中小学3D打印实验室建设方案8页

.1.中小学3D打印实验室/教室建设方案1.引言3D打印技术正逐步改变人们的生活方式，正如二十多年前出现的计算机技术和互联网技术一样。3D打印技术也将会以一种更直接、更有效、更经济、更绿色、更智能的方式，逐步推动各行业的发展。甚至有人预言，3D打印技术将成为第三次工业革命的核心技术。现在的青少年科技教育应着眼20年后是怎样的世界，那时的他们将进入事业巅峰，如何引导现在的青少年成为20年后的科技人才，是值得教育者思考的。在我校开设3D打印课程，让学生们了解和掌握3D打印技术，不仅有益于训练学生们的创新思维、科学思维，培养学生们的科学素养，学习使用现代科学技术独立地解决问题。全国各地的中小学校和校外培训机构已经开始探索如何将3D打印引入到校本课程和社团活动中，探索如何开展3D打印教学等。甚至很多中小学教育者产生紧迫感，而且师资、教学设备、经费等方面也都存在着问题。杭州乐伴科技有限公司的主要创始人都是浙江工业大学从事科研和教学的教师，拥有机器人学博士学位，在机器人学、机械制造等领域具有丰富的科研和教学经验。2.3D打印技术现状和中小学科技教育目前比较成熟的3D打印技术主要包括熔融沉积成型(FDM)、光敏树脂固化(SLA)和选择性激光烧结(SLS)等三种。SLS技术的设备成本是数百万元，使用成本非常高，适合国防和工业应用。SLA技术的设备成本是数万元，使用成本相对较低，适合工业应用和设计师使用。FDM技术的设备成本远低于前两类设备，而且使用成本也是最低的，适合教育、工业应用和设计师使用。按成型(打印)的尺寸精度排序，SLS技术最好，目前可以达到0.1mm以内的形位公差，SLA和FDM技术的成型精度稍差，大约在0.1~0.3mm范围，可满足一般的产品打样、手办模型等应用。尤其FDM技术的设备成本较低，极低的使用成本(每克的材料单价约0.2元)，非常适合教育领域的应用。FDM技术的3D打印机市场价格从3000~30000元，其中价位较高的产品市场定位是工业应用和专业设计师的专业工具。中小学科技教育目的所需求的3D打印机，主要用于原理性演示、教学素材和学生作品的3D打印。FDM技术的低设备成本和低使用成本，在中小学科技教育应用方面具有明显优势。.2.此外，3D打印技术的发展速度非常快，几乎可以按季度为周期来度量。现有的3D打印相关产品技术，很可能在2~3年就会有大幅度提升。以教育为目的投入的3D打印机及其相关产品，不宜选择一次性投入过大，这一技术领域更新速度很快，技术上被淘汰的3D打印机不适合教育之目的。中小学校建设3D打印课程，目前尚存在一些现实问题：(1)没有专业的、可开设3D打印课程的师资。需要抽调现有的教师去开课，组织课堂教学内容，探索课堂教学模式。要求老师对3D打印具有浓厚兴趣，具有探索精神，具有挑战精神。所以，如何降低开课老师的工作任务和难度，这是专供中小学科技教育的3D打印机厂家要解决的问题。(2)3D打印机的使用难度较大。非专业人士对3D打印存在误区，认为3D打印无所不能。事实上，不仅3D建模(或叫3D造型)是一个专业的技术工作和艺术设计，3D打印工艺设计也是一个专业技术工作。也就是说，即便是有一个设计上非常好的3D模型，如何用3D打印机打印出来，仍是一个难题，涉及多方面的专业知识。现有的老师来开设3D打印课程，自己还承担原有的教学任务，没有专门的时间安排去学习这些专业知识。所以，即使他们拥有一台3D打印机，边自学边教学，这是非常困难的。(3)3D打印技术飞速发展，使得此类教学设备淘汰速度很快，如何降低中小学校建设3D打印课程的设备投入，也是专供中小学科技教育的3D打印机厂家必须逐步解决的问题。另外，还有学生方面的问题，譬如学生多长时间可以较熟练使用教室/实验室内的3D打印机等。3.孩宝3D打印机孩宝，是专门为青少年科技教育定制的3D打印机。已经上市的孩宝M系列3D打印机分两种类型：家庭版(孩宝M200型)和学校专业版(孩宝M2x0型)。