3D打印在中小學信息技術課堂的應用研究＊

楊 云，趙 艷，程 美

3D打印（3D P rinting）技術起源于美國，始于19世紀末形成的照相雕塑和地貌形成技術[1]，是一種快速成型技術。它以數字模型為依托，運用A B S（丙烯腈）塑料、P L A（聚乳酸）塑料或金屬等材料進行“逐層打印”，構造立體模型。3D打印在中小學基礎教育領域已受到廣泛關注，特別是在信息技術課堂——一個通過實踐操作來培養學生創新能力的課堂。筆者采用課堂演示操作練習的方法，使用3D O ne軟件，以今年生肖“狗年”為背景，讓學生在信息技術課堂開放式設計一個學習中常用的筆筒——“個性化狗年紀念筆筒”。教師通過課前準備教學案例，課中教授學生3D模型設計，引導學生設計各種圖案的筆筒，使每個學生都參與到其中。3D模型完成后，教師與學生進行作品分享與交流，以探索3D打印在信息技術課堂中更為有效的教學方法，從而使學生激發學習興趣，增強實踐操作能力，高效率利用課堂時間。

一、3D打印的應用背景及3D建模軟件的應用

（一）3D打印的應用背景

3D打印技術已在眾多領域得到了廣泛應用[1]。在航空航天領域，俄羅斯于2016年將首個由3D打印出的立方體衛星送入國際空間站；在生物醫療領域，美國于2016年制造出一臺可以直接將打印出來的人類器官、組織、骨骼植入人體的3D打印機；在建筑領域，迪拜于2016年制造出世界上首棟3D打印的建筑。在基礎教育領域，英國于2012年通過3D打印技術創新新型學習模式，讓師生的學習過程伴隨著制作和分享[2]；張晶[3]等人于2015年提出了3D打印在中小學數學教學上要堅持以學生為中心，并且應用時要突出挑戰的學習環節；李柯影[4]等人于2015年以英國中小學課堂3D打印技術項目為例，為探索國內3D打印在基礎教育領域的應用提供了經驗；鄭賢[5]于2016年通過3D O ne軟件創設課堂模擬情景，設計了教學案例與實踐以激發學生學習興趣；丁焱[6]于2018年將3D打印技術在中小學各學科中進行整合，并列舉了在數學、語文、音樂等學科上的整合運用案例。3D打印已應用于眾多領域中，在基礎教育領域的運用國內外已有了很多研究，但研究的深度有待進一步挖掘。本文就3D打印在中小學信息技術課堂的有效教學方法進行研究和探索。

（二）3D建模軟件的應用

3D建模軟件有很多種，如Sketchu p、IM E3D程序員、Autodes k 123D Design、3DO ne等，本文以3D O ne為例進行教學案例設計。

3D O ne是由廣州中望公司專門為中小學而開發的3D建模軟件[7]，于2015年發布第一個3D O ne版本，現已不斷更新、新增版本，有基本的3D O ne（教育版、家庭版）、進階的3DOne Plus、3DOne Cut等，能夠滿足中小學各個年齡段的教師與學生使用。該軟件界面比較直觀，便于操作，也融入了各個學科的一些操作，如數學學科中的各種立體、線性模型的構建，美術學科中草圖的修剪、繪制等，同時在繪制模型時候也運用了簡單的數學運算，以保證立體模型各個位置的精準性。信息技術教師在課堂上教授學生使用該軟件，設定一個學習場景，導入一些生活中常用的模型（如筆筒模型）或與其他學科相關的模型（如生物細胞模型），能使課堂更加個性化、趣味化，加強學科之間的關聯性。在設計3D立體模型的時候，也能夠探究更多未知的部分，如生物微生物、細胞等，這樣學生的學習興趣和創新能力都能提高。

二、3D打印“個性化筆筒”教學設計流程

愛因斯坦曾說過：“在科學上，每一條道路都應該走一走。發現一條走不通的道路，就是對于科學的一大貢獻。”這也意味著，信息技術教師在教授學生3D建模時候，要引導學生創意性地去設計自己“所想”的模型，通往更多從未嘗試的“道路”。信息技術教師通過導入“開放性的3D立體模型”案例，教授學生學會使用3D設計軟件的功能，引導學生用不同的方式完成同樣類型的3D立體模型作品。

