3D建模與打印：3D打印課程的三階段

徐艷莉

3D打印又稱為快速成型技術，是指在數字化模型文件的基礎上，利用粉末狀的金屬或塑料等可粘合的材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。學校引入3D打印課程，是希望學生通過深度體驗和參與設計制作過程，更好地發展其綜合能力。

目前，3D打印課程在國內中小學校還處于嘗試和探索階段。已經引入3D打印的學校，其相關課程也多以課外興趣小組、社團等方式開展，教學和實踐時間不足，師資力量和硬件設施參差不齊，還沒有完全發揮 3D 打印的功能與價值，尤其是設計成熟并適合高中學生的教材與課程極度缺乏。

2016年9月，學校為培養學生的創新、創課思維和綜合實踐能力，豐富學校原有的信息技術課程體系，開設了《3D建模與打印》校本選修課程。課程開設一年來，兩個學期的教學內容、教學方式等均存在很大差異。筆者將2016年秋季學期，也就是開設《3D建模與打印》課程的第一個學期稱為“嘗試期”，即3D打印教學的第一階段；2017年春季學期稱為“調整期”，即3D打印教學的第二階段；2017年秋季學期及以后則稱為“升華期”，即3D打印教學的第三階段。本文將圍繞三個階段的實踐探索和教學反思來進行分享。

嘗試期的三個誤區

這一階段的模型主要是結合日常生活中現有物體進行模仿設計。筆者設計了四個綜合項目，分別是萬圣節墻貼、花瓶、萬圣節南瓜燈、馬克杯。剛開始，學生對這個主題非常感興趣，但后來覺得“萬圣節墻貼”沒有實用價值，而南瓜燈模型因為操作較為復雜，于是中途放棄。花瓶和馬克杯的模型雖然操作起來相對容易，但是學生作品幾乎一樣，缺乏個性化的表達。

經過教學反思，筆者發現自己陷入了三個誤區：過于注重軟件操作的講解，將3D打印課程上成了軟件操作課；忽略了設計模型的實用性；忽略了學生創新能力的培養。

調整期的課程優化策略

發現問題后，筆者及時進行了調整。筆者購置了一批簡易的電路裝置和傳感器，為學生設計多功能的模型提供支持。這一階段與第一階段相比，課程設置及實施方面，進行了四個方面的優化。

一是優化教學內容。將“萬圣節墻貼”修改為“鑰匙掛飾”，它們所用的建模技巧相同，但后者實用性更強；“花瓶”和“馬克杯”模型修改為課堂模仿學習的內容，幫助學生學習建模技巧，學生在此基礎上設計“筆筒”；“萬圣節南瓜燈”修改為“小臺燈”，不對學生作統一要求，作為期末作品的推薦主題之一，供學生自由選擇（如下表）。

與第一階段的綜合項目相比，第二階段的綜合項目設計主題更貼近學生生活實際，更具實用性，內容安排更符合學生學習規律，循序漸進，更有利于培養學生的創造性思維，提高學生的創新能力和動手能力。在鑰匙掛飾、手機支架、筆筒、小黃人、汽車等五個綜合項目中，前四個是靜態的整體模型，第五個則是可活動的拼裝模型，綜合性更強，更復雜也更具有挑戰性，同時實現了多學科知識的融合。

在設計汽車模型時，學生需要查閱資料，了解汽車外觀與功能的關系才能設計出滿足要求的汽車模型。從學生作品來看，模型設計更加多樣化和個性化。

二是優化教學方法。注重“一題多解”，培養學生的發散思維和創造性思維。由桌子模型“基本體的拼裝組合”和“在二維草圖基礎上拉伸”這兩種方法引出三維建模的兩種思路，培養學生的設計思維；由花瓶的放樣和旋轉兩種做法，引導學生更加細致地觀察生活中的物體，發現它們的結構特點，從而根據特點選擇合適的建模方法；由挖空花瓶的幾種方法將抽殼、切割體、合并、相減等工具的用法融匯在一起，開拓思路，發散思維，讓學生設計模型時更加靈活。

為了提高學生的學習興趣，筆者采用了多樣化的教學方式。第一階段，學生在學期結束時反映3D打印的理論部分比較枯燥。因此，筆者將“3D打印與傳統工藝的比較”這一部分作為辯論課，請學生就“3D打印能否取代傳統工藝”展開激烈辯論；將“3D打印的應用領域”這一部分設計成展示課，學生以小組為單位搜集整理3D打印的應用領域，并在講臺上進行集中展示與分享。辯論課和展示課的課堂氣氛非常活躍，學生都積極參與到課堂活動中，增進了師生交流和生生交流，也提高了學生們的學習興趣。

在操作部分，根據不同的教學內容，筆者也采用了不同的教學方式。如設計手機支架時，由生活中的問題引入，引導學生運用所學知識，通過自主探究和小組合作設計手機支架從而解決問題；設計小黃人模型時，要求學生利用老師提供的課件進行自學從而完成模型設計等。通過問題探究和自主學習，提高了學生分析問題和解決問題的能力、合作能力、自學能力以及創新能力等。

三是優化師生交流方式。豐富的教學內容，靈活的教學方法，增進了師生交流，讓師生關系更加融洽。除此之外，筆者還開通了課程微博，用來展示學生作品和拓展學習內容，搭建師生課下學習交流平臺，讓師生互動從課上延續到線上。

四是優化作品展示方式。第一階段的作品展示方式主要為課堂展示及校園展示兩種。有了課程微博之后，微博也成了作品展示的平臺。課程微博上的作品展示增加了作品的曝光率，也讓好的作品接受到更多的贊美、有瑕疵的作品得到更多的建議，從而提高學生的成就感，激勵學生設計出更好的作品。

這一階段改善了學生的課堂體驗，增進了師生交流，但對學生工程思維和設計思維的培養依然不夠，購置的簡易電路和傳感器使用較少，可拼裝的模型和可活動的模型設計部分應該進一步強化。

升華期的設想

通過對第二階段的總結反思，筆者計劃在第三階段增強體驗性、增進師生交流，增加課程的時代感。為此，筆者在課程設計中增設了智能模塊，引導學生嘗試智能化設計。具體來說，筆者對第三階段的課程實施有以下設想：

加強主題探究活動。在不同的節日開展不同的主題學習活動，如母親節設計梳子，兒童節設計動漫形象，利用節日內涵，傳遞感恩等思想，將德育教育引入課堂教學之中。

加強課程內容的綜合性。第三階段的學習內容綜合性將更強，體現多學科的深度融合。如設計橋梁模型，探究橋梁結構與承重的關系等；設計飛機模型，探究機身形狀與空氣阻力的關系等等。

提高解決實際問題的能力。引導學生從生活中發現問題并提出問題，從而設計模型解決問題，如設計可放置在自行車上的手機支架等。

設計模型更加智能化。加強與《智能機器人》選修課的聯系，設計智能機器人。

總之，第三階段是前兩個階段的升華，要讓學生更好地感受三維設計的美觀、嚴謹和獨特的魅力，更好地培養學生的工程思維和創新思維，進一步開發學生的智力和潛能。

（責任編輯 徐世兵）endprint