初中信息技術3D打印課程的探索與實踐

楊麗

（江蘇省南通市第一初級中學，江蘇南通226001）

初中信息技術3D打印課程的探索與實踐

楊麗

（江蘇省南通市第一初級中學，江蘇南通226001）

在深化教育改革、提倡創新的大背景下，3d打印這門新興學科已經開始進入中學課堂。面對這樣一門全新的課程，課程設計還處于探索階段。文章介紹了什么是3d打印，探討了3d打印課程對創新能力培養的積極意義，列舉了3d打印技術走進課堂出現的一些問題，結合實踐從軟硬件問題以及課程設計理念進行了初步探討，為進一步建設3d打印課程、提高教學效率、普及創新教育拋磚引玉，提供有力的前期研究支持。

3d打印；課程設計；教學實踐

3D打印是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎、運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造物體的技術。［1］目前3d打印技術在工業、藝術、醫療、食品、建筑等各個領域都已經有所應用。盡管這種技術還不夠成熟，其類似于噴墨打印機的原理限制了材質、成本和速度導致不能大批量生產，也不能直接用于數字時代的工業生產。［2］但不得不說，3d打印的普及為普通人無邊的創造力和想象力插上了一對有力的翅膀，3d打印讓想象變成現實。

一、創客引領潮流，走進創想校園

2014年6月9日，習近平主席指出，我國科技發展的方向就是創新、創新、再創新，創新的事業呼喚創新的人才。［3］創客教育應運而生。而李克強總理訪問過深圳創客空間之后，創客開始“火”了，隨著創客教育的興起，3d打印也開始在教育界打開一片天地。［4］

日前，在南通市，已經有20多所中小學擁有3d打印機，3d打印校本課程也隨之開設。我校自2015年2月起開設了3d打印社團，是市區開設3d打印課程最早的學校之一，現有社團成員55人，我校是一所以創想為主旨的學校，有著“創想無界，心筑未來”的教育哲學和“辦一所人人具有好奇心、個個具有創造力的創想學校”的愿景。在學校領導的大力支持下，3d打印走進了我們的校園，創客教育也隨同剛剛成長起來的學校一起萌芽和發展起來了。

二、三維初探未知，構建課程低模

筆者之前從未接觸過這個帶著“高科技”光環的機器，接手這個任務時是躍躍欲試的，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.設計軟件

要開設這門課程，首先得進行設計軟件的選擇，3d軟件如今非常多，筆者接觸過的有3dsmax、maya、Rhino，還有一款2.5d可進行3d建模的zbrush。但這些軟件對初中學生來說，界面稍顯復雜，而且除了Rhino外對硬件的要求也較高，學校機房的機器若想流暢完成一次創作較為困難。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”的軟件確實是一個很棒的3d小軟件，對機器的運行要求不高，界面直觀入門簡單，深入學習的話功能也十分強大，很適合用來進行中小學的3d入門教學。

2.轉換軟件

轉換軟件就用了通用的cura，但由于對設置的不熟悉，筆者犯過兩次設置上的錯誤。第一次是機器選擇不對，導致溫度升高后只吐絲不打印；第二次是耗材直徑設置錯誤導致打印成品 “骨質疏松”。在多次排查調整后，問題終于都解決了。Sketchup配合cura已經能完美完成3d打印整個過程。經過兩個學期的實踐，在此總結一下cura設置的注意點：①機器型號必須匹配，如學校的dfrobot機器使用的就是Ultimakeroriginal，而且是沒有加熱平臺只能打印pal耗材的機器；②耗材和噴嘴設置也必須符合實際情況；③注意打印懸空模型時對支撐類型的設定，這個設定關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。其余的設定如打印速度填充密度等的改動對成功率影響都不大，可根據需要和實際打印效果進行調整。

（二）維度y：硬件問題

在進行了半個學期的教學后，筆者發現打印的作品歪了，自此失敗作品接連不斷，找不到原因，只得請銷售公司專業技術人員來，檢查發現是x、y電機驅動模塊損壞，導致方向控制出錯，打印歪斜。換過新的驅動模塊后打印正常了。在這期間，筆者對打印機的調平水平也從菜鳥的自動調平漸漸轉向了較為熟練的手動調平。

（三）維度z：課程問題

課程設計是3d打印社團開設的重點內容，進行這個全新的課程之前應該明確三個問題——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，只有會了三維建模，學生才有創造的可能性。其次要教的是轉換和打印輸出，這是一個從虛擬到現實的過程，沒有打印的過程的3d打印課我們只能稱之為3d設計課。最后要教的還有創新思維，讓學生學會自主思考創新，這是我們創客教育的最終目標。

2.怎么教

對于一門新課程，在教授學生知識之前，教師也需要進行學習。在網絡上，筆者學習了“我要自學網”中草圖大師的視頻，當然筆者并不準備就這樣直接將網上學習的內容照搬給學生。“我要自學網”是針對已經具有一定的自學能力的學員而設定的課程，而初中學生正處于初步培養自學能力的時期，需要有更加符合學生年齡階段的教學任務來驅動。同時，在為期一年的時間內，筆者需要讓軟件設計中的一些常用功能在課程中得以呈現。在參考了3d打印方面前輩的課程設計后，筆者初步設計了如下教學任務：