圖1 基于3D打印的“個性化筆筒”教學設計流程

信息技術教師要在課前選擇一個趣味性的“立體化設計主題”。筆者以今年的生肖——狗年為背景，制作學習文具筆筒。“個性化狗年紀念筆筒”由兩部分組成，即狗年卡通圖案和筆筒的組合。狗年卡通圖案可從網絡上下載，筆筒的設計方式有多種，設計前要考慮“所想的模型”由幾個部件組成，使用哪些命令能夠完成“所想的模型”設計。在繪制“個性化狗年紀念筆筒”前，應先設計好草圖，規劃好筆筒的各個層次、各個部件，利用簡單的數學運算對筆筒各個層次的高度進行求和，計算好筆筒的各個部件疊加后的高度，以保證草圖設計的精準性；草圖繪制完成后，將紙上的想法在軟件中實現，在3D O ne軟件中，分別設計各個部件，使用軟件中的命令將草圖建模成立體模型；當繪制完模型后，信息技術教師要對學生的作品進行點評，學生與學生之間互評，以完善模型；最后將最終的作品分享到3D O ne社區，與網絡上3D O ne學習者共同交流探討。

三、3D打印“個性化筆筒”教學案例實施

在熟悉3D打印在中小學信息技術課堂的設計流程后，將上述的設計流程具體化。模型由所應用3D O ne軟件中的具體命令如表1所示。

表1 “個性化狗年紀念筆筒”命令組成

（一）狗年卡通圖案的設計

1.網絡搜索下載圖片。在網絡上搜索喜愛的“狗年卡通圖案”，并將圖片保存到本地，所選取的圖案要求線條清晰，以保證導入3D O ne時便于處理。

2.曲線連通性檢查。將網上下載的“狗年卡通圖案”導入到3D O ne工作區，并檢查“曲線的連通性”。網絡上下載的圖片一般不能直接使用，需通過3D O ne軟件處理后，才可設計成“立體圖案”。

3.處理圖案曲線不封閉的地方。圖片所需處理的地方就是經“曲線連通性”檢查后，出現的“紅色空心矩形框”所圈起的部分，如圖2a所示，可使用“修剪”“線段”“曲線”等命令處理。當圖片上的“紅色空心矩形框”全部消失時，點擊確定按鈕，便形成了一個封閉曲線的圖案。要巧用3D O ne的一些快捷命令，Ctrl+W可將要處理的“紅色空心矩形框”局部最大化顯示，更便于對圖形進行修改。

4.曲線經拉伸后形成立體模型。將處理好的封閉的“狗年卡通圖案”進行拉伸，長度為4mm，即可形成立體的狗年卡通圖案模型，如圖2b所示。

圖2 狗年卡通圖案設計模型

（二）筆筒的設計

筆筒的設計可簡可繁，本文選用圓柱體與扭曲后的圓柱體交叉的方式設計，以保證筆筒的實用性。具體的設計步驟如下：

為筆筒繪制底座，選用基本實體（圓柱體）命令，繪制2個圓柱體，圓心分別為（0,0,0）（0,0,5）；半徑分別為 30mm、2.5mm；高度分別為5mm、100mm；基本編輯（線性陣列），在筆筒底盤的圓柱體上繪制距離為25mm的圓柱體，如圖3-a所示；基本編輯（圓形陣列），方向為筆筒底座，數量為15；特殊功能（扭曲），扭曲角度為100度；移動（動態移動）距離為25mm，要保證筆筒底座中間的“圓柱體”與“扭曲后的圓柱體”的位置重合；基本編輯（圓形陣列），將扭曲后的圓柱體設定為數量15，如圖3-b所示；為筆筒添加一個筒蓋，選用基本編輯（線性陣列），距離設定為105mm；將筆筒的筒蓋置空，并進行圓角處理，先選用基本實體（圓柱體）命令，圓心設為（0,0,110），半徑為 22mm，高度為 50mm，使用基本編輯（動態移動）命令將此圓柱體沿Z軸移動，使其穿過筆筒筒蓋，再使用組合編輯（減運算）將筒蓋置空，最后選用特征造型（圓角）命令處理筒蓋；“材料渲染”命令可將筆筒設置為想要的顏色。最后將狗年卡通圖案與筆筒結合，即完成了“個性化狗年紀念筆筒”的制作，如圖3-c所示。

以上每一個操作完成后，均需點擊“√”確定按鈕，方可完成立體圖形的繪制。

圖3 筆筒設計模型

在介紹了3D打印在國內外的應用背景和設計教學案例時所選用的3D O ne建模軟件；設計了信息技術教師從對3D打印課主題的選擇、需求說明、3D立體模型部件的組成、草圖的繪制、軟件中建模、制作完成后師生互評，到最后將作品分享到網絡社區互相學習這一教學設計流程基礎上，用課堂演示操作練習的方法將“個性化狗年紀念筆筒”教學案例實施到信息技術課堂中。信息技術教師通過導入有趣的3D打印教學主題，讓學生發現身邊感興趣的“模型”——生活中或其他學科的模型，使學生能夠獨立設計“所想模型”，培養學生的創新意識，激發他們的學習興趣，充實課堂教學內容，為探索3D打印在中小學信息技術課堂的教學提供參考。