两种机型的区别：(1)家庭版不支持教学素材和课堂管理，付费使用云平台(孩宝乐园)的3D模型，无技术服务；(2)学校专业版支持免费的教学素材、孩宝课程和云平台的3D模型，提供付费的技术服务。孩宝M2x0型(学校专业版)3D打印机的产品实物如图2-1所示。.3.(1)孩宝M2x0的主要技术指标•成型类别:塑性材料熔融堆积成型(FDM)•成型层厚:0.05~0.35mm•控制精度:12.5µm•重复定位精度:80µm•外形尺寸:265×275×330mm(一个课桌可以摆放两台机器)•成型/打印尺寸:100×100×148mm(大约相当于15本记事本堆砌在一起)•成型材料:PLA(环保可入口材料)•供电电压:DC24V@5A(安全电压,无触电风险)•平均功率:70W(峰值功率90W)•保护罩:使用透光率达98%的材料(全角度观察3D打印,且能避免意外)•文件传输方式:无线网络(WIFI),云服务模式图2-1孩宝3D打印机(学校专业版).4.•人机交互:支持Android/iOS手机或PAD,以及Windows桌面版(1)注:(1)允许老师自主创建3D素材用于自己的教学，或者让高年级学生学习使用自主设计。(2)孩宝M2x0的特色(其它FDM技术3D打印机所不具备的)•专门为青少年科技教育定制的3D打印机和多种App易学易用(中小学生可以使用App操作打印机,借助于专家知识库,完成高质量打印)•场景化的App,与老师的授课进度无缝结合知识性和乐趣共存(有老师专用App管理课堂)•云服务模式,云端有丰富的3D打印素材课内、课外的体验和自主动手相结合•透明的非承载外罩,全角度观察3D打印:安全且方便观察•适合中小学3D打印课堂,允许老师备课时自主设计3D素材,无须SD卡拷贝，无须USB传输,直接用于课堂授课•自主知识产权的紧凑机构和控制器•全金属机身,坚固耐用(即使学生不小心的损坏，绝大多数是外罩受损)(3)孩宝M2x0为青少年科技教育所做的贡献3D打印机的易用性。在整个FDM技术的3D打印机产品中，孩宝M2x0的易用性几乎是革命性的。借助于云计算和移动互联网络技术，在孩宝3D打印云平台上建立3D打印工艺的专家知识库，使用孩宝乐园App，帮助那些不具备3D打印专业知识的使用者完成高质量的打印。我们强调3D打印机的工具属性，简单易用且能够达到使用目的的工具才是最佳的。整机型3D打印机的成本。借助于我们自身的专业优势(孩宝M系列3D打印机缔造团队的核心成员多数都具有机器人学博士学位)，自主设计紧凑的3D打印机机构，且全金属的机身，坚固耐用。自有的专利技术，关键零部件较少，使得成本降低，几乎是市面上FDM技术3D打印机的一半。而且装配设计非常优化，适合大批量快速装配、调试和测试。孩宝M2x0的低成本能降低中小学建设3D打印教室/实验室的投入。智能手机或PAD作为3D设计、交互的工具(App)。进入后PC时代，移动互联网络技术让计算机正在逐步走向轻终端重云端模式。我们使用随处可得低成本PAD和WIFI来完成3D设计和3D打印，不仅与时俱进，其交互性和易用性远优于计算机+USB/SD卡模式。.5.我们已经为中小学校的3D打印课程准备了孩宝课程(在孩宝乐园App中)、孩宝乐拍(拍照即可打印3D照片)和孩宝乐绘(让青少年学习从2D设计到3D建模)等App，并将持续不断地更新和补充。支持自主3D模型设计和直接3D打印。如果开课老师打算自主设计一些3D素材，或者高年级学生学习3D建模。孩宝M2x0不仅能满足这一需求，还做得非常出色。使用我们最熟悉的Word(微软的Office)软件做个对比，我们在计算机上使用Word编辑文档，排版完毕后，直接点击菜单中的“打印”按钮，选择正确的打印机，就可以完成2D打印。