楊麗

（江蘇省南通市第一初級中學(xué)，江蘇南通226001）

初中信息技術(shù)3D打印課程的探索與實(shí)踐

楊麗

（江蘇省南通市第一初級中學(xué)，江蘇南通226001）

在深化教育改革、提倡創(chuàng)新的大背景下，3d打印這門新興學(xué)科已經(jīng)開始進(jìn)入中學(xué)課堂。面對這樣一門全新的課程，課程設(shè)計(jì)還處于探索階段。文章介紹了什么是3d打印，探討了3d打印課程對創(chuàng)新能力培養(yǎng)的積極意義，列舉了3d打印技術(shù)走進(jìn)課堂出現(xiàn)的一些問題，結(jié)合實(shí)踐從軟硬件問題以及課程設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了初步探討，為進(jìn)一步建設(shè)3d打印課程、提高教學(xué)效率、普及創(chuàng)新教育拋磚引玉，提供有力的前期研究支持。

3d打??；課程設(shè)計(jì)；教學(xué)實(shí)踐

3D打印是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)、運(yùn)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)造物體的技術(shù)。［1］目前3d打印技術(shù)在工業(yè)、藝術(shù)、醫(yī)療、食品、建筑等各個(gè)領(lǐng)域都已經(jīng)有所應(yīng)用。盡管這種技術(shù)還不夠成熟，其類似于噴墨打印機(jī)的原理限制了材質(zhì)、成本和速度導(dǎo)致不能大批量生產(chǎn)，也不能直接用于數(shù)字時(shí)代的工業(yè)生產(chǎn)。［2］但不得不說，3d打印的普及為普通人無邊的創(chuàng)造力和想象力插上了一對有力的翅膀，3d打印讓想象變成現(xiàn)實(shí)。

一、創(chuàng)客引領(lǐng)潮流，走進(jìn)創(chuàng)想校園

2014年6月9日，習(xí)近平主席指出，我國科技發(fā)展的方向就是創(chuàng)新、創(chuàng)新、再創(chuàng)新，創(chuàng)新的事業(yè)呼喚創(chuàng)新的人才。［3］創(chuàng)客教育應(yīng)運(yùn)而生。而李克強(qiáng)總理訪問過深圳創(chuàng)客空間之后，創(chuàng)客開始“火”了，隨著創(chuàng)客教育的興起，3d打印也開始在教育界打開一片天地。［4］

日前，在南通市，已經(jīng)有20多所中小學(xué)擁有3d打印機(jī)，3d打印校本課程也隨之開設(shè)。我校自2015年2月起開設(shè)了3d打印社團(tuán)，是市區(qū)開設(shè)3d打印課程最早的學(xué)校之一，現(xiàn)有社團(tuán)成員55人，我校是一所以創(chuàng)想為主旨的學(xué)校，有著“創(chuàng)想無界，心筑未來”的教育哲學(xué)和“辦一所人人具有好奇心、個(gè)個(gè)具有創(chuàng)造力的創(chuàng)想學(xué)?！钡脑妇啊Ｔ趯W(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，3d打印走進(jìn)了我們的校園，創(chuàng)客教育也隨同剛剛成長起來的學(xué)校一起萌芽和發(fā)展起來了。

二、三維初探未知，構(gòu)建課程低模

筆者之前從未接觸過這個(gè)帶著“高科技”光環(huán)的機(jī)器，接手這個(gè)任務(wù)時(shí)是躍躍欲試的，不過一門課程從無到有，問題還是接踵而來。

（一）維度x：軟件問題

1.設(shè)計(jì)軟件

要開設(shè)這門課程，首先得進(jìn)行設(shè)計(jì)軟件的選擇，3d軟件如今非常多，筆者接觸過的有3dsmax、maya、Rhino，還有一款2.5d可進(jìn)行3d建模的zbrush。但這些軟件對初中學(xué)生來說，界面稍顯復(fù)雜，而且除了Rhino外對硬件的要求也較高，學(xué)校機(jī)房的機(jī)器若想流暢完成一次創(chuàng)作較為困難。在和同事交流后我們了解到sketchup這款軟件，這款中文名為“草圖大師”的軟件確實(shí)是一個(gè)很棒的3d小軟件，對機(jī)器的運(yùn)行要求不高，界面直觀入門簡單，深入學(xué)習(xí)的話功能也十分強(qiáng)大，很適合用來進(jìn)行中小學(xué)的3d入門教學(xué)。

