初中階段系統化3D打印課程：從設計到成品

吳瀾+++鞏媛麗

目前關于如何開展3D打印課程的建議和方案很多，但缺少一個綜合的3D打印課程體系以更好地幫助學生運用3D打印技術將設計想法變成現實成品。為此，Abbie Brown提出3D打印課程的層次觀以指導開發一個系統化的3D打印課程。

3D打印課程層次觀的概述與啟示

1. 3D打印課程的層次觀

Abbie Brown在一年的時間內基于25個打印測試活動以及一系列的文獻研究和個人訪談，提出3D打印課程的層次觀，如圖1所示。

（1）打印測試

該活動包括正確安裝3D打印材料、操作打印機、將3D打印源文件轉化成切片文件、觀察打印效果等。

（2）設計嘗試

學習者根據問題需求自主設計一個3D模型并將其打印出來。可以從零開始設計一個新的3D模型，也可以修改現有的3D模型以符合問題需求。

（3）工程考驗

應對實際工業生產或制造工藝中的工程需求設計產品，以解決真實問題。

2. 3D打印課程層次觀的啟示

（1）3D打印的初次體驗過程對學生學習3D打印技術的重要性

在大多數的3D打印課堂中，為了節省時間，常常是由學生設計作品，老師幫助打印。學生有時候都沒有機會觸摸到3D打印機，缺少這一項體驗會削弱學生們使用3D打印技術進行創作的積極性，同時不利于自主探究和動手實踐能力的提升。學生自主將3D建模源文件打印成三維現實物體的學習過程，能夠激發學生進一步學習3D技術的興趣，還能培養問題解決的能力和觀察判斷能力，促進后續的學習與創作。

（2）3D打印課程內容的設計要著眼于3D打印的全過程

3D打印技術包括的內容很多，如3D打印機的操作、3D打印材料、3D建模軟件、切片軟件等，還有很多內容是需要不斷實踐才能學到的。利用3D打印技術進行創作常常是一個迭代循環的過程：分析-設計-建模-打印-改進與完善。目前，很多的3D打印教材和課程都是以3D建模軟件的操作為核心，導致很多教師在課堂中只教授3D建模軟件。很多學生甚至都不會操作3D打印機，這直接影響到學生設計的作品和打印模型的效果。

立體化初中3D打印課程設計

在Abbie Brown層次觀的指導下，筆者根據自己的教學實踐經驗，基于國內外理論研究，探尋一種立體化初中3D打印課程開發模式。如圖2所示，立體化初中3D打印課程開發模式的縱向由四個活動構成，每個活動集合完成過渡到下一個活動集合，過程重復，但課程內容層層遞進，學生完成每個活動集合后習得的知識與技能為后續階段奠定基礎。

圖2 初中3D打印課程開發模式

1. 縱向——四個活動

（1）實踐體驗

鑒于大多數學生沒有參與3D打印全過程，在此環節中提供一些動手活動和問題讓學生在實踐中觀察、學習和反思。該活動為不太熟悉3D打印過程的學習者提供了一個參與式學習體驗活動，幫助學生了解3D打印相關的軟硬件知識。

（2）模仿設計

該環節以介紹3D建模軟件中基本功能為主，由教師操作演示。學生模仿練習為主，快速地讓學生熟悉3D建模軟件中常用的工具和命令。

（3）問題解決

問題分為良構問題和劣構問題。一個良構問題只有一個滿意的解決方案。而劣構問題則相反，往往會有多種解決方案。該環節中的問題屬于良構問題，因此該環節中解決問題只需要學生利用上一環節中所學的3D建模軟件中的工具和命令建構既定的3D模型，起到復習回憶新知識和促進知識遷移的作用。

（4）生活應用

引導學生利用所學的知識和技能解決生活中的問題，該環節中問題是劣構的，有很多不可知地方需要學生花費大量的時間和精力，需要制定不同的問題解決方案以找到最佳解決辦法。

如圖3所示，首先教師設計一個真實的問題情境，引導學生確定研究問題，生成研究方案。然后，學生根據問題利用3D建模軟件將創意變成模型，接著將模型打印出來。最后，需要反復測試與修改，保證打印出來的產品能夠用到生活中真正解決實際問題。該環節旨在讓學生經歷一個完整的科學研究過程，親身體驗如何利用3D打印技術解決實際問題。

