3D打印技術(shù)在小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

劉若淼

1986年美國科學(xué)家查爾斯·胡爾發(fā)明出世界上第一臺3D打印機。隨后胡爾成立了世界上第一家3D打印設(shè)備公司。然而，這一技術(shù)卻由于價格昂貴、不夠成熟等原因并沒有引起業(yè)界的重視。經(jīng)過近30年的發(fā)展，3D打印技術(shù)已逐步走向成熟，且價格有所降低，開始風(fēng)靡全球。2013年《地平線報告》的基礎(chǔ)教育版，首次將3D打印的教育應(yīng)用列入了“待普及”的新技術(shù)清單。3D打印技術(shù)越來越受到教育界的關(guān)注。

一、小學(xué)階段開設(shè)相關(guān)課程的價值與意義

素質(zhì)拓展課程是傳統(tǒng)課堂教學(xué)的必要補充，是全面推進(jìn)素質(zhì)教育的有效途徑，它注重個性塑造和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，旨在開拓學(xué)生視野和提升學(xué)生設(shè)計和動手的能力。隨著各地教育教學(xué)水平和科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，越來越多“新鮮”課程走進(jìn)中小學(xué)素質(zhì)拓展課堂。

小學(xué)階段的學(xué)習(xí)是學(xué)生成長和成才的基礎(chǔ)，對學(xué)生今后的發(fā)展方向起到引領(lǐng)作用。3D打印作為二十一世紀(jì)的朝陽產(chǎn)業(yè)，理應(yīng)在人群中推廣。“3D打印教育”由高等教育特定領(lǐng)域向基礎(chǔ)教育普通課堂過渡，逐漸推向中小學(xué)課堂是其發(fā)展的必然趨勢。目前，國內(nèi)外對3D打印技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用處于起步階段，還需不斷摸索。可以明確的是，3D打印可以把新技術(shù)和創(chuàng)造性學(xué)習(xí)聯(lián)系到一起，讓學(xué)生體驗新技術(shù)帶來的巨大能量的同時，在項目探究中體會創(chuàng)新的樂趣。

二、3D打印技術(shù)在小學(xué)的教學(xué)內(nèi)容

1. 3D打印的定義

3D打印是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)，它是一種增材制造技術(shù)。

2. 3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域

與傳統(tǒng)的減材制造相比，3D打印技術(shù)擺脫了模型復(fù)雜程度的束縛，實現(xiàn)了完全數(shù)字化，降低了制造的難度，提高了制造的速度。近年來，3D打印被越來越多地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如創(chuàng)業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域、制造業(yè)領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、文物保護(hù)領(lǐng)域、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域等。

3. 3D打印機

在小學(xué)教學(xué)中，我們主要使用了HOFI-X1 3D打印機。HOFI-X1 3D打印機是基于熔絲沉積制造（FDM）原理的3D打印設(shè)備，它與臺式電腦或筆記本電腦通過USB電纜連接就可以打印出三維實體模型。3D打印的方式是逐層打印，每一個層都在上一層上堆積而成，上一層起到支撐的作用。隨著打印時長的推移，3D打印作品逐步完成。學(xué)生可以清晰地看到打印的整個過程。這種設(shè)備結(jié)構(gòu)一目了然，機器堅固耐用，性能穩(wěn)定十分適用于小學(xué)教學(xué)。

4.制圖軟件介紹

Sketchup使用簡便，學(xué)生可以快速上手，是一個極受歡迎的三維設(shè)計軟件，它就像“鉛筆”一樣，可以畫出理想的圖形。TinkerCAD是一個基于瀏覽器的3D建模平臺，沒有軟件安裝條件的學(xué)生可以選擇這個繪圖方式。UG NX可以用于繪制二維和三維圖形，是一款專業(yè)級的制圖軟件，多用于工程制圖，功能強大，學(xué)生學(xué)習(xí)基本操作也不難上手。AutoCAD是一款計算機輔助設(shè)計軟件，同樣可以用于二維制圖和基本三維設(shè)計，使用無需懂得程序設(shè)計，即可自動制圖，因此它可以用于土木建筑、裝飾裝潢、工業(yè)制圖、工程制圖、電子工業(yè)、服裝加工等多個領(lǐng)域。

5.三維掃描儀

三維掃描儀可以掃描出靜態(tài)或者動態(tài)物體，由于三維掃描儀的掃描范圍有限，因此需要變換掃描儀與物體的相對位置或?qū)⑽矬w放置于電動轉(zhuǎn)盤上，在光線充足的條件下經(jīng)過多次掃描以拼湊物體的完整模型。三維掃描出的模型可以直接導(dǎo)入到3D打印機，并打印出來。

6.沙盤制作

學(xué)習(xí)了三維制圖和打印機的使用后，學(xué)生已經(jīng)具備自己設(shè)計制作簡單模型的能力，他們不再滿足于制作個人的小物品。給學(xué)生分組，以團(tuán)隊的形式分工合作制作沙盤，讓他們在合作中真正實現(xiàn)自主創(chuàng)意、自主管理、自主學(xué)習(xí)，通力合作。學(xué)生自主創(chuàng)意的作品有頗具天津特色的天塔湖公園等。

三、結(jié)語

3D打印技術(shù)的原理、電腦制圖是本課程的難點。小學(xué)生學(xué)起來還是需要一定時間，需要教師耐心教授。創(chuàng)意設(shè)計和模型制作是本課程的重點，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生，并隨時對他們提出的問題給予指點和反饋。3D打印技術(shù)在小學(xué)是一門全新的課程，教學(xué)沒有經(jīng)驗可循，教師可通過總結(jié)歸納的方式，把學(xué)生提問的知識點轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)。

素質(zhì)拓展課程是激發(fā)學(xué)生興趣和培養(yǎng)小學(xué)生動手能力的重要途徑，這一階段的學(xué)習(xí)對其終身發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，值得重視。如今，3D打印的風(fēng)暴已經(jīng)波及全球，讓學(xué)生接觸并學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)對于我國的科技發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]兀旦暉，趙晨飛.3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教學(xué)信息，2013.

[2]童宇陽.3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013.