適用于視障學(xué)生的3D打印設(shè)計(jì)研究

李永芳 劉芮妍

3D打印技術(shù)問世以來，受到了廣泛關(guān)注。在我國，教育領(lǐng)域?qū)ζ潢P(guān)注度日益提高，但在特殊教育領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用仍是一個(gè)相對(duì)陌生的內(nèi)容。本研究以視障學(xué)生為對(duì)象，通過教學(xué)實(shí)踐來探究3D打印觸摸教具的設(shè)計(jì)。

一、研究背景

我們通過市場(chǎng)調(diào)查和同行了解發(fā)現(xiàn)，目前盲校可使用的教具資源較少且實(shí)用性不強(qiáng)。市面上可見的觸摸教具多為積木或微浮雕類，大小和尺寸等參數(shù)的選擇范圍較小，且不能與聲音、盲文或視頻監(jiān)測(cè)有機(jī)融合，還不能根據(jù)盲校師生的需求定制。

3D打印由三維建模、打印材料、打印參數(shù)管理、后處理工藝、逆向建模等方面的技術(shù)組成。三維建模的方便及參數(shù)設(shè)置的靈活性，能夠滿足多類盲教具的設(shè)計(jì)，并通過3D打印機(jī)打印成模具。

小學(xué)階段的學(xué)習(xí)和認(rèn)知培養(yǎng)是學(xué)生成長成才的基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生今后的發(fā)展和認(rèn)識(shí)事物、感知世界起到引領(lǐng)作用。對(duì)于視障學(xué)生而言，觸覺是獲取新知識(shí)、認(rèn)識(shí)新事物的一個(gè)重要途徑，“以手代目”實(shí)現(xiàn)感官補(bǔ)償，也是特殊教育教師教學(xué)方法和模式探究的重要方向。

二、實(shí)踐與設(shè)計(jì)探究過程

基于我校設(shè)施較為完整的3D打印室和相關(guān)社團(tuán)，按照盲教部教師與學(xué)生課堂實(shí)踐反饋的需求，我們靈活設(shè)計(jì)了適合學(xué)生與其學(xué)習(xí)內(nèi)容的教具。此外，視障學(xué)生主要靠觸覺和聽覺認(rèn)知事物，因此在實(shí)踐過程中，我們嘗試將盲文與模具解說語音融入3D打印教具，并通過不斷完善數(shù)據(jù)信息，尋找適合視障學(xué)生認(rèn)識(shí)事物的3D打印教具設(shè)計(jì)。

（一）課堂實(shí)踐階段

以鄭州市盲聾啞學(xué)校盲小學(xué)部三年級(jí)班級(jí)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該班共有14名學(xué)生，其中低視力3人、全盲10人、多重殘障（自閉癥）1人。我們跟蹤該班語文課堂，了解教師教學(xué)習(xí)慣和學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，及時(shí)獲取教師及學(xué)生的需求。

（二）模型設(shè)計(jì)階段

首先是模型的排列設(shè)計(jì)，根據(jù)視障學(xué)生觸摸方向來定，他們觸摸的順序和明眼人看書順序一樣從左到右，所以模型排列設(shè)計(jì)從左開始。其次是模型材質(zhì)，因視障學(xué)生觸摸教具需要一定硬度，用可降解的PLA材料就可以實(shí)現(xiàn)觸摸教具的硬度和密度，且PLA材料無毒，冷卻收縮度小，因此選用該材料較為適宜。再次，考慮到模型重要位置需要一些文字提示，便于學(xué)生把握模型構(gòu)造，在模型重要位置打上盲文，如上、下、左、右、頭、手……

除了觸覺，聽覺也是視障學(xué)生獲取知識(shí)的重要渠道，因此，在模型中配置發(fā)音裝置，內(nèi)含語文教師錄制的模型簡介，供學(xué)生隨時(shí)播放學(xué)習(xí)，可以解決一師多生導(dǎo)致的講解不到位的難題。集體授課時(shí)，為了保證課堂效果，模型不需要太多發(fā)聲部位且音量不要太大，以免引發(fā)多個(gè)學(xué)生觸摸時(shí)產(chǎn)生的聲音雜亂效果。

