西锐三维3D打印创新教育

西锐三维3D打印创新教育西锐三维3D打印培训余明春一、3D打印的原理及特点二、中小学生为什么要参加3D打印课程三、3D打印技术教学应用理论依据四、3D打印如何应用于创新教育五、3D打印技术教学应用案例六、国内开设3D打印课程的中小学学校案例七、3D打印应用领域八、西锐创新教育方案详解一、3D打印的原理及特点3D打印，又称三维打印，是一种快速成型技术，为用户提供了新的设计、创作和制作方法。从3D打印的制作过程出发，可以划分为设计与打印两个阶段。在设计阶段，主要通过3D建模软件或三维扫描设备进行设计，并且可以在开放式设计理念下进行合作设计与创作；在打印阶段，将3D模型按照某一坐标轴切成无限多个剖面，然后逐层打印，形成一个实体的立体模型。（一）3D打印的原理1.设计阶段：3D建模3D建模和可视化对物体最终的打印效果起着重要作用，可以使用三维建模软件或三维扫描设备完成。在建模软件方面，既有专业化商业建模软件，如SolidWorks、Creo2.0等，也有丰富的免费建模软件，如SketchUp、Blender、3DTin、TinkerCAD、123D等。3D扫描仪可以通过对物体对象进行数字化处理和修改，直接生成三维模型。三维扫描集光、机、电、计算技术于一体，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供方便快捷的手段。2.打印阶段：3D打印机在打印阶段，3D打印机对3D模型数据进行逐层分切，通过读取文件中的横截面信息，对分切的每一层进行构建，将这些截面逐层打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。由于物体通过材料一层层地累积打印出来，3D打印技术也被称为增材制造或加式制造（AdditiveManufactur⁃ing）。3D打印支持高性能复合材料、光敏树脂材料、ABS树脂、尼龙等多种材料。（二）特点分析3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，能够直接从计算机图形数据中生成任何形状的物件。而传统制造技术是“减材制造技术”，即通过模具、车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品，其特征为利用缩削、减少材料来生产部件。与传统技术相比，3D打印技术主要有下列特点：1.可以实现个性化制作。用户可以通过建模软件设计所需模型，进行个性化设计和创新设计，制造出传统生产技术无法制造的外形，满足设计者的需求。通过3D打印机以更快、更有弹性、更低成本的方法生产数量相对较少的产品。2.极大地缩短了产品的研制周期。传统模型制作往往需要经过模具的设计、模具的制作、制作模型、修整等工序，制作周期长，而3D打印则去除了模具的制作等过程，使得模型的生产时间大大缩短。3.可以提高原材料的利用率。3D打印技术由于摒弃生产线而降低了成本，大大减少了材料浪费，提高了生产率，降低了生产成本，可以进行原材料的高效利用。二、中小学生为什么要参加3D打印课程3D打印技术可以给学生的“学习方式”带来新的思考，让抽象的教学概念更加容易理解，可以激发学生对科学、数学尤其是工程和设计创意的兴趣，带来实践与理论、知识与思维、现实与未来三方面的相互结合。具体表现为：①3D打印让学生的想象更容易变成现实，培养学生的创新意识，鼓励学生的创新实践。②学习运用简易建模软件，发展学生立体空间思维。③通过3D打印实体的触觉过程，为学生建立一种新型的学习通道。④选择贴近生活的建模主题，培养学生解决生活实际问题的能力。三、3D打印技术教学应用理论依据学习理论、教学理论以及“经验之塔”理论都为3D打印技术在教学中的应用提供了很好的理论依据。学习理论是心理学中最核心，也是发展最成熟的领域之一。不管是华生的行为主义学习理论，还是斯金纳的操作性条件作用学习理论，都能有效地指导3D打印技术在教学中的实践活动。教学理论中的实验法教学方法，让3D打印技术有充分的用武之地。