1使用組合命令中點擊“！”出現(xiàn)的命令幫助。

3D One的GIF快速創(chuàng)建功能，積木模式、Python模式編程時，點擊GIF按鈕后能將程序運行過程制作成GIF動畫，調(diào)整速度值能修改運行速度。

打印速度緩慢且耗材昂貴是3D打印的主要缺點之一，3D One能將3D打印用動畫來進行模擬，展示3D打印的過程，還能整模擬打印的速度和進度（見圖2）。

2.2 Tinkercad

Tinkercad（https：//www.tinkercad.com/）Autodesk公司目前主打教育領域的一款免費的在線設計軟件，集成了3D打印建模、電子電路設計、編程等功能。Autodesk是全球最大的二維、三維設計和工程軟件公司，為制造業(yè)、工程建設行業(yè)以及傳媒娛樂業(yè)提供卓越的數(shù)字化設計、工程軟件服務和解決方案。AutoCAD、3dsmax、Maya這些頂級的三維軟件都是Autodesk公司旗下產(chǎn)品，雄厚的技術支持背景讓Tinkercad不容小覷。

不同于其它的三維軟件需要進行復雜的軟件安裝、配置，計算機連接網(wǎng)絡后，只需要打開Tinkercad主頁就可以立刻進行3D模型的設計。Tinkercad已經(jīng)集成了上百個不同的基本體以供模型搭建，用戶也可以編輯基本體、創(chuàng)建自定義模型并上傳至云服務器。Tinkercad主頁右上方有“Classes”、“庫”、“博客”、“學習”、“授課”等選項，用戶瀏覽“博客”能了解Tinkercad最新消息、技巧和貼士等，“授課”可以指導教育工作者在課堂中使用Tinkercad。“學習”提供了豐富的在線項目，用戶通過閱讀詳細的項目功能及步驟介紹，按照導航逐步掌握Tinkercad的使用。

Tinkercad有三維設計、Circuits、代碼塊三種工作模式。點擊“三維設計”圖標就能馬上進入三維設計。Tinkercad建模流程是：放置（放置形狀以添加或刪除物體）——調(diào)整（在空間中自由移動、旋轉(zhuǎn)和調(diào)整形狀）——合并（將一些形狀組合到一起，來創(chuàng)建所需模型的細節(jié)）。簡潔的可視化界面讓用戶很快掌握這一流程進行設計，模型完成后能用OBJ、STL、GLTF等文件格式導出，或者直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給已經(jīng)連接的3D打印機進行打印。Tinkercad支持所有接受標準STL文件格式的3D打印機，作品可以直接進行3D打印或者在線訂購3D打印。模型也可以直接導出到Autodesk公司旗下的另一款3D軟件Fusion360進行進一步編輯渲染。Tinkercad可支持導入25MB以內(nèi)的STL、OBJ、SVG格式的二維或三維文件以進行下一步編輯。

Tinkercad還可以將3D設計融入電路設計，選擇Circuits模式就能創(chuàng)建虛擬電路，在主界面右側(cè)的“組件”中可以找到主流的電路元件模塊，使用者可直接使用其進行模擬搭建，實際搭建前還可進行在線模擬來測試設計效果，加速創(chuàng)意的發(fā)揮。模擬后再進行實際搭建電路，將3D打印模塊、電路元件結(jié)合，從 Tinkercad 中導出代碼以便對電路進行編程。很多部件附帶了詳細的說明，點擊顯示構建說明按鈕，還可以在頁面的左側(cè)看到該部件的詳細搭建步驟，包括文字說明、圖片、視頻。電路模擬如果有錯，電路出錯處有“！”警示并給出文字說明。

Tinkercad具有編程功能。選擇“代碼塊”，進行可視化編程在程序上生成形狀，堆疊、移動積木塊就能運行測試，完成復雜模型的創(chuàng)建。Tinkercad提供了范例“入門”，通過學習范例，用戶能快速掌握積木塊的使用。相比于3D One，Tinkercad創(chuàng)建形狀的選項更細致，使用更便捷，以創(chuàng)建“長方體”形狀（3D One中形狀名為“六面體”）為例，Tinkercad中有“邊緣”和“邊緣步驟”選項來控制長方體倒角大小和倒角分段數(shù)，3D One要創(chuàng)建一個倒角長方體步驟較為復雜。Tinkercad視圖調(diào)整十分便捷，代碼塊模式下可以使用窗口左側(cè)的“+”、“-”圖標來放大或縮小視圖，也可用快捷鍵“+”、“-”實現(xiàn)。拖動鼠標左鍵可以旋轉(zhuǎn)攝像機，滾動鼠標滾輪能推近或拉遠攝像機。

Tinkercad三維設計模式有多種快捷鍵加快工作流程，如按住“Alt”鍵拖動鼠標左鍵，能夠復制拖動的對象，“Ctrl”鍵加“D”鍵能復制選中的對象，“Del”鍵可刪除選中對象，“↑”、“↓”、“←”、“→”讓選中的對象上下左右移動，“Ctrl”鍵加“g”能為選中對象創(chuàng)建組?！癈trl”加“z”鍵能撤銷上一步操作。這些快捷鍵與主流的三維建模軟件快捷鍵的用法基本一致，用戶掌握這些快捷鍵后能更好進行高級建模軟件的學習。

相比3D One，Tinkercad在國內(nèi)的知名度和普及度不高，其幫助界面、警示等缺少中文說明給使用造成了一定困難。免費、免安裝、易使用、豐富的模型庫和教學資源及雄厚的技術支持，Tinkercad在家庭、學校、3D打印愛好者中將會有更好的應用前景。

3 結(jié)語

科技促進教育這一客觀規(guī)律決定了3D打印會對學校教育產(chǎn)生積極的影響，但3D打印引入教學還存在很多實際困難。教育者運用3D打印與學科結(jié)合、項目實踐等多種方式，積極發(fā)揮3D打印技術的優(yōu)勢，讓其為教育事業(yè)的發(fā)展提供動力。

參考文獻

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Abstract：Education is one of the application fields of 3D printing. This paper analyzes the application and advantages of 3D printing in school education. This paper introduces 3D One and Tinkercad， two 3D software for youth education， and describes the creation method and application of 3D model in the first step of 3D printing.

Key words：3D printing; 3D modeling; Teenagers; 3D One; Tinkercad; Programming; Circuit