以《趙州橋》教學(xué)實(shí)踐為例，課文中趙州橋的泄洪能力是教學(xué)難點(diǎn)，課文詞語、句子背后蘊(yùn)含的生活內(nèi)容、社會(huì)文化等內(nèi)容，視障學(xué)生不能通過字面和老師的語言描述完全認(rèn)知這些內(nèi)容。因此，在設(shè)計(jì)趙州橋3D模型時(shí)，我們就需要從它的直觀性、安全性、互動(dòng)性、啟發(fā)性和適應(yīng)性角度來考慮，以方便教學(xué)。

（三）3D打印模型課堂應(yīng)用階段

由于視力原因，僅憑教師描述字面意思，學(xué)生很難理解物體真實(shí)的形象，無法明確感知會(huì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)與探究的欲望。因此，觸覺是視障學(xué)生感知這個(gè)世界的重要窗口，我們可以利用3D教具協(xié)助教學(xué)，可以讓抽象的語言直觀化，讓抽象的空間想象被觸覺感知。

如在《趙州橋》一課中，文章第二自然段介紹了趙州橋的長和寬、建筑材料以及設(shè)計(jì)特點(diǎn)等，教師指導(dǎo)學(xué)生觸摸模型了解趙州橋的長和寬分別在哪里，直觀理解“橋長五十多米，有九米多寬，中間行車馬，兩旁走人”這一描寫。教師通過類比學(xué)生熟悉的學(xué)校操場(chǎng)來感知趙州橋的大小，以及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在模型的幫助下，學(xué)生能快速地聯(lián)系上下文理解語句，體會(huì)趙州橋的雄偉和堅(jiān)固。

通過3D觸摸教具完成授課后及時(shí)向使用教具教師和學(xué)生了解體驗(yàn)感，盲教部6名語文教師表示使用教具后，對(duì)抽象內(nèi)容的講授更加輕松，學(xué)生上課狀態(tài)也明顯積極活潑了。64名小學(xué)在校生中，95%以上的學(xué)生反映使用該教具后，能夠更清晰地構(gòu)思未知事物和抽象過程，理解課文中蘊(yùn)含的文化背景和社會(huì)知識(shí)。

（四）3D建模完善階段

課堂實(shí)踐后，針對(duì)所用模型，再次詢問教師和學(xué)生的建議，從實(shí)際需求出發(fā)對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行修改，如模型與實(shí)物的比例、關(guān)鍵位置的盲文提示、模型可拆卸組合或轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，真正做到以師生為中心的設(shè)計(jì)，得出適用于視障學(xué)生的3D打印教具設(shè)計(jì)基本要點(diǎn)，形成適合盲校師生教學(xué)的設(shè)計(jì)方案。

三、總結(jié)與展望

（一）總結(jié)

在探究與實(shí)踐過程中，我們可以得出適合視障學(xué)生的3D打印教具設(shè)計(jì)主要需考慮以下五點(diǎn)。

1.適配度：模型的排列設(shè)計(jì)上，要符合視障學(xué)生觸摸物體的方向以及年齡、認(rèn)知差異，盡量化解他們使用教具過程中的困惑。

2.安全性：教具的材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)安全可靠，防止學(xué)生在使用過程中受傷。

3.多元化：將模型與盲文、講解語言有效融合，具象直觀，易于視障學(xué)生觸摸和理解。

4.體驗(yàn)感：在材質(zhì)選擇上，要考慮視障學(xué)生觸摸教具需要一定硬度，且要求材料無毒，成品要有一定的肌理和顆粒，便于感知。

5.互動(dòng)性：教具設(shè)計(jì)應(yīng)具有互動(dòng)性，讓盲生能夠親自操作、探索和體驗(yàn)。

（二）展望

受研究時(shí)長和技術(shù)限制，探究所得設(shè)計(jì)方案仍有許多需要改進(jìn)的地方，如可嘗試加入視頻監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生使用模型的過程，并對(duì)錯(cuò)誤行為進(jìn)行及時(shí)糾正。

探索無止境，相信今后會(huì)涌現(xiàn)更多適合視障學(xué)生的3D打印觸摸教具方案，助力他們“看”美好的世界，學(xué)到更加生動(dòng)豐富的知識(shí)。

（本文系2023年度河南省基礎(chǔ)教育教學(xué)研究項(xiàng)目“運(yùn)用3D技術(shù)提升低年級(jí)視障學(xué)生認(rèn)知能力研究”的研究成果，課題編號(hào)：JCJYB2338010099）

（責(zé) 編 再 瀾）