3D打印在小學拓展課程中的實踐應用

宋嘉億

摘要：小學階段的3D打印課應著重于學生的設計能力，包括想象力、創(chuàng)造潛能的激發(fā)，空間思維與邏輯思維的培養(yǎng)，還有細節(jié)的觀察力等。可以從發(fā)現(xiàn)、解釋、構思、實驗和改進五個環(huán)節(jié)進行考慮。

關鍵詞：3D打印? 創(chuàng)客? 拓展性課程

3D打印，被譽為“第三次工業(yè)革命”，是基于增材制造法原理的一種高新技術，是快速成形技術的延續(xù)與發(fā)展，實現(xiàn)3D打印技術的關鍵是打印機和3D打印自由成形工藝。3D打印機通過噴頭來配送成形材料，按照設計的模型，講材料一層層逐步噴射于工作臺上，最終形成3D模型。

3D打印技術實現(xiàn)了“設計即生產”的創(chuàng)想，具有快速生成的特點，不但能夠實現(xiàn)從零件設計到整體設計的跨越，而且所“打印”的產品，較之傳統(tǒng)方法所生產的產品具有更強的穩(wěn)固性、更精密的結構，支持更有創(chuàng)意的設計與生成，因此近年來在機械制造、生物醫(yī)藥、建筑設計、藝術創(chuàng)造等多個領域受到越來越多的關注，也漸漸走入了中小學的課堂。

一、3D打印技術在小學教育中的現(xiàn)狀

（1）硬件條件參差不齊。3D打印無疑是一門對硬件設備要求很高的課程，要開展課程，最基本的配備包括：3D打印機（一臺或多臺）、打印所需耗材以及相關的加工工具。市面上的3D打印機根據(jù)精度不同價格也不同，但總體來說價格較高，而且打印物品所需的耗材需要不斷補充，基本上同一個作品需要打印多次才能成功。況且，不同地區(qū)對于新興技術在小學教學中應用的重視程度不同，同一地區(qū)不同學校情況也不盡相同，導致經驗無法共享。

（2）軟件選擇五花八門。3D打印的模型，需要在建模軟件中先設計好形狀與比例，再進行打印前的切片，如何才能進行打印。社會對于3D打印的敏銳度很高，一時間各種各樣的建模軟件如雨后春筍般涌出，有些老師會出現(xiàn)無法抉擇的情況。

（3）教師素質有待提高。3D打印是新興技術，大部分中小學教師也仍舊處于學習階段，教學手段和目的仍處于淺表階段，大部分課程都是老師學習如何制作，然后教授如何制作，最后由學生模仿制作。

二、3D打印在小學教學中的教學目的

小學階段的3D打印課應著重于學生的設計能力，包括想象力、創(chuàng)造潛能的激發(fā)，空間思維與邏輯思維的培養(yǎng)，還有細節(jié)的觀察力等。它應致力于打通學生的想象世界、虛擬世界和現(xiàn)實世界三個維度，使學生自由地將腦海中的奇思妙想最大程度地展現(xiàn)出來。當然，這一教學目的的實現(xiàn)需要以熟練運用建模軟件為基礎。

三、3D打印社團課設計框架

在3D打印社團課堂中，設計軟件和3D打印機是技術基礎，想象、創(chuàng)造和設計構成了核心要素。所以社團課的教學過程，可以從發(fā)現(xiàn)、解釋、構思、實驗和改進五個環(huán)節(jié)進行考慮。

發(fā)現(xiàn)：學生有意識地觀察生活中的事物，落實到細節(jié)，對物品有一個基本的結構劃分，同時預測設計作品可能會出現(xiàn)的問題，明確限制條件。善于利用網絡資源，搜集、辨識關鍵信息。

解釋：在團隊中表達自己的想法，整理問題，提出可行的解決和調整方案。在表達自己想法的時候，要注意語言簡潔精煉，重點突出自己的創(chuàng)新點，并能夠聆聽隊友的設計想法，取長補短，完善自己的想法。

