如何讓3D打印在中小學(xué)課堂上活起來

自從國家提出了“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的發(fā)展理念后，3D打印技術(shù)就開始受到媒體和大眾的熱烈追捧，被認(rèn)為是最近20年世界制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起，推動新的工業(yè)革命。

筆者有幸與三門峽市第一高級中學(xué)的3D打印團(tuán)隊一起進(jìn)行了教學(xué)與實踐。首先，我認(rèn)為3D打印是一門課，而非一個設(shè)備，它的教學(xué)理念是：通過數(shù)字化工具（3D建模+3D打印機(jī)）來培養(yǎng)學(xué)生動手實踐的能力，讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、探索問題、解決問題中將自己的創(chuàng)意變成實物來驗證。3D打印技術(shù)是依托3D數(shù)字模型和可黏合材料，通過層層累加的方式制造三維物體的制造技術(shù)。其中，3D建模通過電腦軟件進(jìn)行設(shè)計，軟件有很多種。3D打印材料有樹脂、塑料、纖維、橡膠、不銹鋼、鈦合金、納米材料等。三維打印的設(shè)計過程是：先通過計算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。

那么如何讓3D打印在中小學(xué)課堂上活起來，如何在中小學(xué)課堂中開展3D打印教學(xué)活動呢？

一、3D打印機(jī)的選擇與管理

打印機(jī)價錢比較昂貴，少則兩千元，多則上萬元，而且3D打印機(jī)屬于電子設(shè)備，更新?lián)Q代比較快，價格波動比較大。另外3D打印機(jī)屬于特殊設(shè)備，維修和更換配件價格較貴，同時打印速度很慢，一個20cm×20cm×20cm的模型，如果要打印得精細(xì)些，一般需要30～50小時。學(xué)校購買3D打印機(jī)要從尺寸、精度、速度、耐用度、成本、易用性、安全性上加以分析。建議學(xué)校和3D打印機(jī)商家以合作模式辦學(xué)，這樣可以讓商家為學(xué)校提供更好的服務(wù)，更方便學(xué)校使用，或者幾個學(xué)校甚至一個地區(qū)教育局合用一個3D打印機(jī)機(jī)房，學(xué)生們設(shè)計好模型，統(tǒng)一管理和使用，減輕成本和管理負(fù)擔(dān)。

二、3D建模軟件的選擇

“3D建模”通俗來講就是通過三維制作軟件在虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。3D建模是3D打印課程的核心與靈魂。目前不論哪種3D打印，基本都是使用STL格式的文件。STL文件就是用三角形表示實體的一種文件格式，這種格式是圖像處理領(lǐng)域的默認(rèn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。3D建模軟件大概有這些：國外Autodesk的CAD、3dmax、 C4D、 Fusion 360、 Inventor、 123D Design及谷歌的Sketchup、CATIA、Solidwork、UG、ProE；國內(nèi)的ZW3D、3D ONE、CAXA、GeekCAD、傲為等。

那么如何選擇呢？對于小學(xué)和初中的學(xué)生，不妨選擇123D或3D ONE的組合，既可以學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)也可以兼顧造型設(shè)計，操作簡單，界面友好，功能強大。123D Design作為一款面向普通消費者的建模工具，在設(shè)計之初就將簡單易用作為設(shè)計目標(biāo)，不需要額外文檔和培訓(xùn)，普通用戶很快就能上手，并在使用中學(xué)習(xí)新功能。因此，用戶可以將精力集中于模型創(chuàng)作上，而不是軟件的使用上，并從中體驗到DIY的樂趣。利用先進(jìn)的3D打印技術(shù)，用戶可以輕松將創(chuàng)意變成現(xiàn)實。

專業(yè)一些的人員可以選擇學(xué)習(xí)用C4D建模。CINEMA 4D是德國MAXON出的3D動畫軟件，它是一款功能超強的三維圖像設(shè)計工具，擁有強大的3D建模功能，無論是初學(xué)者還是高手都適合使用。

