3D建模打印折射創(chuàng)客教育新路徑

周迎春

摘 要 創(chuàng)客教育是培養(yǎng)和提升學(xué)生創(chuàng)造能力及解決問題能力的重要途徑，3D建模打印綜合了信息技術(shù)、工程數(shù)學(xué)、藝術(shù)、物理等學(xué)科知識，與創(chuàng)客教育的目標(biāo)相契合。從《中小學(xué)3D建模打印教程》這本創(chuàng)客教育校本課程的編寫出發(fā)，談實施過程中的一些感悟。

關(guān)鍵詞 3D建模；3D打印；創(chuàng)客教育

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）21-0046-04

美國近年也開始擁抱創(chuàng)客運動提出要創(chuàng)新教育以提升學(xué)生STEM的學(xué)習(xí)水平，認(rèn)為學(xué)校教育變得越來越僵化，大量的作業(yè)和考試，造成了學(xué)生對知識的死記硬背，學(xué)生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新精神正在喪失。教育部在《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導(dǎo)意見》中提出，有條件的地區(qū)要積極探索新技術(shù)手段在教學(xué)過程中的日常應(yīng)用，有效利用信息技術(shù)推進眾創(chuàng)空間建設(shè)，探索創(chuàng)客教育、STEM教育等新教育模式，使學(xué)生具有較強的信息意識與創(chuàng)新意識。教育部教育裝備研究與發(fā)展中心在根據(jù)教育部工作部署制訂2016年工作要點中，把創(chuàng)客教育作為加強創(chuàng)新創(chuàng)造教育研究的中心工作。

目前3D建模打印技術(shù)方興未艾，技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用日益廣泛。繪制路徑—獲取圖形—物體放樣是3D建模的三部曲，同樣創(chuàng)客教育也需要“繪制”實施的路徑。創(chuàng)客教育，集創(chuàng)新教育、體驗教育、項目學(xué)習(xí)等思想為一體，融合科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、藝術(shù)等多學(xué)科知識，注重培養(yǎng)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力以及解決問題的能力，能有效提升學(xué)生的STEM學(xué)習(xí)水平及跨學(xué)科的學(xué)習(xí)能力。我們在實踐中探索建設(shè)3D建模打印課程及3D打印創(chuàng)客教室，并列入高年級的課程表，把它作為學(xué)校創(chuàng)客教育的新路徑，取得較好成效。

1 引入空間認(rèn)識3D打印

8歲的馬克斯·灰及其家人利用3D打印技術(shù)，創(chuàng)造了一款帶有迷你籃球圈的咖啡杯（圖1），讓馬克斯的創(chuàng)意想法變?yōu)楝F(xiàn)實，馬克斯的產(chǎn)品還申請了專利并將其成功推向市場，成為暢銷產(chǎn)品。去年南京大學(xué)博士生侯印國創(chuàng)辦的烘焙連鎖品牌“麥可可”推出一款“藍(lán)鯨”月餅，就是用現(xiàn)代3D打印科技結(jié)合傳統(tǒng)月餅食材工藝制作而成的。諸如此類的事例在新聞中屢見不鮮。

在3D建模打印創(chuàng)客教育課程中曾以上述范例引導(dǎo)學(xué)生建模，認(rèn)識3D打印并制作3D月餅印模（圖2）。小學(xué)生成功模仿并打印完成大學(xué)本科生創(chuàng)客作品的體驗，給了他們更多的創(chuàng)新動力。在青少年科技發(fā)明比賽金點子征集過程中發(fā)現(xiàn)有“潔凈水杯”的創(chuàng)意（圖3），雖然簡單，但是有創(chuàng)新的亮點，即杯子柄部設(shè)計成45°斜邊放置時可避免灰塵進入，于是引導(dǎo)學(xué)生在3DMAX中建模然后3D打印。該杯子參加創(chuàng)新大賽并獲得獎項。

2 結(jié)合實例，開展教學(xué)

