3D打印在中小学信息技术课堂的应用研究＊

杨 云，赵 艳，程 美

3D打印（3D P rinting）技术起源于美国，始于19世纪末形成的照相雕塑和地貌形成技术[1]，是一种快速成型技术。它以数字模型为依托，运用A B S（丙烯腈）塑料、P L A（聚乳酸）塑料或金属等材料进行“逐层打印”，构造立体模型。3D打印在中小学基础教育领域已受到广泛关注，特别是在信息技术课堂——一个通过实践操作来培养学生创新能力的课堂。笔者采用课堂演示操作练习的方法，使用3D O ne软件，以今年生肖“狗年”为背景，让学生在信息技术课堂开放式设计一个学习中常用的笔筒——“个性化狗年纪念笔筒”。教师通过课前准备教学案例，课中教授学生3D模型设计，引导学生设计各种图案的笔筒，使每个学生都参与到其中。3D模型完成后，教师与学生进行作品分享与交流，以探索3D打印在信息技术课堂中更为有效的教学方法，从而使学生激发学习兴趣，增强实践操作能力，高效率利用课堂时间。

一、3D打印的应用背景及3D建模软件的应用

（一）3D打印的应用背景

3D打印技术已在众多领域得到了广泛应用[1]。在航空航天领域，俄罗斯于2016年将首个由3D打印出的立方体卫星送入国际空间站；在生物医疗领域，美国于2016年制造出一台可以直接将打印出来的人类器官、组织、骨骼植入人体的3D打印机；在建筑领域，迪拜于2016年制造出世界上首栋3D打印的建筑。在基础教育领域，英国于2012年通过3D打印技术创新新型学习模式，让师生的学习过程伴随着制作和分享[2]；张晶[3]等人于2015年提出了3D打印在中小学数学教学上要坚持以学生为中心，并且应用时要突出挑战的学习环节；李柯影[4]等人于2015年以英国中小学课堂3D打印技术项目为例，为探索国内3D打印在基础教育领域的应用提供了经验；郑贤[5]于2016年通过3D O ne软件创设课堂模拟情景，设计了教学案例与实践以激发学生学习兴趣；丁焱[6]于2018年将3D打印技术在中小学各学科中进行整合，并列举了在数学、语文、音乐等学科上的整合运用案例。3D打印已应用于众多领域中，在基础教育领域的运用国内外已有了很多研究，但研究的深度有待进一步挖掘。本文就3D打印在中小学信息技术课堂的有效教学方法进行研究和探索。

（二）3D建模软件的应用

3D建模软件有很多种，如Sketchu p、IM E3D程序员、Autodes k 123D Design、3DO ne等，本文以3D O ne为例进行教学案例设计。

3D O ne是由广州中望公司专门为中小学而开发的3D建模软件[7]，于2015年发布第一个3D O ne版本，现已不断更新、新增版本，有基本的3D O ne（教育版、家庭版）、进阶的3DOne Plus、3DOne Cut等，能够满足中小学各个年龄段的教师与学生使用。该软件界面比较直观，便于操作，也融入了各个学科的一些操作，如数学学科中的各种立体、线性模型的构建，美术学科中草图的修剪、绘制等，同时在绘制模型时候也运用了简单的数学运算，以保证立体模型各个位置的精准性。信息技术教师在课堂上教授学生使用该软件，设定一个学习场景，导入一些生活中常用的模型（如笔筒模型）或与其他学科相关的模型（如生物细胞模型），能使课堂更加个性化、趣味化，加强学科之间的关联性。在设计3D立体模型的时候，也能够探究更多未知的部分，如生物微生物、细胞等，这样学生的学习兴趣和创新能力都能提高。

二、3D打印“个性化笔筒”教学设计流程

爱因斯坦曾说过：“在科学上，每一条道路都应该走一走。发现一条走不通的道路，就是对于科学的一大贡献。”这也意味着，信息技术教师在教授学生3D建模时候，要引导学生创意性地去设计自己“所想”的模型，通往更多从未尝试的“道路”。信息技术教师通过导入“开放性的3D立体模型”案例，教授学生学会使用3D设计软件的功能，引导学生用不同的方式完成同样类型的3D立体模型作品。