2.轉(zhuǎn)換軟件

轉(zhuǎn)換軟件就用了通用的cura，但由于對設(shè)置的不熟悉，筆者犯過兩次設(shè)置上的錯(cuò)誤。第一次是機(jī)器選擇不對，導(dǎo)致溫度升高后只吐絲不打印；第二次是耗材直徑設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致打印成品 “骨質(zhì)疏松”。在多次排查調(diào)整后，問題終于都解決了。Sketchup配合cura已經(jīng)能完美完成3d打印整個(gè)過程。經(jīng)過兩個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，在此總結(jié)一下cura設(shè)置的注意點(diǎn)：①機(jī)器型號必須匹配，如學(xué)校的dfrobot機(jī)器使用的就是Ultimakeroriginal，而且是沒有加熱平臺(tái)只能打印pal耗材的機(jī)器；②耗材和噴嘴設(shè)置也必須符合實(shí)際情況；③注意打印懸空模型時(shí)對支撐類型的設(shè)定，這個(gè)設(shè)定關(guān)系到是否能成功打印模型以及打印好之后是否能比較輕松去除支撐。其余的設(shè)定如打印速度填充密度等的改動(dòng)對成功率影響都不大，可根據(jù)需要和實(shí)際打印效果進(jìn)行調(diào)整。

（二）維度y：硬件問題

在進(jìn)行了半個(gè)學(xué)期的教學(xué)后，筆者發(fā)現(xiàn)打印的作品歪了，自此失敗作品接連不斷，找不到原因，只得請銷售公司專業(yè)技術(shù)人員來，檢查發(fā)現(xiàn)是x、y電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊損壞，導(dǎo)致方向控制出錯(cuò)，打印歪斜。換過新的驅(qū)動(dòng)模塊后打印正常了。在這期間，筆者對打印機(jī)的調(diào)平水平也從菜鳥的自動(dòng)調(diào)平漸漸轉(zhuǎn)向了較為熟練的手動(dòng)調(diào)平。

（三）維度z：課程問題

課程設(shè)計(jì)是3d打印社團(tuán)開設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，進(jìn)行這個(gè)全新的課程之前應(yīng)該明確三個(gè)問題——教什么、怎么教、教到什么程度。

1.教什么

首先我們要教的肯定是三維建模，只有會(huì)了三維建模，學(xué)生才有創(chuàng)造的可能性。其次要教的是轉(zhuǎn)換和打印輸出，這是一個(gè)從虛擬到現(xiàn)實(shí)的過程，沒有打印的過程的3d打印課我們只能稱之為3d設(shè)計(jì)課。最后要教的還有創(chuàng)新思維，讓學(xué)生學(xué)會(huì)自主思考創(chuàng)新，這是我們創(chuàng)客教育的最終目標(biāo)。

2.怎么教

對于一門新課程，在教授學(xué)生知識(shí)之前，教師也需要進(jìn)行學(xué)習(xí)。在網(wǎng)絡(luò)上，筆者學(xué)習(xí)了“我要自學(xué)網(wǎng)”中草圖大師的視頻，當(dāng)然筆者并不準(zhǔn)備就這樣直接將網(wǎng)上學(xué)習(xí)的內(nèi)容照搬給學(xué)生?！拔乙詫W(xué)網(wǎng)”是針對已經(jīng)具有一定的自學(xué)能力的學(xué)員而設(shè)定的課程，而初中學(xué)生正處于初步培養(yǎng)自學(xué)能力的時(shí)期，需要有更加符合學(xué)生年齡階段的教學(xué)任務(wù)來驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，在為期一年的時(shí)間內(nèi)，筆者需要讓軟件設(shè)計(jì)中的一些常用功能在課程中得以呈現(xiàn)。在參考了3d打印方面前輩的課程設(shè)計(jì)后，筆者初步設(shè)計(jì)了如下教學(xué)任務(wù)：

