3D建模打印折射創客教育新路徑

周迎春

摘 要 創客教育是培養和提升學生創造能力及解決問題能力的重要途徑，3D建模打印綜合了信息技術、工程數學、藝術、物理等學科知識，與創客教育的目標相契合。從《中小學3D建模打印教程》這本創客教育校本課程的編寫出發，談實施過程中的一些感悟。

關鍵詞 3D建模；3D打印；創客教育

中圖分類號：G434 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）21-0046-04

美國近年也開始擁抱創客運動提出要創新教育以提升學生STEM的學習水平，認為學校教育變得越來越僵化，大量的作業和考試，造成了學生對知識的死記硬背，學生的創造力和創新精神正在喪失。教育部在《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》中提出，有條件的地區要積極探索新技術手段在教學過程中的日常應用，有效利用信息技術推進眾創空間建設，探索創客教育、STEM教育等新教育模式，使學生具有較強的信息意識與創新意識。教育部教育裝備研究與發展中心在根據教育部工作部署制訂2016年工作要點中，把創客教育作為加強創新創造教育研究的中心工作。

目前3D建模打印技術方興未艾，技術日趨成熟，應用日益廣泛。繪制路徑—獲取圖形—物體放樣是3D建模的三部曲，同樣創客教育也需要“繪制”實施的路徑。創客教育，集創新教育、體驗教育、項目學習等思想為一體，融合科學、數學、物理、化學、藝術等多學科知識，注重培養學生的想象力、創造力以及解決問題的能力，能有效提升學生的STEM學習水平及跨學科的學習能力。我們在實踐中探索建設3D建模打印課程及3D打印創客教室，并列入高年級的課程表，把它作為學校創客教育的新路徑，取得較好成效。

1 引入空間認識3D打印

8歲的馬克斯·灰及其家人利用3D打印技術，創造了一款帶有迷你籃球圈的咖啡杯（圖1），讓馬克斯的創意想法變為現實，馬克斯的產品還申請了專利并將其成功推向市場，成為暢銷產品。去年南京大學博士生侯印國創辦的烘焙連鎖品牌“麥可可”推出一款“藍鯨”月餅，就是用現代3D打印科技結合傳統月餅食材工藝制作而成的。諸如此類的事例在新聞中屢見不鮮。

在3D建模打印創客教育課程中曾以上述范例引導學生建模，認識3D打印并制作3D月餅印模（圖2）。小學生成功模仿并打印完成大學本科生創客作品的體驗，給了他們更多的創新動力。在青少年科技發明比賽金點子征集過程中發現有“潔凈水杯”的創意（圖3），雖然簡單，但是有創新的亮點，即杯子柄部設計成45°斜邊放置時可避免灰塵進入，于是引導學生在3DMAX中建模然后3D打印。該杯子參加創新大賽并獲得獎項。

2 結合實例，開展教學

電子百拼的器材中缺了轉盤，無法“起飛”了，你能利用3DMAX建模并打印一個讓轉盤再次升空嗎（圖4）？家里的新房要裝修，你能為自己客廳背景墻作一個3D設計嗎（圖5）？諸如此類的問題情境設計都成了3D建模打印創客教育課程的內容，轉盤及客廳背景的設計涉及工程、數學、物理、藝術等多學科內容，需要學生在制作時搜集相關資料并進行研究，然后融合自己的創意在3DMAX中描繪，在3D打印機下輸出實現。學生在學習3D建模打印的同時獨立思考能力、創造能力、跨學科的學習能力得到了培養和提高。有些跟學生現實生活密切相關的問題的解決，有時候信手拈來也成了3D建模打印創客課程的內容。筆者設計的“3D沙灘椅塑料構件制作”教學案例，曾在蘇州市小學信息技術教學觀摩活動中展示。

3 動手動腦相結合：課程實踐

以上述教學案例為例。

教學目標 1）運用超級布爾、擠出、車削等命令構建座椅塑料構件；2）學習二維圖形的附加及頂點的熔接、

焊接等；3）體驗運用3D建模打印解決生活中的實際問題；

4）了解3D打印機打印輸出3D模型的過程。

教學重難點 二維圖形的附加及布爾運算。

教學準備 3D打印塑料構件、3D打印過程錄像、3D組裝動畫、操作演示微視頻、教材等。

教學過程

1）發現問題，策略探討。①問題的提出：展示沙灘椅實體，圖示沙灘椅的塑料構件壞了，造成整個椅子無法正常使用，今天我們的任務是要用已學的3DMAX建模命令“生產”出一個完好的構件（PPT展示、板書課題）；②分組觀察構件的形狀特點提出解決方案；③各組匯報解決方案后進一步細化制作流程。