对于孩宝M2x0来说，就相当于传统意义上的打印机，无论你使用那种3D建模软件，都可以导出“孩宝专业版(Windows版)”所支持的STL格式(一种通用的3D模型文件格式)，然后在“孩宝专业版(Windows版)”软件中打开这个自主设计的3D模型文件，设定合适的打印工艺，然后直接点击“打印”按钮，并选择正确的孩宝M2x0，3D打印启动完毕，剩余的工作由孩宝M2x0自主完成。4.孩宝课程孩宝课程，是孩宝乐园App的一个资源模块。目前支持每个开课班最多15次课程，每个学校或每个开课班级的师生拥有唯一的登录ID，其他学校或班级看不到本班课程的任何内容。老师专用的课程进度管理App，用于控制课程进度，管理课堂。孩宝课程，目前仅支持Android版，在智能手机或AndroidPAD上运行。(1)开课教师如何使用孩宝课程？开课老师可以直接使用孩宝课程中15次课的3D素材，并参考我们提供的“智造课程”大纲，选择其中的部分或全部，自主备课，制作课件(PPT)。备课期间，我们可以提供有偿的技术服务。开课老师也可以完全自主安排课程，设计自己的课程大纲，设计对应的3D素材，自主备课。如果需要，我们而已提供有偿的技术服务。(2)开设“智造课程”的想法首先需要说明，我们为什么不直接叫“3D打印课程”，而是“智造课程”？我们所建议的课程在授课过程中，的确以3D打印机作为关键教学设备，但它仅仅是设备，或者说仅仅是个工具。实际课程内容和形式是多样化的，根据开课老师的意愿所安排的。我们称之谓“智造课程”，源于该程的核心内容是“(增材)制造和智慧设计”。通过课程内容安排，让学生们了.6.解制造原理、制造过程；通过一些力所能及的自主“智慧设计”，让学生们自己探索、总结出课程3D素材中所蕴含的知识。在整个课程的安排中，孩宝M2x0仅仅是工具，学生们不必把眼睛盯在3D打印机上。因此，根据每位开课老师个人的术业专长，自主安排，自主设计课程核心内容，以3D打印机为工具，使用3D打印技术，传授科技知识，据此确定校本课程的名称。智造课程的每一次课都包含有：教学目标；需要学生了解、掌握的理论知识点；3D素材；课堂交互的启发性问题等4个方面。我们已经安排了一个课程大纲，如果有兴趣了解或需要参考，请发mail到[e-mail]索取，并在mail中注明你的学校，拟开设3D打印相关课程的计划。我们也会给出一些建议。5.建设方案和预算使用孩宝M2x0组建3D打印教室/实验室的系统级架构如图5-1所示。其中的主要设备是孩宝M2x0、3D打印材料和AndroidPAD，另外还需要像几百元的路由器、宽带网络包年费等投入。使用孩宝M2x0建设3D打印教室/实验室的首次投入预算见表5-1。开课老师3D造型师学生1学生2PAD孩宝M2x0(备课用)孩宝M2x0路由器路由器路由器1PAD路由器2技术服务员孩宝M2x0网络运营商设备孩宝云服务端(租用阿里云).7.表5-1使用孩宝M2x0建设3D打印教室/实验室的首次预算序号名目功能简述单价(元)投入(元,按21台计算)1孩宝M2x03D打印机2,50052,5002AndroidPAD操控终端1,00021,0003孩宝PLA3D打印材料15031504技术服务费(可选)-300元/台/年6,300元/年5TP-Link路由器无线网络设备2004006宽带网络年费-16001600元/年按20台孩宝M2x0/教室，加1台备课机器(21台)，投入合计84,8506.孩宝缔造团队简介杭州乐伴科技有限公司是由一群机器人学专业毕业的博士所创办的科技企业,骨干研发人员仍是浙江工业大学的教学科研人员,不仅具备专业优势,在机械电子方向的专业教育和教学方面具有一定造诣。创办杭州乐伴的目的是:将前沿科学技术转化为青少年科技教育.8.和教学设备,让每位孩子都能亲身到体验前沿科技的魅力,享受边玩边学的快乐。公司注册资金200万元,已申请3D打印相关的发明专利3项(孩宝M系列3D打印机的机构、控制器和基于云服务的3D打印平台等三项发明专利,属本公司核心知识产权)。期望与全国各地的科协、团委、青少年宫和中小学合作,开展青少年科技教育和科普活动。