楊久俊

摘要：教育領(lǐng)域是3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域之一。本文剖析了3D打印在學(xué)校教育中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)。介紹了3D One、Tinkercad兩款面向青少年教育的三維軟件，講述3D打印首要環(huán)節(jié)三維模型的創(chuàng)建方法及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D打印;3D建模;青少年;3D One;Tinkercad;編程;電路

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）09-0025-03

0 引言

邁入全球化的信息時(shí)代，以大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、3D打印技術(shù)為代表的新興技術(shù)將會(huì)對(duì)學(xué)校教育產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。3D打印技術(shù)是目前最熱門的新興技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)對(duì)于該技術(shù)的教育領(lǐng)域應(yīng)用還處于起步階段，但隨著該技術(shù)的發(fā)展成熟，3D打印技術(shù)將會(huì)推動(dòng)課程內(nèi)容教學(xué)方法不斷變革。

1 3D打印技術(shù)及在學(xué)校教育中的應(yīng)用

3D打印（3D printing，又稱三維打?。┦且环N快速成形技術(shù)，它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料。1986年，3D打印技術(shù)的發(fā)明者Charles Hull開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D打印機(jī)，開啟了全球的3D打印時(shí)代。英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為，3D打印技術(shù)將成為推動(dòng)第三次工業(yè)革命的重要力量。3D打印技術(shù)可用于機(jī)械制造、工業(yè)設(shè)計(jì)、珠寶、建筑、航空航天、生物醫(yī)療、教育等眾多領(lǐng)域。在可以打印器官、汽車、飛機(jī)的今天，它還在創(chuàng)造無限的可能?！吨袊?guó)制造2025》、《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》都指出要重點(diǎn)部署3D生物打印技術(shù)的創(chuàng)新突破和應(yīng)用發(fā)展。“中國(guó)3D打印第一人”顏永年認(rèn)為，未來3D打印將成為發(fā)展的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。政府的推動(dòng)和媒體的關(guān)注，使得3D打印迅速成為全球熱點(diǎn)。目前我國(guó)3D打印技術(shù)已形成“以高校為主體的技術(shù)研發(fā)力量布局，若干關(guān)鍵技術(shù)取得重要突破，產(chǎn)業(yè)發(fā)展開始起步，形成小規(guī)模產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)，并在多個(gè)領(lǐng)域成功應(yīng)用，為下一步發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)?！备窬?。

由于3D打印技術(shù)在個(gè)體定制化生成方面的巨大優(yōu)勢(shì)，使得其具備了顛覆傳統(tǒng)教育模式的潛力。在國(guó)內(nèi)的一些中小學(xué)開設(shè)了集三維設(shè)計(jì)和3D打印于一體的課程，這類課程給為學(xué)生的學(xué)習(xí)方式帶了變革，讓抽象的教學(xué)概念更加容易理解，激發(fā)了學(xué)生對(duì)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、工程、設(shè)計(jì)創(chuàng)意等多學(xué)科的興趣，促進(jìn)了實(shí)踐與理論、知識(shí)與思維、現(xiàn)實(shí)與未來3個(gè)方面的結(jié)合。主要優(yōu)勢(shì)有：（1）激發(fā)學(xué)生對(duì)一些科學(xué)過程或現(xiàn)象進(jìn)行可視化展現(xiàn)，通過軟硬件結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生潛能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí);（2）通過3D打印將視覺與觸覺結(jié)合，不同于單純的看文字、圖形，它為學(xué)生建立一種新型的學(xué)習(xí)通道，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與記憶，激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的熱情;（3）學(xué)生建模和設(shè)計(jì)的主題大多貼近生活，能培養(yǎng)學(xué)生積極思考、主動(dòng)解決實(shí)際問題的能力;（4）學(xué)生通過學(xué)習(xí)簡(jiǎn)易建模軟件，拓展了空間思維能力，也便于后期進(jìn)一步學(xué)習(xí)專業(yè)建模軟件。

2 目前主流的面向青少年教育的三維設(shè)計(jì)軟件

3D打印包括三維建模、印前處理、打印、后期處理等步驟，3D打印首要任務(wù)就是創(chuàng)建三維建模，三維模型可以通過3D掃描儀掃描獲得后使用軟件進(jìn)行修繕，或使用三維建模軟創(chuàng)建編輯，也可以在網(wǎng)絡(luò)共享素材庫直接下載。

