初中阶段系统化3D打印课程：从设计到成品

吴澜+++巩媛丽

目前关于如何开展3D打印课程的建议和方案很多，但缺少一个综合的3D打印课程体系以更好地帮助学生运用3D打印技术将设计想法变成现实成品。为此，Abbie Brown提出3D打印课程的层次观以指导开发一个系统化的3D打印课程。

3D打印课程层次观的概述与启示

1. 3D打印课程的层次观

Abbie Brown在一年的时间内基于25个打印测试活动以及一系列的文献研究和个人访谈，提出3D打印课程的层次观，如图1所示。

（1）打印测试

该活动包括正确安装3D打印材料、操作打印机、将3D打印源文件转化成切片文件、观察打印效果等。

（2）设计尝试

学习者根据问题需求自主设计一个3D模型并将其打印出来。可以从零开始设计一个新的3D模型，也可以修改现有的3D模型以符合问题需求。

（3）工程考验

应对实际工业生产或制造工艺中的工程需求设计产品，以解决真实问题。

2. 3D打印课程层次观的启示

（1）3D打印的初次体验过程对学生学习3D打印技术的重要性

在大多数的3D打印课堂中，为了节省时间，常常是由学生设计作品，老师帮助打印。学生有时候都没有机会触摸到3D打印机，缺少这一项体验会削弱学生们使用3D打印技术进行创作的积极性，同时不利于自主探究和动手实践能力的提升。学生自主将3D建模源文件打印成三维现实物体的学习过程，能够激发学生进一步学习3D技术的兴趣，还能培养问题解决的能力和观察判断能力，促进后续的学习与创作。

（2）3D打印课程内容的设计要着眼于3D打印的全过程

3D打印技术包括的内容很多，如3D打印机的操作、3D打印材料、3D建模软件、切片软件等，还有很多内容是需要不斷实践才能学到的。利用3D打印技术进行创作常常是一个迭代循环的过程：分析-设计-建模-打印-改进与完善。目前，很多的3D打印教材和课程都是以3D建模软件的操作为核心，导致很多教师在课堂中只教授3D建模软件。很多学生甚至都不会操作3D打印机，这直接影响到学生设计的作品和打印模型的效果。

立体化初中3D打印课程设计

在Abbie Brown层次观的指导下，笔者根据自己的教学实践经验，基于国内外理论研究，探寻一种立体化初中3D打印课程开发模式。如图2所示，立体化初中3D打印课程开发模式的纵向由四个活动构成，每个活动集合完成过渡到下一个活动集合，过程重复，但课程内容层层递进，学生完成每个活动集合后习得的知识与技能为后续阶段奠定基础。

图2 初中3D打印课程开发模式

1. 纵向——四个活动

（1）实践体验

鉴于大多数学生没有参与3D打印全过程，在此环节中提供一些动手活动和问题让学生在实践中观察、学习和反思。该活动为不太熟悉3D打印过程的学习者提供了一个参与式学习体验活动，帮助学生了解3D打印相关的软硬件知识。

（2）模仿设计

该环节以介绍3D建模软件中基本功能为主，由教师操作演示。学生模仿练习为主，快速地让学生熟悉3D建模软件中常用的工具和命令。

（3）问题解决

问题分为良构问题和劣构问题。一个良构问题只有一个满意的解决方案。而劣构问题则相反，往往会有多种解决方案。该环节中的问题属于良构问题，因此该环节中解决问题只需要学生利用上一环节中所学的3D建模软件中的工具和命令建构既定的3D模型，起到复习回忆新知识和促进知识迁移的作用。

（4）生活应用

引导学生利用所学的知识和技能解决生活中的问题，该环节中问题是劣构的，有很多不可知地方需要学生花费大量的时间和精力，需要制定不同的问题解决方案以找到最佳解决办法。

如图3所示，首先教师设计一个真实的问题情境，引导学生确定研究问题，生成研究方案。然后，学生根据问题利用3D建模软件将创意变成模型，接着将模型打印出来。最后，需要反复测试与修改，保证打印出来的产品能够用到生活中真正解决实际问题。该环节旨在让学生经历一个完整的科学研究过程，亲身体验如何利用3D打印技术解决实际问题。

