初中信息技术3D打印课程的探索与实践

初中信息技术3D打印课程的探索与实践摘要：在深化教育改革、提倡创新的大背景下，3d打印这门新兴学科已经开始进入中学课堂。面对这样一门全新的课程，课程设计还处于探索阶段。文章介绍了什么是3d打印，探讨了3d打印课程对创新能力培养的积极意义，列举了3d打印技术走进课堂出现的一些问题，结合实践从软硬件问题以及课程设计理念进行了初步探讨，为进一步建设3d打印课程、提高教学效率、普及创新教育抛砖引玉，提供有力的前期研究支持。关键词：3d打印；课程设计；教学实践中图分类号：G434文献标志码：B文章编号：1673-8454（2016）11-0085-033D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础、运用粉末状金属或塑料等可粘合材料、通过逐层打印的方式来构造物体的技术。[1]目前3d打印技术在工业、艺术、医疗、食品、建筑等各个领域都已经有所应用。尽管这种技术还不够成熟，其类似于喷墨打印机的原理限制了材质、成本和速度导致不能大批量生产，也不能直接用于数字时代的工业生产。[2]但不得不说，3d打印的普及为普通人无边的创造力和想象力插上了一对有力的翅膀，3d打印让想象变成现实。一、创客引领潮流，走进创想校园2014年6月9日，习近平主席指出，我国科技发展的方向就是创新、创新、再创新，创新的事业呼唤创新的人才。[3]创客教育应运而生。而李克强总理访问过深圳创客空间之后，创客开始“火”了，随着创客教育的兴起，3d打印也开始在教育界打开一片天地。[4]日前，在南通市，已经有20多所中小学拥有3d打印机，3d打印校本课程也随之开设。我校自2015年2月起开设了3d打印社团，是市区开设3d打印课程最早的学校之一，现有社团成员55人，我校是一所以创想为主旨的学校，有着“创想无界，心筑未来”的教育哲学和“办一所人人具有好奇心、个个具有创造力的创想学校”的愿景。在学校领导的大力支持下，3d打印走进了我们的校园，创客教育也随同刚刚成长起来的学校一起萌芽和发展起来了。二、三维初探未知，构建课程低模笔者之前从未接触过这个带着“高科技”光环的机器，接手这个任务时是跃跃欲试的，不过一门课程从无到有，问题还是接踵而来。（一）维度x：软件问题1.设计软件要开设这门课程，首先得进行设计软件的选择，3d软件如今非常多，笔者接触过的有3dsmax、maya、Rhino，还有一款2.5d可进行3d建模的zbrush。但这些软件对初中学生来说，界面稍显复杂，而且除了Rhino外对硬件的要求也较高，学校机房的机器若想流畅完成一次创作较为困难。在和同事交流后我们了解到sketchup这款软件，这款中文名为“草图大师”的软件确实是一个很棒的3d小软件，对机器的运行要求不高，界面直观入门简单，深入学习的话功能也十分强大，很适合用来进行中小学的3d入门教学。2.转换软件转换软件就用了通用的cura，但由于对设置的不熟悉，笔者犯过两次设置上的错误。第一次是机器选择不对，导致温度升高后只吐丝不打印；第二次是耗材直径设置错误导致打印成品“骨质疏松”。在多次排查调整后，问题终于都解决了。Sketchup配合cura已经能完美完成3d打印整个过程。经过两个学期的实践，在此总结一下cura设置的注意点：①机器型号必须匹配，如学校的dfrobot机器使用的就是Ultimakeroriginal，而且是没有加热平台只能打印pal耗材的机器；②耗材和喷嘴设置也必须符合实际情况；③注意打印悬空模型时对支撑类型的设定，这个设定关系到是否能成功打印模型以及打印好之后是否能比较轻松去除支撑。其余的设定如打印速度填充密度等的改动对成功率影响都不大，可根据需要和实际打印效果进行调整。（二）维度y：硬件问题在进行了半个学期的教学后，笔者发现打印的作品歪了，自此失败作品接连不断，找不到原因，只得请销售公司专业技术人员来，检查发现是x、y电机驱动模块损坏，导致方向控制出错，打印歪斜。换过新的驱动模块后打印正常了。在这期间，笔者对打印机的调平水平也从菜鸟的自动调平渐渐转向了较为熟练的手动调平。（三）维度z：课程问题课程设计是3d打印社团开设的重点内容，进行这个全新的课程之前应该明确三个问题――教什么、怎么教、教到什么程度。1.教什么首先我们要教的肯定是三维建模，只有会了三维建模，学生才有创造的可能性。其次要教的是转换和打印输出，这是一个从虚拟到现实的过程，没有打印的过程的3d打印课我们只能称之为3d设计课。最后要教的还有创新思维，让学生学会自主思考创新，这是我们创客教育的最终目标。2.怎么教对于一门新课程，在教授学生知识之前，教师也需要进行学习。在网络上，笔者学习了“我要自学网”中草图大师的视频，当然笔者并不准备就这样直接将网上学习的内容照搬给学生。“我要自学网”是针对已经具有一定的自学能力的学员而设定的课程，而初中学生正处于初步培养自学能力的时期，需要有更加符合学生年龄阶段的教学任务来驱动。同时，在为期一年的时间内，笔者需要让软件设计中的一些常用功能在课程中得以呈现。