所想即所得，這是3D打印技術(shù)的獨(dú)特魅力所在。3D打印機(jī)可以輕松、完美具現(xiàn)人們的創(chuàng)意和想象。問題是，3D打印機(jī)如何讀取我們的構(gòu)想？解決這個(gè)問題，可以使用各種3D建模軟件?，F(xiàn)今各種各樣的建模軟件，從工業(yè)設(shè)計(jì)、影視動(dòng)畫、到青少年教育，軟件已涵蓋了各個(gè)領(lǐng)域。像AutoCAD、SOLIDWORKS、SketchUp、3dsMAX、May、Zbrush這些專業(yè)級(jí)三維軟件要靈活的使用它們必須經(jīng)過長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)。對(duì)于青少年、非專業(yè)人士，可以選擇一些相對(duì)簡(jiǎn)單、更易上手的軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，下面介紹目前兩款更適合青少年學(xué)習(xí)的三維設(shè)計(jì)軟件。

2.1 3D One系列

3D One（網(wǎng)址http：//www.i3done.com/）是由我國(guó)中望龍騰軟件公司開發(fā)的系列軟件，包括3D One、3D One Plus、3D One Mini、3D One Cut等系列軟件及3D One App。3D One是國(guó)內(nèi)首款面向青少年的三維設(shè)計(jì)軟件，具有簡(jiǎn)易的3D設(shè)計(jì)功能，貼合青少年的創(chuàng)新思維，內(nèi)嵌社區(qū)和豐富的學(xué)習(xí)、教學(xué)相關(guān)資源，其積木編程、Phython編程等建模方式讓建模更具趣味性。截止2019年9月24日已有 51278 所學(xué)校入駐，共發(fā)布作品1085365件。3D One APP是3D One的移動(dòng)端社區(qū)APP，用戶能隨時(shí)隨地能與社區(qū)好友分享、直播自己的創(chuàng)意，老師可隨時(shí)為學(xué)生作品點(diǎn)贊評(píng)價(jià)，展示教學(xué)成果，父母可綁定孩子賬號(hào)，與孩子一起探索趣味創(chuàng)意。3D One分教育版和家庭版，家庭版為免費(fèi)版本。

3D One主界面的左側(cè)是工具欄，有著豐富的命令以實(shí)現(xiàn)模型的創(chuàng)建及修改。主界面的右側(cè)有社區(qū)管理、創(chuàng)意模型庫、視覺樣式、電子件管理、趣味編程等選項(xiàng)。視覺樣式包括材質(zhì)、貼圖、三維場(chǎng)景等，三維場(chǎng)景可以使用軟件自帶的宇宙、大海、天空等場(chǎng)景，也可以導(dǎo)入JPG、JPEG、PNG格式的全景圖或天空?qǐng)D來創(chuàng)建新的三維場(chǎng)景。電子件管理中包括美科、盛思、機(jī)器時(shí)代等多家合作企業(yè)的電子元件，用戶能直接選擇這些電子元件來進(jìn)行設(shè)計(jì)。積木模式和Python模式可完成模型的創(chuàng)建、修改、動(dòng)畫效果。積木模式接近于Scratch積木編程軟件。Python模式下，用戶能通過語法庫更便捷的學(xué)習(xí)代碼，運(yùn)用代碼實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意。圖1列出了使用實(shí)現(xiàn)方框模型的創(chuàng)建方法：左上是需要?jiǎng)?chuàng)建的模型，左下使用普通建模方式，首先創(chuàng)建長(zhǎng)寬高分別為（40，30，3）、（35，25，3）的兩個(gè)六面體，再用組合編輯命令中組合減將兩個(gè)六面體相減。右側(cè)是積木模式使用三個(gè)積木來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建。也可以使用代碼來創(chuàng)建：

from zw_api import *

import re

def zw_main（）：

zw_do_combine（2， [ ?zw_draw_box（40， 30， 3， zw_point（0， 0， 0）， '#33ccff'）]，

[ ?zw_draw_box（35，25，3，zw_point（0，0， 0），'#33ccff'）]）

3d One積木編程方式中的積木塊種類十分豐富，“海龜庫”能控制畫筆移動(dòng)繪制豐富多彩的圖案，“特征造型”能用組合編輯、拉伸、旋轉(zhuǎn)等對(duì)模型進(jìn)行修改，創(chuàng)建復(fù)雜造型的模型?！皵?shù)學(xué)類別”能完成四舍五入、平方根等多種數(shù)學(xué)運(yùn)算。