構思：團隊成員一起制作草圖，擬定最佳設計方案。

實驗：開始制作3D模型，在制作中明確分工，及時整理反饋意見，及時調整解決問題。

反思：一次設計完成后，及時總結所遇到的問題、原因及解決方式，作為自己和他人的參考。

3D打印社團教學的教學內容框架設計如下：（筆者在教學中使用的是123D Design。這是一款免費的3D CAD工具，可以使用一些簡單的圖形來設計、創(chuàng)建、編輯三維模型，或者在一個已有的模型上進行修改。123D Design打破了常規(guī)專業(yè)CAD軟件從草圖生成三維模型的建模方法，提供了一些簡單的三維圖形，通過對這些簡單圖形的堆砌和編輯生成復雜形狀。這種‘傻瓜式的建模方式感覺像是在搭積木，使學生能隨心所欲地建模。）

課時

內容

1

展示3D打印作品，解釋3D打印流程及原理，介紹硬件的操作方法，學習軟件的安裝操作、基本功能的實現(xiàn)。

2-5

學習基本功能操作，練習調整位置的精確度和熟練度

5-15

根據(jù)老師提出的開放式題目，分組自主設計作品

15以后

觀察生活，選擇自己最想做的內容，團隊合作制作并展示成果。

四、教學設計案例——基本操作，做個糖葫蘆

教學目標：認識界面，菜單，視圖工具，學會調整視角，移動物體，縮放物體，對齊物體，吸附工具。

教學重點：基本幾何體菜單，學會利用現(xiàn)有基本幾何體建模。

1、認識界面

關閉教程或點下方的Start a New Preject，開始新項目。界面就是這樣，三部分：上面一行圖標，右邊一條圖標，中間一個淡藍色的坐標（pan，就是工作臺，默認的參考平面），有X軸和Y軸。

菜單和視圖工具均為圖標，方便記憶。

2、放入物體

開始工作，放幾個物體到臺上。點擊基本幾何體（Primitives），左邊九個立體的，右邊四個平面的。

點中左邊任一個，松開鼠標，再在藍色的工作臺上（pan）再點一下，就進來了，把立體的一個個點進來：點進來的物體，都放在臺上，都是貼緊臺面放的。

3、移動物體

按住鼠標左鍵拖動小球，一個挨一個，排成一條直線：真的一個挨一個站在一條直線上了嗎？不一定！我們是畫三維圖，可是電腦屏幕是平面的（二維），所以我們看到的只是一個角度，這個角度看是站在一條直線，換個角度就不一定了。

4、工作面操作

工作面操作集中在中鍵和右鍵按住中鍵拖動鼠標，就能平移臺面，滾動中鍵，就能縮放視圖，按住右鍵，拖動鼠標，就能改變視角。

5、縮放物體

點擊菜單Transform（變換），點擊子菜單Scale（縮放），出現(xiàn)一個箭頭，拖動它，就能放大縮小;可以，仔細看點中縮放后的對話框;其實是有選項的，點擊第一個小三角：Uniform（按比例），Non-uniform（不按比例）。默認是按比例縮放的。選中不按比例后，就可以單方向拉伸。建議先按比例整體拉小，再單獨拉高。

6、全方位移動

點擊菜單Transform（變換），點擊子菜單Move/Rotate（移動/旋轉），再在圓柱體上點擊，出現(xiàn)三個箭頭、三個小方塊和白色圓點，還有三個帶雙箭頭的小圓圈。

三個箭頭：?拖動它們，可以在X、Y、Z三個方向移動物體。、三個小方塊：拖動它們，可以在XY、YZ、ZX三個面內移動物體。

白色圓點：?拖動它可以在任意方向移動物體。

三個帶雙箭頭的小圓圈：?拖動它們，可以繞X、Y、Z軸轉動物體。

7、保存

把光標移到左上角，就會出現(xiàn)下拉菜單，點Save To my computer（保存到我的電腦）