（1）初識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——房子制作及打印設置；

（4）萬丈高樓平地起——建筑創意設計；

（5）神奇的齒輪——復制旋轉；

（6）千變萬化的齒輪——齒輪創意飾品設計；

（7）漂亮花瓶——路徑的應用；

（8）桌上靜物創意設計；

（9）一覽眾山小——等高線、沙盒學習；

（10）可愛的小動物們——曲面的應用；

（11）室內裝修設計師——綜合創意設計；

（12）組合拼圖制作——卡槽配對；

（13）創意燈制作——電子應用；

（14）三球儀制作——傳動體驗。

其中 “紙盒子里的秘密”、“漂亮花瓶”等屬于技能課，每節課教學設計基本遵循以下流程（見圖1）：

圖1　

“建筑創意設計”、“桌上靜物創意設計”等屬于創想課，課程教學流程如圖2所示：

圖2　

“組合拼圖”、“創意燈”、“三球儀”等課程是下半學期的提高課程，結合簡單物理知識進行3d設計的拓展，每個主題分三次課即6個課時進行。流程安排如圖3所示：

圖3　

3.教到什么程度

“教到什么程度”，筆者認為，并不是指他們的技能掌握到了什么程度，而是他們能夠學以致用到什么程度、能夠自主學習的程度以及創新的程度。這門課的目的是培養有創造力的人才，提高學生的STEM素養。因此，在保證基本知識技能的基礎上，更需要注意的是他們創造力和實踐能力的培養。

因此給他們確定了如下目標：

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

（2）在自學能力上，學生需要了解自學的多種方法，并能主動通過同學交流和利用網絡搜索解決問題；

（3）在創新能力上，學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，若有更具創意的想法則更棒！

基于這樣的理念和目標，筆者展開了為期1年的3d打印教學工作。

三、思維轉換格式，傳輸創想靈感

3d打印課程有著它的優勢，那就是學生對其有著濃厚的興趣，而且又沒有人真正接觸過，興趣加上知識上的空白，讓他們的學習猶如海綿吸水一般。他們從一竅不通到能熟練地在校內外數百人面前進行創作也不過就短短的不到兩個學期的時間而已。他們的作品從模仿到自主創作，建筑、花瓶、動物、裝修、拼圖等等都展現了他們思維的火花。上課過程是學生學習的過程，也是學生靈感展現的過程，社團在創想這塊有著很多有趣的小故事，比如小遠的怪獸、昊昊的蜘蛛、小凌的悠悠球、子涵的傘陀螺、潼潼的未來小屋……每一個都有屬于學生自己的故事和秘密。

3d打印社團是個充滿故事的社團，也是個快樂的社團。在快樂中創作，在創作中感受快樂，3d打印真正走進了學生的心里。

四、實踐探索真知，打印3D夢想

盡管學生在學習過程中也出現了不少不錯的作品，但這個課程還是不成熟的，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問題導致課程一度只能進行設計不能打印，缺少了虛擬轉變為現實的關鍵一環。這一年也是任課教師學習的過程，到現在，筆者已能自主解決基本軟硬件問題。

（2）課程進度較快，由于不確定這一批社團學生具體需要帶幾年，最初設定的目標是1年，所以課程進度有點趕。知識點過于緊湊讓一部分接受能力較弱的學生在基礎技能上有所落后，學習不夠扎實。

（3）打印各個部分進行組合有點偏難，學生對于連接部分大小設置不太精確，這部分內容可以根據學生水平進行一定的調整。

（4）部分學生的設計作品比較難以實現完美打印，在今后的教學中，對于打印作品的結構要求需要進行比較系統的整理。

（5）方向不是太明確，沒有明確的評價標準。筆者覺得，3d打印可以有三個發展方向：一是3d設計方面，二是生產輔助方面，三是模型制作方面。前者是藝術創造，將設計的東西打印出來；第二個是輔助工具，比如要做一輛小車，主要部件都好了，就缺一個殼子，于是打一個殼子；后者則是，比如有一個發明創造，但不知道這樣設計是否可行，于是打一個小模型模擬試驗一下。這三個方向的評價標準自然是不同的。在這個課程設計的時候，筆者搖擺不定，如小燈有向第二種發展的趨勢，而三球儀則偏于第三種，但經過實踐看來，初級階段還是以藝術創造為主要方向更好，這樣能夠讓學生對于三維設計的結構有更明確的認識。

學生在成長，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，又能培養學生創新思維能力的新型課程，它沒有明確的課程標準，但卻是我們在深化教育改革大背景下培養創新人才的有效手段。［5］隨著教學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.蓄勢待發的3D打印機及其發展［J］.數碼印刷，2011（10）.

［3］習近平.我國科技發展的方向就是創新創新再創新［J］.中國科技產業，2014（6）.

［4］創客［EB/OL］.http：//baike.baidu.com/subview/ 371405/11140298.htm.

［5］王正玉.小學3D打印課程的設計與開發研究［D］.上海師范大學，2014.

（編輯：王天鵬）

G434

B

1673-8454（2016）11-0085-03

江蘇省教育科學“十二五”規劃基礎教育重點課題“基于初中生科技創新能力發展的校本課程研究”（編號：B-b/ 2013/02/244）。