实验法是学生在教师指导下，运用一定的仪器设备进行独立操作，观察和研究这种操作引起的现象和过程，以获取知识的教学方法。实验法的基本形式是学生在教师的指导下独立自主地学习。实验法的优点在于，学生通过亲身活动，从感性知识过渡到理性知识，认识的过程比较完整。通过这种学习，学生的观察能力、独立思考能力、动手能力得到了很好的锻炼；求实的科学态度、探究的科学精神、热爱科学的情感也得到了培养。戴尔于1946年所著的《教学中的视听方法》一书中提出的“经验之塔”理论融合了杜威的教育理论和当时流行的心理学观点，成为以后视听教学的主要理论依据。在“经验之塔”理论中，最底层的经验最具体，越往上越抽象，排成一个序列；教学活动应从具体经验入手，逐步进入抽象经验；在学校教学中使用各种媒体，可以使教学活动更具体，也能为抽象概括创造条件；位于“塔”的中间部位的那些视听教材和视听经验，比上层的言语和视觉符号具体、形象，又能突破时间与空间的限制，弥补下层直接经验的不足。综上所述，3D打印技术在本质上是多媒体技术的延伸，是虚拟现实技术的延伸，它拓展了人的感觉和知觉，促进了人的思维能力的进一步发展，它与教学的融合势在必行。四、3D打印如何应用于创新教育1.什么是创新教育2.如何实现STEAM教育1.什么是创新教育创新教育就是以培养学生创新精神和创新能力为基本价值取向的教育。其核心是在普及九年义务教育的基础上，在全面实施素质教育的过程中，为迎接知识经济时代的挑战，着重研究与解决在基础教育领域如何培养中小学生的创新意识、创新精神和创新能力的问题。•创新精神，主要包括有好奇心、探究兴趣、求知欲，对新异事物的敏感，对真知的执著追求，对发现、发明、革新、开拓、进取的百折不挠的精神，这是一个人创新的灵魂与动力。•创新能力，主要包括创造思维能力，创造想象能力，创造性的计划、组织与实施某种活动的能力，这是创新的本质力量之所在。•创新人格，主要包括创新责任感、使命感、事业心、执著的爱、顽强的意志、毅力，能经受挫折、失败的良好心态，以及坚韧顽强的性格，这是坚持创新、作出成果的根本保障。近年来随着3D打印的火热，很多教育机构和专家提出了3D打印与创新教育理念，提倡开发中小学生的创造性思维，以及动手能力，培养学生自主探索问题、发现问题、解决问题的能力。2.如何实现STEAM教育“STEAM”是Science（科学）,Technology（技术）,Egineering（工程）,Arts（艺术）,Maths（数学）的缩写，是美国政府提出的教育倡议。STEAM教育不是在桌椅整齐的教室上课，而是在充满木板、锉刀、画笔、电线、3D打印机、以及各种奇怪教育科技产品的工作坊，感觉是不是很酷！为什么?“STEAM”教育就是让学生们自己动手完成他们感兴趣的、并且和他们生活相关的项目，从过程中学习各种学科以及跨学科的知识。•3D打印课程提升了STEAM教育实现的可能性3D打印课程则是鼓励学生通过3D设计软件，结合物理、化学、生物、数学等知识，将创意实现成3D数字模型，并进行3D打印最终实现想法。比如下面这个青蛙解剖模型，学校如果要单独买，可能比较麻烦，但是如果生物课老师有心一些，打印出来一个模型讲解，我想授课效果肯定会大大提高！“从这两个概念的简要解释来看，你会发现，无论是STEAM教育还是3D打印创新课程，都是为了帮助学生不被单一学科的知识体系所束缚，两者的核心都是锻炼学生的跨学科思维+实践能力。”“从某种角度来说，3D打印创新课程引入的3D设计及3D打印技术，极大地了拓宽了中国学校普及STEAM教育的思路。以前，学生在设计智能装备的时候，只能买标准的零件，现在可以通过三维设计软件定制出更个性化的硬件，在3D设计过程中也需要充分运用科学、技术、数学等知识才能精确打印。•如何设计适合STEAM教育的3D打印课程五、3D打印技术教学应用案例3D打印技术作为多媒体技术的新成员，其在中小学教学活动中的应用才刚刚起步。这里略举几例，加以说明。1.语文2.数学3.英语4.物理5.化学6.地理7.生物8.