图3 生活应用环节的研究过程

2. 横向——学科知识融合

可以参考美国马里兰大学赫希巴奇（Herschbach，2011） 针对STEM 教育整合的课程设计提出的一种课程模式——相关课程模式，该模式指将各科目仍保留为独立学科，但各科目教学内容的安排注重彼此间的联系。例如，在初中物理课上学到电路工作原理的知识点时，可以在学生上完这节课后，在3D打印课程中制作小夜灯。学生既可以复习物理课上学到的电路工作原理和各种电路元件特性，又能够利用所掌握的3D打印技术去设计和打印小夜灯的外壳。通过亲手设计和制作小夜灯，不仅带给学生无限的成就感，激发后续学习动力，而且帮助学生理解物理书本上的理论知识，对考试分数和动手能力的提升都有积极的促进作用。

案例：《3D创意建模之小小建筑设计师》

1. 教学对象

教学对象为初一年级学生，他们已经学习了Solidworks软件的基本特征命令，包括凸台拉伸和旋转特征命令，并能够熟练地绘制草图，使用阵列和镜向功能辅助草图绘制，使用特殊命令进行3D建模。

2. 教学目标

知识与技能：通过体验3D打印建筑模型的实践经验总结3D打印机的打印要求；通过模仿绘制3D建筑模型熟练掌握草图绘制的常用命令以及基本特征命令。

过程与方法：通过自主设计建筑模型熟悉3D设计打印的一般流程。

情感、态度与价值观：通过自主设计建筑模型获得的成就感，体验3D建模和打印的乐趣，激发自主创作的积极性。

3. 教学过程

（1）实践体验（可放在课外进行）

教师：提供一个3D模型源文件——艾菲尔铁塔模型，要求学生将3D 模型源文件转换成不同大小的切片文件进行打印，并观察打印效果，思考问题，探究原因。

学生：根据教师要求将3D 模型源文件转换成不同大小的切片文件进行打印，并在打印过程中观察不同尺寸大小的打印效果有何区别；思考艾菲尔铁塔模型顶部造型很难打印成功的原因，并提出解决办法。

教师：引导学生总结3D打印要求——设置打印模型的高度和宽度不能超过3D打印机的打印范围，在使用切片软件转换时思考自己的3D模型是否需要设置打印支架。

（2）模仿设计

教师：上机演示利用Solidworks软件设计一个对称建筑模型（以土耳其圣索菲亚教堂模型为例），反复使用3D建模软件的两个特征命令：凸台拉伸和旋转。

学生：仔细观看并模仿操作，强化两个特征命令的操作方法。

注意：在这个活动中教师在绘制草图和使用特征命令时需融入一些数学知识，比如点-线-面-体的关系、轴对称图形、图形旋转的三要素。

以下是学生作品展示：

（3）问题解决

教师：展示一张古风亭子的图片，并提出问题“历史老师想要请同学们帮忙为这幅二维效果的古风亭子设计出三维模型，并打印出来作为实物教具带到课堂上”。

学生：使用3D建模软件根据图片设计模型并打印出来。

教师：提出问题“如何更改参数让亭子看起来更逼真？”

注意：本环节旨在促进学生巩固在前面环节中习得的3D建模软件特征命令（凸台拉伸和旋转），并复习之前活动集里学习的草图绘制的一些技巧，比如圆周阵列和建立基准面。

以下是学生作品展示：

（4）生活应用

教师：提出问题“校史展览室需要旋转学校建筑的微模型中的致远楼有些破损，能否帮助老师设计致远楼的3D模型并打印出来一个进行替换？”

学生：进行问题分析，制定方案，3D建模，3D打印，测试与反复修改。

注意：在设计3D模型前，需要综合使用多门学科知识，如要研究学校楼房的结构，绘制草图，尺寸比例测量等等。教师可以提供相应的网络资源、网络平台和测量工具帮助学生进行探究，学生也可以去求助其他学科老师解决问题。

以下是学生作品展示：

4. 教学反思

通过循序渐进，由易到难，由模仿到自主创作的的过程，可以让学生一直都能信心十足地完成所有3D建模作品。每个活动的完成让学生更加熟练3D建模软件的使用，为后续活动奠定技术基础。通过打印自主设计的作品，更给学生带来了满满的成就感，激发他们继续学习的兴趣。从身边寻找实际问题，结合3D打印技术解决问题，同时能够综合利用各种學科知识，让学生真正做到学以致用，教会他们的不仅仅是技术，更是一种解决实际问题的方法和理念。