（1）初識(shí)3d打印——3d打印課程介紹；

（2）紙盒子里的秘密——紙盒制作；

（3）我的小屋——房子制作及打印設(shè)置；

（4）萬丈高樓平地起——建筑創(chuàng)意設(shè)計(jì)；

（5）神奇的齒輪——復(fù)制旋轉(zhuǎn)；

（6）千變?nèi)f化的齒輪——齒輪創(chuàng)意飾品設(shè)計(jì)；

（7）漂亮花瓶——路徑的應(yīng)用；

（8）桌上靜物創(chuàng)意設(shè)計(jì)；

（9）一覽眾山小——等高線、沙盒學(xué)習(xí)；

（10）可愛的小動(dòng)物們——曲面的應(yīng)用；

（11）室內(nèi)裝修設(shè)計(jì)師——綜合創(chuàng)意設(shè)計(jì)；

（12）組合拼圖制作——卡槽配對；

（13）創(chuàng)意燈制作——電子應(yīng)用；

（14）三球儀制作——傳動(dòng)體驗(yàn)。

其中 “紙盒子里的秘密”、“漂亮花瓶”等屬于技能課，每節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)基本遵循以下流程（見圖1）：

圖1　

“建筑創(chuàng)意設(shè)計(jì)”、“桌上靜物創(chuàng)意設(shè)計(jì)”等屬于創(chuàng)想課，課程教學(xué)流程如圖2所示：

圖2　

“組合拼圖”、“創(chuàng)意燈”、“三球儀”等課程是下半學(xué)期的提高課程，結(jié)合簡單物理知識(shí)進(jìn)行3d設(shè)計(jì)的拓展，每個(gè)主題分三次課即6個(gè)課時(shí)進(jìn)行。流程安排如圖3所示：

圖3　

3.教到什么程度

“教到什么程度”，筆者認(rèn)為，并不是指他們的技能掌握到了什么程度，而是他們能夠?qū)W以致用到什么程度、能夠自主學(xué)習(xí)的程度以及創(chuàng)新的程度。這門課的目的是培養(yǎng)有創(chuàng)造力的人才，提高學(xué)生的STEM素養(yǎng)。因此，在保證基本知識(shí)技能的基礎(chǔ)上，更需要注意的是他們創(chuàng)造力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

因此給他們確定了如下目標(biāo)：

（1）在學(xué)以致用上，學(xué)生需要達(dá)到將自己想的東西在電腦上大致描繪出來即可，但需要逐步養(yǎng)成精確度量意識(shí)；

（2）在自學(xué)能力上，學(xué)生需要了解自學(xué)的多種方法，并能主動(dòng)通過同學(xué)交流和利用網(wǎng)絡(luò)搜索解決問題；

（3）在創(chuàng)新能力上，學(xué)生的作品要不局限于教師的范例所示，具有自己的想法即可，若有更具創(chuàng)意的想法則更棒！

基于這樣的理念和目標(biāo)，筆者展開了為期1年的3d打印教學(xué)工作。

三、思維轉(zhuǎn)換格式，傳輸創(chuàng)想靈感

3d打印課程有著它的優(yōu)勢，那就是學(xué)生對其有著濃厚的興趣，而且又沒有人真正接觸過，興趣加上知識(shí)上的空白，讓他們的學(xué)習(xí)猶如海綿吸水一般。他們從一竅不通到能熟練地在校內(nèi)外數(shù)百人面前進(jìn)行創(chuàng)作也不過就短短的不到兩個(gè)學(xué)期的時(shí)間而已。他們的作品從模仿到自主創(chuàng)作，建筑、花瓶、動(dòng)物、裝修、拼圖等等都展現(xiàn)了他們思維的火花。上課過程是學(xué)生學(xué)習(xí)的過程，也是學(xué)生靈感展現(xiàn)的過程，社團(tuán)在創(chuàng)想這塊有著很多有趣的小故事，比如小遠(yuǎn)的怪獸、昊昊的蜘蛛、小凌的悠悠球、子涵的傘陀螺、潼潼的未來小屋……每一個(gè)都有屬于學(xué)生自己的故事和秘密。

