面向兒童創新教育的桌面3D打印機及服務平臺的設計研究

賈林玲 趙飛麒

摘 要：本文從對3D打印技術、桌面3D打印機及市場的分析開始，探討其在兒童創新教育領域應用的可能性。結合兒童創新教育理論，把兒童作為消費者進行了深入的用戶分析。具體設計實踐中，將設計定位為桌面3D打印機與兒童3D創新教育平臺軟硬件結合的服務平臺設計。把創新理論應用于設計服務領域，完成了桌面3D打印機的效果圖等方面的工作，同時也完成了兒童3D創新教育平臺網站的主體功能原型設計及最終的視覺表現設計。通過兩者的結合，力爭為快速成型技術的應用與推廣開拓新的道路。

關鍵詞：兒童創新教育；桌面3D打印機；設計研究

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）12-0028-02

1 3D打印機產品現狀研究

當國內人們還不知道3D打印機術是什么的時候，3D技術在國外早已普及于各大工業領域。根據數據顯示，2009年全球打印市場的規模達10億美元，之后每年都以20%的幅度上漲，直至2013年，市場規模已高達40億美元。如此迅猛的勢頭，國內市場卻寥寥無幾，其中美國占據了40%的比重，日本德國緊跟其后[1]。

3D技術在國內發展的比較晚，依然處于研究階段，目前3D打印技術已經成熟的應用到了工業制造的各種領域，但是他的局限性還是很大。設備成本高；打印原料成本高；打印精度低；打印速度慢；成品屬性相對于傳統的鑄造工藝來講，它的性能相差很大；操作技術難。

2 桌面3D打印機發展趨勢

雖然3D打印有很多問題，但它未來的發展會勢不可擋。接下來肯定就這些問題迎難而上，將此技術普及到各個領域及群眾生活中去。3D打印設備成本將會降低；材料會多樣性；質量與速度也會提高。近來推出的低成本的桌面3D打印機，也將進入家庭和學校，從而極大的激發個人的創造力和設計熱情。

3 桌面3D打印機在兒童創新教育中的可行性分析

兒童創新教育旨在培養孩子的創造潛能，其核心就是在基礎教育領域培養中小學生在意識、情感、意志、思維、活動等方面具有求新的意識和相應的能力，無論是對于新事物還是新思想，能夠找到合理的方法，把握正確的規律，形成新的知識體系。

依據兒童創新教育理論的相關研究，可以通過教學與實踐結合的模式，尋找到3D打印技術及相關平臺在教育應用中的可行性模式。首先，可以通過3D打印技術結合相關美術、語文、數學、自然科學等課程知識，結合主題活動，進行立體形態創造，或將二維的圖片快速轉化為三維形態，也可以將相關藝術創作活動和教學內容相結合，通過從創意到制作的過程，加強兒童的動手能力，體驗審美樂趣及創造的快樂性。同時通過實物作品加強創造的成就感[2]。其次，可以通過3D打印技術豐富教學手段，3D打印技術的快速成型特性，方便兒童全過程參與，便于在娛樂的過程中創造出輕松、愉快的創新環境，把注入式的知識學習方式轉化為討論式、探索式的建構知識方式。最終，可以通過3D打印技術及打印出的成品，幫助學生建構和學習內容相關的小情境。以生動形象的作品，聯系現實的生活環境，模擬真實社會文化、生活樣貌，幫助學生理解教學目標，最終能夠激發學生各種智力能力的提升[3]。

從上述分析可以獲得桌面3D打印機在兒童創新教育中應用的可行性及應用方式的信息，在下面的研究中將以此作為出發點進行設計研究，具體的內容包括桌面3D打印機產品設計研究和桌面3D打印機配套網站設計與建設。

4 桌面3D打印機設計

4.1 功能定位

桌面3D打印機與兒童創新教育結合，不僅是為兒童創新教育開發了一種新的渠道，同時也在嘗試3D打印技術的商業化和產業化道路。

主要功能是為兒童創新教育提供輔助性手段，通過軟硬件結合的方式，擴大產品的應用范疇，通過提升性價比的方式，相對降低產品價格。同時根據小學生不同階段特點，通過產品配置方式、使用方式及配套軟件服務加以區別。

4.2 設計定位

以軟硬件結合的方式完成設計任務，將整個設計定位為包括桌面3D打印機產品和兒童3D創新教育網站軟硬件相結合，具有簡潔、情感化、科技感等特征的系統設計。

整體外罩：盡量整體化，采用全封閉打印方式，在實際與心理上都體現出安全性，使兒童樂于接近，而家長教師也放心讓孩子使用。

門：與外罩相配合的門，可以形成產品造型的整體性，設計除了造型感覺，同時也要考慮門的人機尺寸。門的尺寸要考慮打印產品的最大尺寸及兒童手臂活動范圍，最主要的考慮是方便使用者取放打印好的物品。

觀察窗：加大觀察窗的尺寸，嘗試成型平臺四周全部使用觀察窗，方便兒童多人及多角度觀看打印過程。

數字控制面板：一體式數字控制面板，硬界面設計主要考慮其觀看的角度，設計成可翻起及旋轉，可以方便多人一起操作。分離式數字控制面板考慮手持式為主，硬界面應考慮手持產品的舒適度。軟界面設計主要兒童的視覺與操作習慣。