3D One內(nèi)置了豐富的學(xué)習(xí)資源，遇到不會(huì)的命令，點(diǎn)擊命令對(duì)話框的左上角“！”，就會(huì)彈出該命令的使用說明及視頻鏈接，例如圖1使用組合命令中點(diǎn)擊“！”出現(xiàn)的命令幫助。

3D One的GIF快速創(chuàng)建功能，積木模式、Python模式編程時(shí)，點(diǎn)擊GIF按鈕后能將程序運(yùn)行過程制作成GIF動(dòng)畫，調(diào)整速度值能修改運(yùn)行速度。

打印速度緩慢且耗材昂貴是3D打印的主要缺點(diǎn)之一，3D One能將3D打印用動(dòng)畫來進(jìn)行模擬，展示3D打印的過程，還能整模擬打印的速度和進(jìn)度（見圖2）。

2.2 Tinkercad

Tinkercad（https：//www.tinkercad.com/）Autodesk公司目前主打教育領(lǐng)域的一款免費(fèi)的在線設(shè)計(jì)軟件，集成了3D打印建模、電子電路設(shè)計(jì)、編程等功能。Autodesk是全球最大的二維、三維設(shè)計(jì)和工程軟件公司，為制造業(yè)、工程建設(shè)行業(yè)以及傳媒娛樂業(yè)提供卓越的數(shù)字化設(shè)計(jì)、工程軟件服務(wù)和解決方案。AutoCAD、3dsmax、Maya這些頂級(jí)的三維軟件都是Autodesk公司旗下產(chǎn)品，雄厚的技術(shù)支持背景讓Tinkercad不容小覷。

不同于其它的三維軟件需要進(jìn)行復(fù)雜的軟件安裝、配置，計(jì)算機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)后，只需要打開Tinkercad主頁就可以立刻進(jìn)行3D模型的設(shè)計(jì)。Tinkercad已經(jīng)集成了上百個(gè)不同的基本體以供模型搭建，用戶也可以編輯基本體、創(chuàng)建自定義模型并上傳至云服務(wù)器。Tinkercad主頁右上方有“Classes”、“庫”、“博客”、“學(xué)習(xí)”、“授課”等選項(xiàng)，用戶瀏覽“博客”能了解Tinkercad最新消息、技巧和貼士等，“授課”可以指導(dǎo)教育工作者在課堂中使用Tinkercad?！皩W(xué)習(xí)”提供了豐富的在線項(xiàng)目，用戶通過閱讀詳細(xì)的項(xiàng)目功能及步驟介紹，按照導(dǎo)航逐步掌握Tinkercad的使用。

Tinkercad有三維設(shè)計(jì)、Circuits、代碼塊三種工作模式。點(diǎn)擊“三維設(shè)計(jì)”圖標(biāo)就能馬上進(jìn)入三維設(shè)計(jì)。Tinkercad建模流程是：放置（放置形狀以添加或刪除物體）——調(diào)整（在空間中自由移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和調(diào)整形狀）——合并（將一些形狀組合到一起，來創(chuàng)建所需模型的細(xì)節(jié)）。簡(jiǎn)潔的可視化界面讓用戶很快掌握這一流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型完成后能用OBJ、STL、GLTF等文件格式導(dǎo)出，或者直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給已經(jīng)連接的3D打印機(jī)進(jìn)行打印。Tinkercad支持所有接受標(biāo)準(zhǔn)STL文件格式的3D打印機(jī)，作品可以直接進(jìn)行3D打印或者在線訂購3D打印。模型也可以直接導(dǎo)出到Autodesk公司旗下的另一款3D軟件Fusion360進(jìn)行進(jìn)一步編輯渲染。Tinkercad可支持導(dǎo)入25MB以內(nèi)的STL、OBJ、SVG格式的二維或三維文件以進(jìn)行下一步編輯。

