運用3D打印技術解決“正投影與三視圖”教學的困境

沈偉春 范建榮

普通高中通用技術是以培養學生技術素養為主要目標，主要特點是設計與操作學習，立足于“做中學”和“學中做”，其學習過程是一個不斷發現與明確問題、分析與解決問題、不斷權衡和優化的過程。學生通過課程的學習能更加理性地看待技術，通過技術實踐增強技術思維和方法的學習與運用，發展工程思維和創造能力，培養表達和物化能力，提高解決技術問題的綜合能力。然而，由于通用技術知識的涵蓋面很廣，對教師的專業或教學專長是一大挑戰，在教學實踐中，教師在設計、表達上存在一定的偏差或困難。隨著現代高新技術的發展，新型的設計軟件與配套資源、新技術設備的出現為教學提供了幫助，如3D打印機、激光雕刻機等設備逐漸豐富起來，借助技術設備，能有效地幫助師生解決實際困難。

提出問題

通用技術必修“技術與設計Ⅰ”（蘇教版）第六章第二節“常見的技術圖樣，正投影與三視圖”主要描述了正投影形成三視圖的方法、原理，三視圖的繪制方法和規律等。學生通過學習掌握“能繪制簡單三視圖”的知識和技能，學會一種設計交流的技術語言，為后續學習“形體的尺寸標注”和“機械加工圖”奠定基礎。

經過幾輪的教學實踐，筆者發現三視圖教學過程中有幾個問題一直干擾著教師與學生對此內容的教學與理解。一是三視圖轉化為軸測圖的空間思維能力不足。學生在小學初中階段形成的慣性數學思維對作為加工依據的三視圖的認識造成很大干擾，技術工程中三視圖的表達方法和態度有很大區別，學生空間思維普遍比較弱，離開了實際形體，對復雜形體的視圖表達與理解就會遇到困難。二是教學用的實物形體比較欠缺，不能滿足教學需要。大部分教具需要自制，但由于受到加工工具、設備及材料的限制，很多教具無法或難以制作出來，或者要花費很長時間才能制作出來，得不償失。

例如，形體在三視圖教學中是一個難點，很考驗學生的空間感和對正投影概念的理解，是教師進行三視圖訓練的典型案例。如果沒有實物參考，學生很難完整地自主繪制完成。在以往的教學實踐中，苦于沒有合適的材料和加工工具，很難把這個形體實物制作出來，筆者以前是用卡紙折疊、粘接而成，整體外觀不盡如人意，只能勉強作為教具使用。

3D打印技術在教學中的應用

3D打印技術是一種增材制造技術，以數字模型為基礎，將塑料、粉末狀金屬等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體，體現了信息技術與先進材料技術、數字制造技術的密切結合。筆者在三視圖教學中3D打印的教學操作過程如下。

（1）先通過計算機建模軟件建模，筆者使用的是一款免費軟件——Autodesk公司的123DDesgin設計軟件，設計制作一般三維模型，用這款軟件足夠了。

（2）打開設計軟件，先在工具欄的基本體中拖一個立方體，在參數窗口中設置好長寬高等數值，建立一個正方體模型，如圖1所示。

（3）從基本體中建立一個楔形體，通過扭曲命令將楔形體一個面的上下兩邊合并形成一個斜面體，如圖2、圖3所示。

（4）利用這個新斜面體去裁減立方體便生成所需要的立體模型，如圖4、圖5所示。

（5）要想將做好的模型打印出來，還需要切片步驟，不然3D打印機不能識別打印。所以先將設計導出為stl格式，然后導入切片軟件，進行切片，如圖6所示。

（6）將切片好的模型文件導入3D打印機打印物化，如圖7所示。

接著，筆者將打印完成的3D模型呈現在課堂教學中，讓學生觀察3D實體模型及三維圖形來拓寬學生的視覺、觸覺，給學生帶來不一樣的感官體驗，這樣有助于提升學生的空間建構能力。結合3D模型，使其具體化、形象化地繪制出模型的三視圖，解決了一個教學難題。通過這樣的教學形式，學生的體驗更為直觀、更為感性。將數字化的設計、虛擬模型轉變為可觸碰的實物，增加了學習的樂趣，有助于培養學生的理解能力與邏輯思維能力，拓寬了學生的創造空間，同時還提升了教師的教學效率和學生的學習效率。使用3D打印模型輔助教學前后對比如左下表所示。

又如，教學中的補線題，如下頁圖8所示，補全三視圖中所缺的三條圖線。用這三張圖構建空間形體，考驗學生的空間想象力，這雖然有一定的難度，但可以運用3D打印技術來幫助學生解題。

首先，同樣借助建模軟件來設計一個3D模型：①先建一個正方體模型。②用一個長寬均小于正方體邊長的長方體和正方體中心對齊。③合并相減。④用一個草圖平面沿正方體三個面對角線對正方體切割。⑤刪除切下部分。⑥將設計好的模型切片，導入3D打印機打印成型（如圖9）。最后，參照實體模型完成補線圖，如圖10所示。

這類題目對學生空間想象能力的要求比較高，以此為測試題，學生的得分普遍比較低，在黑板上繪制形體，學生反映還是難以理解，而用3D模型讓學生實際觀察思考，對提升學生的空間感很有幫助。引入3D打印技術完成教學實物模型，每個投影面都能很完美地按教學要求展示出來，不僅提高了學生的繪圖能力，而且可以更好地增強學生學習的積極性。同時，通過3D桌面打印技術，可以很好地克服自制教具的困難，教師在課堂中展示自己建模并3D打印的作品，讓學生真真切切地感受到現代科技就在身邊，也可以更多激發學生的課堂學習興趣。

教學應用反思

將3D打印技術作為課堂教學的新型輔助手段，教師掌握了簡單模型的構建方法和3D打印機的基本使用方法，結合探究式教學法，更能讓學生體會到“做中學”的樂趣，有利于激發學生的學習積極性和創新思維。

1.提升學生學習的主觀能動性

將3D打印技術引入課堂，可以豐富教師的教學手段，將抽象概念、虛擬模型和設計以物化形式展現在學生面前，帶來強烈的視覺沖擊感與真實感，激發學生的學習興趣與實踐積極性，提高學習熱情，使其更加主動地學習。

2.拓展學生的創新思維

3D打印不僅解決傳統教學的弊端，而且還能夠豐富學生的視野，鍛煉學生的立體思維，有助于提升教師的教學效率和學生的學習效率，是拓展學生創新能力發展的重要環節，對創新型人才的培養具有積極意義。

3D打印技術在教學中的應用還要不斷探索，可以按照教學需要，建立教學模型資源庫，應教學內容設計或修改模型打印來解決教學中的實際問題，借助新技術為提高教學質量和學生的技術素養、創新能力服務。