三、3D打印創(chuàng)意教材的編寫

3D打印課程教學(xué)的基本思想就是“做中學(xué)”。美國著名教育家杜威認(rèn)為，“做中學(xué)”即從生活經(jīng)驗中積累知識，從實際活動中進(jìn)行學(xué)習(xí)，在情境化的教學(xué)場所中，讓學(xué)生通過親身體驗，在不斷的觀察、實驗、探究、創(chuàng)作中解決真實問題。3D打印課程教學(xué)也正是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)和生活中發(fā)現(xiàn)問題，在實際操作中完成知識的學(xué)習(xí)和技能的掌握，從而達(dá)成最終的教育目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

我們根據(jù)學(xué)校的實際情況和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，編寫了這樣一套校本教材。

（一）科學(xué)原理實驗教具

1. 投石機(jī)——杠桿原理

2. 望遠(yuǎn)鏡——凸透鏡、凹透鏡折射原理

3. 指南針——磁場原理

（二）創(chuàng)意生活用品

1. 菠蘿牙簽盒

2. 花邊相框

3. 花紋南瓜燈罩

4. 小黃人鉛筆套

5. 學(xué)校教學(xué)樓

（三）創(chuàng)意美工

1. 大風(fēng)車

2. 太陽花

3. 創(chuàng)意水杯

4. 藝術(shù)筆筒

筆者于2017學(xué)年下學(xué)期在所在學(xué)校創(chuàng)客課程中實施了“做中學(xué)”的3D打印課程。經(jīng)過一個學(xué)期的實踐，取得了不錯的效果。

激發(fā)了學(xué)生極大的興趣。3D打印課程的教材內(nèi)容是學(xué)生喜聞樂見的，操作的軟件又如“砌積木”般所見即所得，給學(xué)生帶來前所未有的全新學(xué)習(xí)體驗。直觀、立體、真實的模型，通過3D打印技術(shù)馬上能一一呈現(xiàn)在眼前，極大地激發(fā)了學(xué)生的興趣和求學(xué)、求知、求真的欲望。

豐富了學(xué)生的想象力。具體形象思維是小學(xué)生思維的特點。生活中的物體都是立體的，觀察這些幾何體，分析其幾何形狀，要注意對比和想象。

發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)造力。立體模型激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造興趣，在建模過程中，從平面到立體的轉(zhuǎn)變，不斷地讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)物體的神奇變化。通過建模中的放樣、圓角等命令讓物體發(fā)生變化，通過運算讓實體進(jìn)行組合、去除等，在虛擬的立體世界里培養(yǎng)了學(xué)生動手操作能力，在操作過程中不斷發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造力。

3D打印課程的開展當(dāng)中，3D打印技術(shù)降低了制作作品的難度，學(xué)校教師借助3D打印技術(shù)，開發(fā)實物模型（教具），能夠讓學(xué)生更加真實地感知事物。比如在幾何課上，3D打印能夠幫助學(xué)生看到更為立體化的圖形和數(shù)學(xué)模型，快速幫助學(xué)生建立三維空間想象性思維；在化學(xué)課上，3D打印能夠幫助學(xué)生更好地理解化學(xué)分子的構(gòu)造；學(xué)生利用3D打印技術(shù)，可以在教室內(nèi)親歷從想象到圖紙再到實物的全過程。

我們在教育活動中融入創(chuàng)客的精神和內(nèi)涵，將學(xué)習(xí)者培養(yǎng)成為有創(chuàng)客精神的人。3D打印課程教育培養(yǎng)了學(xué)生獨辟蹊徑的創(chuàng)新精神，讓學(xué)生感受到創(chuàng)造性解決問題的成就感；引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分享與表達(dá)，在學(xué)習(xí)過程中分享創(chuàng)造的快樂，培養(yǎng)學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣。