3D打印與學科融合的教學探索

岳尊龍　于方軍

編者按：建模是一種最重要的信息技術實驗手段，之前我們通過Scratch語言獲取數據，建立數學模型，并且探索規律的過程是一種在數據空間中的建模，除此之外我們繪制一張圖紙，完成一次激光切割是一種基于物質世界的建模，而3D打印技術的出現，使得我們對物質世界的建模更加容易也更加精確了。本期我們就來共同探討如何將3D建模與學科融合起來，開展教學。

隨著3D打印技術的快速發展，人性化、生活化、智能化的3D打印技術已經漸漸融入到我們的日常生活，走進我們的家庭，成為我們動手制作、創意成型的得力助手。現在你只要輕點鼠標，從網上海量的3D模型庫中下載自己需要的3D模型，或者運用3D建模軟件設計一個3D模型，然后進行切片打印即可。當你的3D打印機正在經歷把模型打印成實物的過程時，你可以泡上一杯香茗，悠然自得地讀讀書、上上網、看看電視。時間不長，3D打印機已經為你打印出一個物美價廉、精度較高的小零件、小物品。

測量應該成為3D打印課程的第一步

工程設計要求規范和精確，測量數據的精確為其提供了保證。學生在常規物理課堂中的測量是測一測課桌、書本的長寬高，學生對測量精度、測量工具對測量精度的影響、誤差等概念沒有深刻的體驗。我們可以結合做一個Scratch小車的例子，讓學生通過測量Arduino板的長寬、孔距，然后通過3D技術設計打印出小車地盤，通過一個簡單的工程設計深切地體驗測量的重要性，這應該是STEM課程所追求的。在課程設計上我們進行了如下嘗試：

1.小車外形設計

現實生活中的車輛設計一般都采用車身和底盤分離的方式，我們在設計的時候也可以參照這種設計方法，采用車身和底盤分離的方式，這樣可以讓智能小車更具有拓展性。車身決定小車的外觀，可以用3D技術實現，也可以通過其他方式實現，如我們要設計消防車、救護車、警車等，可以通過設計車身來體現。底盤主要是用于承載Arduino控制板、超聲波傳感器、電池盒、舵機、車輪等器材，對強度和精度都有一定要求，我們采用3D技術實現，如圖1所示。

設計好底盤之后，我們可以給小車設計一個漂亮的車身，可以3D打印，也可以用其他材質手工制作。

2.數據的采集

為了將各種器材固定到底盤上，需要在底盤上設計好放置器材的位置，在合適的地方開孔，方便將來用螺絲把器材固定到底盤上。那么怎么才能讓器材跟底盤完美地結合在一起呢？這時候就需要用測量數據來確定器材在底盤上的位置，用尺寸來確定開孔的大小。為了更精確地采集到各種器材的數據，建議用游標卡尺進行測量（如下頁圖2）。

動手測一測：請測量各種器材的尺寸，把測量結果填到相應的表格中。測量器材長寬高時，我們要測量它的最高點、最長點和最寬點，這樣才能保證在裝配時能夠有足夠的空間可以容納下該器材（如圖3）。

這種基于動手實做的學習可以幫助學生更好地理解物理學科中的測量、誤差等概念，以及誤差和測量工具有關，因為如果用他們自己的普通刻度尺誤差很大，器件是安裝不到小車底盤上的。

3D建模體驗數學的魅力

3D建模技術對學生建立立體幾何的概念有著天然的優勢。在課程設計中通過建模軟件（如草圖大師、123D等）可以讓學生很容易理解點、線、面、體等概念，理解各種視圖方式。我們進行了如下課程設計：

1.什么是3D

我們要設計3D的物體，你有沒有想過，什么是3D？D是英文單詞dimension的縮寫，在這里可以翻譯成為維度，3D也就是我們說的三維，是指在平面二維系中又加入了一個方向向量構成的空間系。三維既是坐標軸的三個軸，即x軸、y軸、z軸，其中x表示左右空間，y表示上下空間，z表示前后空間，這樣就形成了人的視覺立體感。簡單說三維物體就是具有長、寬、高三個維度信息的物體，它能使我們產生立體的視覺。三維和二維的區別很明顯，如正方形與正方體等（如圖4）。仔細想想我們生活的世界，是不是到處充滿了幾何圖形的影子？