討論方案：已損壞的塑料由哪兩個部分組成（圖6～圖7）？應分別如何運用3DMAX來構建？你能先簡要說說準備在3DMAX中如何構建塑料構件主體嗎？柱體附件有何特點？它的截面是怎樣的？（動畫）那個柱形附件該用什么命令構建呢？（板書）

2）超級布爾制作構件主體。

課題A：構建一個43 mm*43 mm*19 mm的圓角長方體。學生認領課題上臺演示。后全體學生按教材提示或者教師機大屏幕動畫操作演示構建。（在PPT上給完成此項操作的學生加分。）

①進入自定義菜單設置系統單位為毫米；②進入圖形面板運用“矩形”工具在頂視圖中繪制一個矩形，隨后在修改面板中設置邊長為43 mm*43 mm；③在修改器中將其轉換為可編輯樣條線；④選擇“可編輯樣條線”下“頂點”，用移動工具選中四個頂點，在“圓角”中設置6 mm；⑤在修改器列表中選擇擠出，并設置“數量”為19 mm（圖9）。

課題B：在長方體上開一個半徑為8 mm的孔及兩個寬度為15 mm的兩長方體槽口。學生認領課題上臺演示。后全體學生按教材提示或者教師機大屏幕動畫操作演示構建（提示在F盤下“3D操作演示”中有視頻）。

①選擇頂視圖，在標準基本體中構建繪制半徑為8 mm的圓柱，高度大于19 mm即可，邊數設置60，調整位置使其“貫穿”長方體（圖10）。

②在頂視圖中按前面圓角矩形之繪制辦法，繪制30 mm*

15 mm*15 mm的長方體一個，克隆復制一個并在z軸旋轉90°（建議打開角度捕捉切換并設置角度為90）。

學生操作后，提問：有無更簡單的辦法？（簡便方法：克隆兩個大圓角長方體，分別在x軸方向及y軸方向縮小至35。）

③將上述圓柱、兩小圓角長方體移動到相應位置后，選中當前物體為最大的圓角長方體，點復合對象中的超級布爾運算proboolean，在大圓角長方體上減去兩小長方體及圓柱。

課題C：在長方體側面進行超級布爾運算。觀察模型側面需如何操作？二維圖形的截面該怎樣繪制？教師提示操作方法及要點后，學生按教材提示或者F盤預發演示微視頻進行操作。

側面二維圖形繪制教程：①在頂視圖中，選圖形面板下運用“弧形”“直線”等工具繪制圖11所示平面圖形；②選擇修改面板下樣條線選項，當前選擇弧形，附加另一部分線段；③選擇相關頂點進行熔接或者焊接；④在修改器列表中擠出，數量為13 mm，然后超級布爾（圖12）。

3）車削制作柱形構件。

課題D：制作柱型塑料構件（圖13）。比賽規則：兩個構件最快全部完成或者完成率最高的小組每人加3分（注：以上傳教師機文件數計算，可以相互協助完成）。①切換到前視圖在圖形面板運用線工具繪制圖14；②相關頂點選中后右鍵菜單設置“平滑”，在修改器列表中選擇車削，并選擇焊接內核及對齊方式為最小，分段60；③當遇到一些頂點處還不夠平滑，可進入修改器，選中頂點進行圓角處理。

課題E：如何確定柱形構件的高度及半徑？

4）觀看3D打印錄像片段，了解3D打印機工作過程（圖15）。看了3D打印機的工作過程，你有什么感想？

5）組裝解決實際問題，小結本課教學內容。

①動畫演示組裝方法后請學生上臺實際操作，更換沙灘椅構件（圖16）。

②小結：“問題解決了，我們的課也將結束了，今天課堂上我們運用已學知識構建了3D塑料構件，維修好了沙灘椅，問題的解決經歷了分析觀察、測量數據、模型構建、3D打印、組裝調試等環節。美國航天局繼2014年后今年又給空間站送去一臺大小翻倍的升級版3D打印機，3D打印正在改變了我們的生活，回去思考一下3D打印還能幫我們做什么？你想讓它協助我們解決什么問題？”

板書設計見圖17。

參考文獻

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