Tinkercad還可以將3D設(shè)計(jì)融入電路設(shè)計(jì)，選擇Circuits模式就能創(chuàng)建虛擬電路，在主界面右側(cè)的“組件”中可以找到主流的電路元件模塊，使用者可直接使用其進(jìn)行模擬搭建，實(shí)際搭建前還可進(jìn)行在線模擬來測(cè)試設(shè)計(jì)效果，加速創(chuàng)意的發(fā)揮。模擬后再進(jìn)行實(shí)際搭建電路，將3D打印模塊、電路元件結(jié)合，從 Tinkercad 中導(dǎo)出代碼以便對(duì)電路進(jìn)行編程。很多部件附帶了詳細(xì)的說明，點(diǎn)擊顯示構(gòu)建說明按鈕，還可以在頁面的左側(cè)看到該部件的詳細(xì)搭建步驟，包括文字說明、圖片、視頻。電路模擬如果有錯(cuò)，電路出錯(cuò)處有“！”警示并給出文字說明。

Tinkercad具有編程功能。選擇“代碼塊”，進(jìn)行可視化編程在程序上生成形狀，堆疊、移動(dòng)積木塊就能運(yùn)行測(cè)試，完成復(fù)雜模型的創(chuàng)建。Tinkercad提供了范例“入門”，通過學(xué)習(xí)范例，用戶能快速掌握積木塊的使用。相比于3D One，Tinkercad創(chuàng)建形狀的選項(xiàng)更細(xì)致，使用更便捷，以創(chuàng)建“長(zhǎng)方體”形狀（3D One中形狀名為“六面體”）為例，Tinkercad中有“邊緣”和“邊緣步驟”選項(xiàng)來控制長(zhǎng)方體倒角大小和倒角分段數(shù)，3D One要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)倒角長(zhǎng)方體步驟較為復(fù)雜。Tinkercad視圖調(diào)整十分便捷，代碼塊模式下可以使用窗口左側(cè)的“+”、“-”圖標(biāo)來放大或縮小視圖，也可用快捷鍵“+”、“-”實(shí)現(xiàn)。拖動(dòng)鼠標(biāo)左鍵可以旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)，滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪能推近或拉遠(yuǎn)攝像機(jī)。

Tinkercad三維設(shè)計(jì)模式有多種快捷鍵加快工作流程，如按住“Alt”鍵拖動(dòng)鼠標(biāo)左鍵，能夠復(fù)制拖動(dòng)的對(duì)象，“Ctrl”鍵加“D”鍵能復(fù)制選中的對(duì)象，“Del”鍵可刪除選中對(duì)象，“↑”、“↓”、“←”、“→”讓選中的對(duì)象上下左右移動(dòng)，“Ctrl”鍵加“g”能為選中對(duì)象創(chuàng)建組。“Ctrl”加“z”鍵能撤銷上一步操作。這些快捷鍵與主流的三維建模軟件快捷鍵的用法基本一致，用戶掌握這些快捷鍵后能更好進(jìn)行高級(jí)建模軟件的學(xué)習(xí)。

相比3D One，Tinkercad在國(guó)內(nèi)的知名度和普及度不高，其幫助界面、警示等缺少中文說明給使用造成了一定困難。免費(fèi)、免安裝、易使用、豐富的模型庫和教學(xué)資源及雄厚的技術(shù)支持，Tinkercad在家庭、學(xué)校、3D打印愛好者中將會(huì)有更好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

科技促進(jìn)教育這一客觀規(guī)律決定了3D打印會(huì)對(duì)學(xué)校教育產(chǎn)生積極的影響，但3D打印引入教學(xué)還存在很多實(shí)際困難。教育者運(yùn)用3D打印與學(xué)科結(jié)合、項(xiàng)目實(shí)踐等多種方式，積極發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，讓其為教育事業(yè)的發(fā)展提供動(dòng)力。

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Abstract：Education is one of the application fields of 3D printing. This paper analyzes the application and advantages of 3D printing in school education. This paper introduces 3D One and Tinkercad， two 3D software for youth education， and describes the creation method and application of 3D model in the first step of 3D printing.

Key words：3D printing; 3D modeling; Teenagers; 3D One; Tinkercad; Programming; Circuit