看完圖5的這兩幅圖片你對建立一個3D物體有什么想法？

一個復雜的3D模型其實可以分解為各種基本的幾何體，而這些基本的幾何體又是通過基本的幾何圖形旋轉或推拉而成。接下來，我們就從基本開始，制作一個立方體。

2.制作立方體

現在我們要采用一款使用簡單，但是功能卻很強大的軟件來學習制作3D模型文件，這款軟件叫做SketchUp，是一款直接面向設計方案創作過程的直觀、靈活、易于使用的設計工具，區別于其他三維設計軟件，SketchUp更多關注于設計過程，能夠滿足與客戶即時交流的需要，它就像電腦藝術設計中的“鉛筆”，被譽為“草圖大師”。接下來我們就采用“草圖大師”來繪制一個立方體（如下頁圖6所示）。

簡單設計之后，再通過3D打印機打印出來，學生真實的體驗可以增強他們對知識的理解，后期可以加入各種幾何體組合讓學生設計“櫥子”、“跳棋”、“雪花”……

通過真實問題的情境引入增加對工程課程的理解

3D技術的最終價值是它的工具性價值，作為工具就要體現它的實用性。所以我們在課程設計中應該用真實生活中的實例導入，讓學生認識到3D打印機就如常見的普通打印機一樣，只是我們生活中用到的一種工具，有了這樣一種思想，就會很自然地把它應用到日常生活中。

現代的工業制造，為了降低成本，抹殺了很多個性化的需求，而以3D技術為代表的桌面加工業卻可以彌補這一不足。我們經常會遇到這樣一些“小麻煩”：家中的某些物品因為丟失或者損壞了一個小部件而不能正常工作；與孩子一起動手制作玩具時，需要一些異形的小零件卻無處購買；晚上家里的某個設施出現了小故障，破損的零件暫時找不到替代品；想把自己的創意和設計變成實物，卻無法實現……這些小麻煩可以用工業化方式解決，如果你掌握了3D打印技術，也可以用3D打印的方式解決。

家里的水龍頭把手因為用力過度或者老化壞掉了，我們可以去超市買一個回來更換掉，也可以用3D打印機打印一個臨時的水龍頭配件，以解燃眉之急（如圖7）。

制作水龍頭配件的操作流程如下：

①獲取水龍頭配件關鍵部位的相關數據。建議使用游標卡尺測量，如果沒有游標卡尺，也可以使用普通的米尺替代，不過使用游標卡尺測得的數據比較準確，可以大大降低將來打印實物的廢品率。我們要打印一個如圖7的圓形的水龍頭把手，得到的相關數據如下表所示：

②選擇使用3D設計軟件開始設計。

使用的設計軟件是草圖大師（Sketch

Up），它是一款免費的3D建模軟件，具有界面友好、功能強大、操作簡單等特點，完全可以在短期內掌握使用。打開草圖大師后，經過平面畫圓、平面畫矩形、推拉成體這樣簡單的三個操作，3D版的簡易水龍頭把手就這樣在3分鐘內搞定。3D效果如圖8所示。

③對stl文件進行切片，常用的開源軟件有RepetierHost中的Cura“進行切片”。切片前可以先設置好打印速度、打印精度、打印溫度、填充率等相關的打印參數，然后進行切片。這時我們設計的3D模型將被轉換為打印機可以識別的G代碼，形成一個gcode文件。建議打印時最好先打印一個試用品。試用品的填充率可以調至10%左右，這樣可以大大縮減打印時間和打印成本。

經過這樣一個基于真實問題的項目設計和實施，學生不但加強了對3D打印技術的工具性理解，而且還通過后期的應用觀察，了解了打印物品材質不同對使用帶來的影響，進而引發了他們對打印材質的思考。

3D打印自制教具

隨著3D打印技術普及，一線教師已經開始探索將3D打印技術應用到教具設計，圖9是上海行知實驗中學的陳嶺老師用3D技術設計的一些教具，我們也在這方面做了一些嘗試。可以大膽設想一下，也許在可預見的未來會在某個網絡平臺有著一線教師設計的豐富的教具的3D模型文件，學校只要有一臺3D打印機，教師們就可以借助于3D打印技術，打印出一線教師自己設計的接地氣的教具，而不是僅僅依賴于生產廠家。

總之，通過自己的一些嘗試，希望在以后的3D打印教學設計中，應該盡快跳過打印一些網上下載的精美模型的炫酷階段，進入到真實問題需要的情境導入，精確工具測量的數據采集和在數學基礎上的模型設計，這樣或許更接近于STEM課程中工程的理念。