图1 基于3D打印的“个性化笔筒”教学设计流程

信息技术教师要在课前选择一个趣味性的“立体化设计主题”。笔者以今年的生肖——狗年为背景，制作学习文具笔筒。“个性化狗年纪念笔筒”由两部分组成，即狗年卡通图案和笔筒的组合。狗年卡通图案可从网络上下载，笔筒的设计方式有多种，设计前要考虑“所想的模型”由几个部件组成，使用哪些命令能够完成“所想的模型”设计。在绘制“个性化狗年纪念笔筒”前，应先设计好草图，规划好笔筒的各个层次、各个部件，利用简单的数学运算对笔筒各个层次的高度进行求和，计算好笔筒的各个部件叠加后的高度，以保证草图设计的精准性；草图绘制完成后，将纸上的想法在软件中实现，在3D O ne软件中，分别设计各个部件，使用软件中的命令将草图建模成立体模型；当绘制完模型后，信息技术教师要对学生的作品进行点评，学生与学生之间互评，以完善模型；最后将最终的作品分享到3D O ne社区，与网络上3D O ne学习者共同交流探讨。

三、3D打印“个性化笔筒”教学案例实施

在熟悉3D打印在中小学信息技术课堂的设计流程后，将上述的设计流程具体化。模型由所应用3D O ne软件中的具体命令如表1所示。

表1 “个性化狗年纪念笔筒”命令组成

（一）狗年卡通图案的设计

1.网络搜索下载图片。在网络上搜索喜爱的“狗年卡通图案”，并将图片保存到本地，所选取的图案要求线条清晰，以保证导入3D O ne时便于处理。

2.曲线连通性检查。将网上下载的“狗年卡通图案”导入到3D O ne工作区，并检查“曲线的连通性”。网络上下载的图片一般不能直接使用，需通过3D O ne软件处理后，才可设计成“立体图案”。

3.处理图案曲线不封闭的地方。图片所需处理的地方就是经“曲线连通性”检查后，出现的“红色空心矩形框”所圈起的部分，如图2a所示，可使用“修剪”“线段”“曲线”等命令处理。当图片上的“红色空心矩形框”全部消失时，点击确定按钮，便形成了一个封闭曲线的图案。要巧用3D O ne的一些快捷命令，Ctrl+W可将要处理的“红色空心矩形框”局部最大化显示，更便于对图形进行修改。

4.曲线经拉伸后形成立体模型。将处理好的封闭的“狗年卡通图案”进行拉伸，长度为4mm，即可形成立体的狗年卡通图案模型，如图2b所示。

图2 狗年卡通图案设计模型

（二）笔筒的设计

笔筒的设计可简可繁，本文选用圆柱体与扭曲后的圆柱体交叉的方式设计，以保证笔筒的实用性。具体的设计步骤如下：

为笔筒绘制底座，选用基本实体（圆柱体）命令，绘制2个圆柱体，圆心分别为（0,0,0）（0,0,5）；半径分别为 30mm、2.5mm；高度分别为5mm、100mm；基本编辑（线性阵列），在笔筒底盘的圆柱体上绘制距离为25mm的圆柱体，如图3-a所示；基本编辑（圆形阵列），方向为笔筒底座，数量为15；特殊功能（扭曲），扭曲角度为100度；移动（动态移动）距离为25mm，要保证笔筒底座中间的“圆柱体”与“扭曲后的圆柱体”的位置重合；基本编辑（圆形阵列），将扭曲后的圆柱体设定为数量15，如图3-b所示；为笔筒添加一个筒盖，选用基本编辑（线性阵列），距离设定为105mm；将笔筒的筒盖置空，并进行圆角处理，先选用基本实体（圆柱体）命令，圆心设为（0,0,110），半径为 22mm，高度为 50mm，使用基本编辑（动态移动）命令将此圆柱体沿Z轴移动，使其穿过笔筒筒盖，再使用组合编辑（减运算）将筒盖置空，最后选用特征造型（圆角）命令处理筒盖；“材料渲染”命令可将笔筒设置为想要的颜色。最后将狗年卡通图案与笔筒结合，即完成了“个性化狗年纪念笔筒”的制作，如图3-c所示。

以上每一个操作完成后，均需点击“√”确定按钮，方可完成立体图形的绘制。

图3 笔筒设计模型

在介绍了3D打印在国内外的应用背景和设计教学案例时所选用的3D O ne建模软件；设计了信息技术教师从对3D打印课主题的选择、需求说明、3D立体模型部件的组成、草图的绘制、软件中建模、制作完成后师生互评，到最后将作品分享到网络社区互相学习这一教学设计流程基础上，用课堂演示操作练习的方法将“个性化狗年纪念笔筒”教学案例实施到信息技术课堂中。信息技术教师通过导入有趣的3D打印教学主题，让学生发现身边感兴趣的“模型”——生活中或其他学科的模型，使学生能够独立设计“所想模型”，培养学生的创新意识，激发他们的学习兴趣，充实课堂教学内容，为探索3D打印在中小学信息技术课堂的教学提供参考。