4.3 展示

根據前面分析的使用情境，選擇了下面的方案，使用計算機輔助軟件進行的效果圖表現設計如圖1。

5 針對兒童創新教育的桌面3D打印機配套網站設計與建設

設計與建設一個能夠涵蓋相關問題的服務平臺，是在兒童創新教育領域推廣和應用快速成型技術的重要支撐。與桌面3D打印機配套的兒童創新教育網站，可以視為驗證產品功能系統的產品應用系統。網站的設計與建設主要涉及到三方面的內容，一是建設目標與需求的描述，二是基本功能模塊與系統模塊的架構設計，三是功能的視覺化表現。

5.1 目標與需求描述

為兒童提供娛樂學習一體化的互動交流平臺。運用平面設計軟件、三維建模軟件、3D打印技術的等先進手段，為兒童創新教育提供新的思路與方法，網站確定命名為“3D創新教育平臺”。網站設計的目標包含：趣味性與知識性；情境性與參與性；通用性與個性化。

5.2 功能系統模塊設計分析

5.2.1 用戶分類

網站用戶可以分為三類：管理員、組織者、參與者。

管理員：負責創新平臺新聞動態以及通知的發布；上傳3D打印技術資料、操作學習視頻或文檔、建模軟件及其他應用軟件；管理更新模型庫；

組織者：發布單項創新教育活動通知；管理活動進程；收集、管理、指導及評價作品；發放實物作品；

參與者：查閱信息；搜索內容；學習、交流技術技法；打印或設計定做產品；提問或回答問題。

5.2.2 網站功能系統模塊

（1）信息功能模塊：發布各種活動、新聞、產品、作品、用戶互動等信息。（2）3D模型庫模塊：分為系統模型庫與用戶模型庫。

系統模型庫：網站為用戶提供的3D打印素材系統模型庫設計了兩種分類方式，首先，將模型按照認知難易程度分為初級、中級、高級。初級模型庫提供簡單的單體模型打印服務；中級可提供配合課文、故事情節的系統化模型，由多個模型組件組成具有現實情境特征的場景；高級模型庫提供具有一定結構功能、組合性的模型，可以與理科類課程結合。其次，按照物品的自然類別劃分，這是一個可以不斷增加的分類方式，主要的特點是分類簡單易懂，容易使用戶快速找到自己想要的形象。分類有：動物、植物、人物、建筑、家具、生活用品、家用電器、交通工具、武器、機械、人文創意等類別。

用戶模型庫：用來展示用戶自己設計建造的模型。模型下方設置投票鍵，模型排列方式設定三種，人氣（瀏覽量）、發布時間、評分（得票數）作為次序依據。

活動功能模塊：發布主題活動信息，會員活動信息等。

學習功能模塊：分3D教材庫與網上教程兩個板塊，3D教材庫主要是與小學課程相結合的相關知識，網上教程主要提供建模、3D技術等學習資料。

下載功能模塊：提供各種相關軟件的下載。

產品介紹模塊：介紹桌面3D打印機產品技術、使用方式、動態、市場等情況，以及打印耗材種類、色彩等。

互動交流模塊：上傳及下載模型功能；問答功能，可以向網站管理人員及其他使用者提問，也可以自由回答他人問題。

搜索功能模塊：用戶可以通過搜索快速定位所需資源，并自動保存搜索記錄，以便再次查看。

積分功能模塊：網站各種互動活動，例如上傳模型、提問或回答問題、評價作品等，都給予一定的積分獎勵，積分可兌換虛擬物品（榮譽徽章等）、網站特權或實物獎勵，以提高用戶參與的積極性。

5.3 網站界面設計研究

3D創新教育平臺主要的用戶群體是6-13歲兒童，確定的網站整體界面風格如下：

（1）簡潔明了。簡潔明了的設計有利于兒童專注于內容的解讀。設計中注意其秩序感，讓人產生統一感，色彩上采用藍綠等冷色調，不僅能表現科技感主題，同時也可以讓人產生寧靜淡定的心理感受。（2）科技與情感化設計結合。3D打印技術對兒童來說，是陌生的技術，但是當兒童看到打印的過程時，又會感覺到神奇。情感化設計的加入，使兒童在滿足好奇心的同時，又如同找到了一個大家庭。（3）個性化風格。在整體簡潔明了的風格中，不能忽視增加一些個性化元素，可以加入一些對比元素，產生視覺的跳躍，給人一種意想不到的驚喜感。

6 結語

本文以服務兒童創新教育為出發點，從設計理論基礎、設計思維研究入手，對桌面3D打印機設計的過程及方法進行了全面的研究，并且在此基礎上構建了針對兒童創新教育的桌面3D打印機產品設計及服務設計的體系框架。

參考文獻

[1]王忠宏.中國3D打印產業的現狀及發展思路[J].經濟縱橫，2013，（01）：90-93.

[2]童宇陽.3D打印技術在中小學教學中的應用研究[J].現代教育技術，2013，（12）：16-19.

[3]花燕鋒.3D打印技術在教育中的應用研究[J].中小學電教，2014，（06）：16-19.