電子百拼的器材中缺了轉(zhuǎn)盤，無法“起飛”了，你能利用3DMAX建模并打印一個讓轉(zhuǎn)盤再次升空嗎（圖4）？家里的新房要裝修，你能為自己客廳背景墻作一個3D設(shè)計嗎（圖5）？諸如此類的問題情境設(shè)計都成了3D建模打印創(chuàng)客教育課程的內(nèi)容，轉(zhuǎn)盤及客廳背景的設(shè)計涉及工程、數(shù)學(xué)、物理、藝術(shù)等多學(xué)科內(nèi)容，需要學(xué)生在制作時搜集相關(guān)資料并進行研究，然后融合自己的創(chuàng)意在3DMAX中描繪，在3D打印機下輸出實現(xiàn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)3D建模打印的同時獨立思考能力、創(chuàng)造能力、跨學(xué)科的學(xué)習(xí)能力得到了培養(yǎng)和提高。有些跟學(xué)生現(xiàn)實生活密切相關(guān)的問題的解決，有時候信手拈來也成了3D建模打印創(chuàng)客課程的內(nèi)容。筆者設(shè)計的“3D沙灘椅塑料構(gòu)件制作”教學(xué)案例，曾在蘇州市小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)觀摩活動中展示。

3 動手動腦相結(jié)合：課程實踐

以上述教學(xué)案例為例。

教學(xué)目標(biāo) 1）運用超級布爾、擠出、車削等命令構(gòu)建座椅塑料構(gòu)件；2）學(xué)習(xí)二維圖形的附加及頂點的熔接、

焊接等；3）體驗運用3D建模打印解決生活中的實際問題；

4）了解3D打印機打印輸出3D模型的過程。

教學(xué)重難點 二維圖形的附加及布爾運算。

教學(xué)準(zhǔn)備 3D打印塑料構(gòu)件、3D打印過程錄像、3D組裝動畫、操作演示微視頻、教材等。

教學(xué)過程

1）發(fā)現(xiàn)問題，策略探討。①問題的提出：展示沙灘椅實體，圖示沙灘椅的塑料構(gòu)件壞了，造成整個椅子無法正常使用，今天我們的任務(wù)是要用已學(xué)的3DMAX建模命令“生產(chǎn)”出一個完好的構(gòu)件（PPT展示、板書課題）；②分組觀察構(gòu)件的形狀特點提出解決方案；③各組匯報解決方案后進一步細(xì)化制作流程。

討論方案：已損壞的塑料由哪兩個部分組成（圖6～圖7）？應(yīng)分別如何運用3DMAX來構(gòu)建？你能先簡要說說準(zhǔn)備在3DMAX中如何構(gòu)建塑料構(gòu)件主體嗎？柱體附件有何特點？它的截面是怎樣的？（動畫）那個柱形附件該用什么命令構(gòu)建呢？（板書）

2）超級布爾制作構(gòu)件主體。

課題A：構(gòu)建一個43 mm*43 mm*19 mm的圓角長方體。學(xué)生認(rèn)領(lǐng)課題上臺演示。后全體學(xué)生按教材提示或者教師機大屏幕動畫操作演示構(gòu)建。（在PPT上給完成此項操作的學(xué)生加分。）

①進入自定義菜單設(shè)置系統(tǒng)單位為毫米；②進入圖形面板運用“矩形”工具在頂視圖中繪制一個矩形，隨后在修改面板中設(shè)置邊長為43 mm*43 mm；③在修改器中將其轉(zhuǎn)換為可編輯樣條線；④選擇“可編輯樣條線”下“頂點”，用移動工具選中四個頂點，在“圓角”中設(shè)置6 mm；⑤在修改器列表中選擇擠出，并設(shè)置“數(shù)量”為19 mm（圖9）。