3d打印社團(tuán)是個(gè)充滿故事的社團(tuán)，也是個(gè)快樂的社團(tuán)。在快樂中創(chuàng)作，在創(chuàng)作中感受快樂，3d打印真正走進(jìn)了學(xué)生的心里。

四、實(shí)踐探索真知，打印3D夢想

盡管學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中也出現(xiàn)了不少不錯(cuò)的作品，但這個(gè)課程還是不成熟的，不足之處尚有很多，筆者也在不斷反思和探索。

（1）各種軟硬件屢次出現(xiàn)問題導(dǎo)致課程一度只能進(jìn)行設(shè)計(jì)不能打印，缺少了虛擬轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵一環(huán)。這一年也是任課教師學(xué)習(xí)的過程，到現(xiàn)在，筆者已能自主解決基本軟硬件問題。

（2）課程進(jìn)度較快，由于不確定這一批社團(tuán)學(xué)生具體需要帶幾年，最初設(shè)定的目標(biāo)是1年，所以課程進(jìn)度有點(diǎn)趕。知識(shí)點(diǎn)過于緊湊讓一部分接受能力較弱的學(xué)生在基礎(chǔ)技能上有所落后，學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)。

（3）打印各個(gè)部分進(jìn)行組合有點(diǎn)偏難，學(xué)生對于連接部分大小設(shè)置不太精確，這部分內(nèi)容可以根據(jù)學(xué)生水平進(jìn)行一定的調(diào)整。

（4）部分學(xué)生的設(shè)計(jì)作品比較難以實(shí)現(xiàn)完美打印，在今后的教學(xué)中，對于打印作品的結(jié)構(gòu)要求需要進(jìn)行比較系統(tǒng)的整理。

（5）方向不是太明確，沒有明確的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。筆者覺得，3d打印可以有三個(gè)發(fā)展方向：一是3d設(shè)計(jì)方面，二是生產(chǎn)輔助方面，三是模型制作方面。前者是藝術(shù)創(chuàng)造，將設(shè)計(jì)的東西打印出來；第二個(gè)是輔助工具，比如要做一輛小車，主要部件都好了，就缺一個(gè)殼子，于是打一個(gè)殼子；后者則是，比如有一個(gè)發(fā)明創(chuàng)造，但不知道這樣設(shè)計(jì)是否可行，于是打一個(gè)小模型模擬試驗(yàn)一下。這三個(gè)方向的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)自然是不同的。在這個(gè)課程設(shè)計(jì)的時(shí)候，筆者搖擺不定，如小燈有向第二種發(fā)展的趨勢，而三球儀則偏于第三種，但經(jīng)過實(shí)踐看來，初級階段還是以藝術(shù)創(chuàng)造為主要方向更好，這樣能夠讓學(xué)生對于三維設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有更明確的認(rèn)識(shí)。

學(xué)生在成長，教師在成長，3d打印課程也在成長。3d打印課程是一門既能與高科技接軌，又能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的新型課程，它沒有明確的課程標(biāo)準(zhǔn)，但卻是我們在深化教育改革大背景下培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效手段。［5］隨著教學(xué)研究的深入和教育界同行的共同交流，相信這門課程也將不斷地完善起來。

［1］3D打印［EB/OL］.http：//baike.baidu.com/view/4117826. htm.

［2］古麗萍.蓄勢待發(fā)的3D打印機(jī)及其發(fā)展［J］.數(shù)碼印刷，2011（10）.

［3］習(xí)近平.我國科技發(fā)展的方向就是創(chuàng)新創(chuàng)新再創(chuàng)新［J］.中國科技產(chǎn)業(yè)，2014（6）.

［4］創(chuàng)客［EB/OL］.http：//baike.baidu.com/subview/ 371405/11140298.htm.

［5］王正玉.小學(xué)3D打印課程的設(shè)計(jì)與開發(fā)研究［D］.上海師范大學(xué)，2014.

（編輯：王天鵬）

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1673-8454（2016）11-0085-03

江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃基礎(chǔ)教育重點(diǎn)課題“基于初中生科技創(chuàng)新能力發(fā)展的校本課程研究”（編號：B-b/ 2013/02/244）。