圖3 生活應用環節的研究過程

2. 橫向——學科知識融合

可以參考美國馬里蘭大學赫希巴奇（Herschbach，2011） 針對STEM 教育整合的課程設計提出的一種課程模式——相關課程模式，該模式指將各科目仍保留為獨立學科，但各科目教學內容的安排注重彼此間的聯系。例如，在初中物理課上學到電路工作原理的知識點時，可以在學生上完這節課后，在3D打印課程中制作小夜燈。學生既可以復習物理課上學到的電路工作原理和各種電路元件特性，又能夠利用所掌握的3D打印技術去設計和打印小夜燈的外殼。通過親手設計和制作小夜燈，不僅帶給學生無限的成就感，激發后續學習動力，而且幫助學生理解物理書本上的理論知識，對考試分數和動手能力的提升都有積極的促進作用。

案例：《3D創意建模之小小建筑設計師》

1. 教學對象

教學對象為初一年級學生，他們已經學習了Solidworks軟件的基本特征命令，包括凸臺拉伸和旋轉特征命令，并能夠熟練地繪制草圖，使用陣列和鏡向功能輔助草圖繪制，使用特殊命令進行3D建模。

2. 教學目標

知識與技能：通過體驗3D打印建筑模型的實踐經驗總結3D打印機的打印要求；通過模仿繪制3D建筑模型熟練掌握草圖繪制的常用命令以及基本特征命令。

過程與方法：通過自主設計建筑模型熟悉3D設計打印的一般流程。

情感、態度與價值觀：通過自主設計建筑模型獲得的成就感，體驗3D建模和打印的樂趣，激發自主創作的積極性。

3. 教學過程

（1）實踐體驗（可放在課外進行）

教師：提供一個3D模型源文件——艾菲爾鐵塔模型，要求學生將3D 模型源文件轉換成不同大小的切片文件進行打印，并觀察打印效果，思考問題，探究原因。

學生：根據教師要求將3D 模型源文件轉換成不同大小的切片文件進行打印，并在打印過程中觀察不同尺寸大小的打印效果有何區別；思考艾菲爾鐵塔模型頂部造型很難打印成功的原因，并提出解決辦法。

教師：引導學生總結3D打印要求——設置打印模型的高度和寬度不能超過3D打印機的打印范圍，在使用切片軟件轉換時思考自己的3D模型是否需要設置打印支架。

（2）模仿設計

教師：上機演示利用Solidworks軟件設計一個對稱建筑模型（以土耳其圣索菲亞教堂模型為例），反復使用3D建模軟件的兩個特征命令：凸臺拉伸和旋轉。

學生：仔細觀看并模仿操作，強化兩個特征命令的操作方法。

注意：在這個活動中教師在繪制草圖和使用特征命令時需融入一些數學知識，比如點-線-面-體的關系、軸對稱圖形、圖形旋轉的三要素。

以下是學生作品展示：

（3）問題解決

教師：展示一張古風亭子的圖片，并提出問題“歷史老師想要請同學們幫忙為這幅二維效果的古風亭子設計出三維模型，并打印出來作為實物教具帶到課堂上”。

學生：使用3D建模軟件根據圖片設計模型并打印出來。

教師：提出問題“如何更改參數讓亭子看起來更逼真？”

注意：本環節旨在促進學生鞏固在前面環節中習得的3D建模軟件特征命令（凸臺拉伸和旋轉），并復習之前活動集里學習的草圖繪制的一些技巧，比如圓周陣列和建立基準面。

以下是學生作品展示：

（4）生活應用

教師：提出問題“校史展覽室需要旋轉學校建筑的微模型中的致遠樓有些破損，能否幫助老師設計致遠樓的3D模型并打印出來一個進行替換？”

學生：進行問題分析，制定方案，3D建模，3D打印，測試與反復修改。

注意：在設計3D模型前，需要綜合使用多門學科知識，如要研究學校樓房的結構，繪制草圖，尺寸比例測量等等。教師可以提供相應的網絡資源、網絡平臺和測量工具幫助學生進行探究，學生也可以去求助其他學科老師解決問題。

以下是學生作品展示：

4. 教學反思

通過循序漸進，由易到難，由模仿到自主創作的的過程，可以讓學生一直都能信心十足地完成所有3D建模作品。每個活動的完成讓學生更加熟練3D建模軟件的使用，為后續活動奠定技術基礎。通過打印自主設計的作品，更給學生帶來了滿滿的成就感，激發他們繼續學習的興趣。從身邊尋找實際問題，結合3D打印技術解決問題，同時能夠綜合利用各種學科知識，讓學生真正做到學以致用，教會他們的不僅僅是技術，更是一種解決實際問題的方法和理念。