在参考了3d打印方面前辈的课程设计后，笔者初步设计了如下教学任务：（1）初识3d打印――3d打印课程介绍；（2）纸盒子里的秘密――纸盒制作；（3）我的小屋――房子制作及打印设置；（4）万丈高楼平地起――建筑创意设计；（5）神奇的齿轮――复制旋转；（6）千变万化的齿轮――齿轮创意饰品设计；（7）漂亮花瓶――路径的应用；（8）桌上静物创意设计；（9）一览众山小――等高线、沙盒学习；（10）可爱的小动物们――曲面的应用；（11）室内装修设计师――综合创意设计；（12）组合拼图制作――卡槽配对；（13）创意灯制作――电子应用；（14）三球仪制作――传动体验。其中“纸盒子里的秘密”、“漂亮花瓶”等属于技能课，每节课教学设计基本遵循以下流程（见图1）：“建筑创意设计”、“桌上静物创意设计”等属于创想课，课程教学流程如图2所示：“组合拼图”、“创意灯”、“三球仪”等课程是下半学期的提高课程，结合简单物理知识进行3d设计的拓展，每个主题分三次课即6个课时进行。流程安排如图3所示：3.教到什么程度“教到什么程度”，笔者认为，并不是指他们的技能掌握到了什么程度，而是他们能够学以致用到什么程度、能够自主学习的程度以及创新的程度。这门课的目的是培养有创造力的人才，提高学生的STEM素养。因此，在保证基本知识技能的基础上，更需要注意的是他们创造力和实践能力的培养。因此给他们确定了如下目标：（1）在学以致用上，学生需要达到将自己想的东西在电脑上大致描绘出来即可，但需要逐步养成精确度量意识；（2）在自学能力上，学生需要了解自学的多种方法，并能主动通过同学交流和利用网络搜索解决问题；（3）在创新能力上，学生的作品要不局限于教师的范例所示，具有自己的想法即可，若有更具创意的想法则更棒！基于这样的理念和目标，笔者展开了为期1年的3d打印教学工作。三、思维转换格式，传输创想灵感3d打印课程有着它的优势，那就是学生对其有着浓厚的兴趣，而且又没有人真正接触过，兴趣加上知识上的空白，让他们的学习犹如海绵吸水一般。他们从一窍不通到能熟练地在校内外数百人面前进行创作也不过就短短的不到两个学期的时间而已。他们的作品从模仿到自主创作，建筑、花瓶、动物、装修、拼图等等都展现了他们思维的火花。上课过程是学生学习的过程，也是学生灵感展现的过程，社团在创想这块有着很多有趣的小故事，比如小远的怪兽、昊昊的蜘蛛、小凌的悠悠球、子涵的伞陀螺、潼潼的未来小屋……每一个都有属于学生自己的故事和秘密。3d打印社团是个充满故事的社团，也是个快乐的社团。在快乐中创作，在创作中感受快乐，3d打印真正走进了学生的心里。四、实践探索真知，打印3D梦想尽管学生在学习过程中也出现了不少不错的作品，但这个课程还是不成熟的，不足之处尚有很多，笔者也在不断反思和探索。（1）各种软硬件屡次出现问题导致课程一度只能进行设计不能打印，缺少了虚拟转变为现实的关键一环。这一年也是任课教师学习的过程，到现在，笔者已能自主解决基本软硬件问题。（2）课程进度较快，由于不确定这一批社团学生具体需要带几年，最初设定的目标是1年，所以课程进度有点赶。知识点过于紧凑让一部分接受能力较弱的学生在基础技能上有所落后，学习不够扎实。（3）打印各个部分进行组合有点偏难，学生对于连接部分大小设置不太精确，这部分内容可以根据学生水平进行一定的调整。（4）部分学生的设计作品比较难以实现完美打印，在今后的教学中，对于打印作品的结构要求需要进行比较系统的整理。（5）方向不是太明确，没有明确的评价标准。笔者觉得，3d打印可以有三个发展方向：一是3d设计方面，二是生产辅助方面，三是模型制作方面。前者是艺术创造，将设计的东西打印出来；第二个是辅助工具，比如要做一辆小车，主要部件都好了，就缺一个壳子，于是打一个壳子；后者则是，比如有一个发明创造，但不知道这样设计是否可行，于是打一个小模型模拟试验一下。这三个方向的评价标准自然是不同的。在这个课程设计的时候，笔者摇摆不定，如小灯有向第二种发展的趋势，而三球仪则偏于第三种，但经过实践看来，初级阶段还是以艺术创造为主要方向更好，这样能够让学生对于三维设计的结构有更明确的认识。学生在成长，教师在成长，3d打印课程也在成长。3d打印课程是一门既能与高科技接轨，又能培养学生创新思维能力的新型课程，它没有明确的课程标准，但却是我们在深化教育改革大背景下培养创新人才的有效手段。[5]随着教学研究的深入和教育界同行的共同交流，相信这门课程也将不断地完善起来。参考文献：[1]3D打印[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/4117826.htm.[2]古丽萍.蓄势待发的3D打印机及其发展[J].数码印刷，2011（10）.[3]习近平.我国科技发展的方向就是创新创新再创新[J].中国科技产业，2014（6）.[4]创客[EB/OL].http：//baike.baidu.com/subview/371405/11140298.htm.[5]王正玉.小学3D打印课程的设计与开发研究[D].上海师范大学，2014.（编辑：王天鹏）