信息技术学科3D打印技术在通用技术课程中的教学流程图9.通用学科1.语文学科中小学都有说明文的教学，3D打印技术可以在这类教学中发挥积极的作用。例如，小学五年级《赵州桥》的教学。如果不是赵州桥所在地的学生，小学生就只能通过图片或视频来了解赵州桥的结构。3D打印技术的出现，可以很方便地打印出赵州桥的模型，学生就可以很直观地观察、欣赏赵州桥的整体及各个部分的构成。课文中的关于赵州桥具有泄洪能力的教学难点，学生通过观察模型桥梁以及做实验的方法，可以比较容易地突破。又如，初中语文《人民大会堂》一课的教学。这篇课文比赵州桥的难度大多了。因为人民大会堂的结构比赵州桥更复杂。以往的教学主要是靠学生对文字的理解来掌握课文内容，最多也就是找些图片和视频帮助学生来理解人民大会堂的结构和功能。有了3D打印技术后，老师可以给每位同学打印出一个“真实”的人民大会堂供学生课前预习、课上讨论、课后研究，整个教学过程变得生动活泼，充满乐趣，教学效率自然会有很大提升。2.数学学科数学学科中关于立体几何，在中学和小学都有相关的内容。这部分内容对于学生来说，往往都是难点。以往在这部分教学内容上，教师大多采用画分解图，或者通过削萝卜（泥巴）等方法帮助学生理解几何体的变化。这些教具的准备往往费时费力，效果却不理想。现在有了3D打印技术，教师可以很方便地给学生打印出所需的几何体，根据需要实际切割或做其他的变化，这样的教学真是事半功倍，一下子就破解了问题的难点。如，初中的学生很难知道一个圆柱体被拦腰斜切一刀，得到的截面是一个什么图像？学生自己画图或者教师画图帮助解释，学生都难以理解。而在3D打印技术的帮助下，这个问题就变得非常容易了。学生可以自己在3D打印出的实物上斜切一刀，再对截面图做进一步的测量、计算，自己就会得出结论。最后再进一步由感性知识上升到理性知识，从而实现知识的深化。3.英语学科英语学科学习必须掌握大量单词。以水果学习为例，我国南北方水果品种差异很大，有很多学生没有见过异地的水果。譬如，北方的学生可能没有见过南方的热带水果荔枝、黄皮、火龙果、菠萝蜜、莲雾、佛手瓜等等，而南方的学生可能没有见过毛杏子、李子、桑葚、石榴、樱桃等等。以往在学习这些单词时，最多也就是找些图片帮助学生记忆。现在，如果学生没有见过某种水果，老师可以马上用3D打印机打印出一个“真实”的水果给学生，这样，有了感性认识做基础，记忆单词就简单多了。4.物理学科物理学科的电路图连接对于初中学生是一个不小的困难。以前在解决这个难点时，通常采用在电路图上反复练习的办法。由于电路图十分抽象，部分学生总是不得要领，经常出错。如果3D打印技术出现在课堂上，教师打印出实物，让学生反复训练电路的连接，基本掌握好以后，再过渡到电路图的连接。通过这样一个过渡，学生学习的难度大大降低了，从而可以快速地掌握该知识点。5.化学学科化学学科中的分子、原子、质子、电子等的结构由于摸不着、看不到，学生理解起来十分困难。有了3D打印技术后，完全可以按比例把这些微观的东西放大并呈现出来。这种变微观为宏观的办法，对于初中学生的学习非常有帮助，学习的难点一下子就突破了。6.地理学科中学生很难理解太阳、地球及月亮的位置关系以及相关的日食、月食、节气等概念。在现有条件下，虽然也可以通过计算机动画来模拟太阳、地球及月亮的位置关系，但动画的制作成本较高，而且各个对象是虚拟的，非实物的，学生理解起来依然比较困难，与此相关的概念掌握也是问题很多。如果有了3D打印技术，太阳、地球、月亮可以按比例缩小打印出来，师生可以随时调整三者的位置关系，从而使相关概念的学习和各种问题的解决变得相对容易。这种变宏观为中观的办法，在教学中也非常有用。7.生物学科生物学科中有许多微观的内容和不便观察的内容让学习变得困难起来。如细胞的结构、血管的构造、大脑皮层的结构等内容，学生理解常常有很大的困难。像上述内容的学习，在3D打印技术支持的教学中，会变得相对容易。教师可以把细胞结构图和血管结构图放大并打印出来，也可以把大脑皮层的结构图放大并打印出来。有了这些打印出来的材料，学生