課題B：在長方體上開一個半徑為8 mm的孔及兩個寬度為15 mm的兩長方體槽口。學(xué)生認(rèn)領(lǐng)課題上臺演示。后全體學(xué)生按教材提示或者教師機大屏幕動畫操作演示構(gòu)建（提示在F盤下“3D操作演示”中有視頻）。

①選擇頂視圖，在標(biāo)準(zhǔn)基本體中構(gòu)建繪制半徑為8 mm的圓柱，高度大于19 mm即可，邊數(shù)設(shè)置60，調(diào)整位置使其“貫穿”長方體（圖10）。

②在頂視圖中按前面圓角矩形之繪制辦法，繪制30 mm*

15 mm*15 mm的長方體一個，克隆復(fù)制一個并在z軸旋轉(zhuǎn)90°（建議打開角度捕捉切換并設(shè)置角度為90）。

學(xué)生操作后，提問：有無更簡單的辦法？（簡便方法：克隆兩個大圓角長方體，分別在x軸方向及y軸方向縮小至35。）

③將上述圓柱、兩小圓角長方體移動到相應(yīng)位置后，選中當(dāng)前物體為最大的圓角長方體，點復(fù)合對象中的超級布爾運算proboolean，在大圓角長方體上減去兩小長方體及圓柱。

課題C：在長方體側(cè)面進行超級布爾運算。觀察模型側(cè)面需如何操作？二維圖形的截面該怎樣繪制？教師提示操作方法及要點后，學(xué)生按教材提示或者F盤預(yù)發(fā)演示微視頻進行操作。

側(cè)面二維圖形繪制教程：①在頂視圖中，選圖形面板下運用“弧形”“直線”等工具繪制圖11所示平面圖形；②選擇修改面板下樣條線選項，當(dāng)前選擇弧形，附加另一部分線段；③選擇相關(guān)頂點進行熔接或者焊接；④在修改器列表中擠出，數(shù)量為13 mm，然后超級布爾（圖12）。

3）車削制作柱形構(gòu)件。

課題D：制作柱型塑料構(gòu)件（圖13）。比賽規(guī)則：兩個構(gòu)件最快全部完成或者完成率最高的小組每人加3分（注：以上傳教師機文件數(shù)計算，可以相互協(xié)助完成）。①切換到前視圖在圖形面板運用線工具繪制圖14；②相關(guān)頂點選中后右鍵菜單設(shè)置“平滑”，在修改器列表中選擇車削，并選擇焊接內(nèi)核及對齊方式為最小，分段60；③當(dāng)遇到一些頂點處還不夠平滑，可進入修改器，選中頂點進行圓角處理。

課題E：如何確定柱形構(gòu)件的高度及半徑？

4）觀看3D打印錄像片段，了解3D打印機工作過程（圖15）。看了3D打印機的工作過程，你有什么感想？

5）組裝解決實際問題，小結(jié)本課教學(xué)內(nèi)容。

①動畫演示組裝方法后請學(xué)生上臺實際操作，更換沙灘椅構(gòu)件（圖16）。

②小結(jié)：“問題解決了，我們的課也將結(jié)束了，今天課堂上我們運用已學(xué)知識構(gòu)建了3D塑料構(gòu)件，維修好了沙灘椅，問題的解決經(jīng)歷了分析觀察、測量數(shù)據(jù)、模型構(gòu)建、3D打印、組裝調(diào)試等環(huán)節(jié)。美國航天局繼2014年后今年又給空間站送去一臺大小翻倍的升級版3D打印機，3D打印正在改變了我們的生活，回去思考一下3D打印還能幫我們做什么？你想讓它協(xié)助我們解決什么問題？”

板書設(shè)計見圖17。

參考文獻

[1]楊麗.創(chuàng)客教育與課堂創(chuàng)新[J].中小學(xué)電教，2015（6）：

60-61.

[2]祝智庭，孫妍妍.創(chuàng)客教育：信息技術(shù)使能的創(chuàng)新教育實踐場[J].中國電化教育，2015（1）：14-21.

[3]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)，2013，23（12）：16-19.