3D打印技术在学校教育中的应用研究

杨久俊

摘要：教育领域是3D打印的应用领域之一。本文剖析了3D打印在学校教育中的应用及优势。介绍了3D One、Tinkercad两款面向青少年教育的三维软件，讲述3D打印首要环节三维模型的创建方法及应用。

关键词：3D打印;3D建模;青少年;3D One;Tinkercad;编程;电路

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）09-0025-03

0 引言

迈入全球化的信息时代，以大数据、人工智能、云计算、3D打印技术为代表的新兴技术将会对学校教育产生深远影响。3D打印技术是目前最热门的新兴技术之一，国内对于该技术的教育领域应用还处于起步阶段，但随着该技术的发展成熟，3D打印技术将会推动课程内容教学方法不断变革。

1 3D打印技术及在学校教育中的应用

3D打印（3D printing，又称三维打印）是一种快速成形技术，它以数字化模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料。1986年，3D打印技术的发明者Charles Hull开发了第一台商业3D打印机，开启了全球的3D打印时代。英国《经济学人》杂志认为，3D打印技术将成为推动第三次工业革命的重要力量。3D打印技术可用于机械制造、工业设计、珠宝、建筑、航空航天、生物医疗、教育等众多领域。在可以打印器官、汽车、飞机的今天，它还在创造无限的可能。《中国制造2025》、《“十三五”国家科技创新规划》都指出要重点部署3D生物打印技术的创新突破和应用发展。“中国3D打印第一人”颜永年认为，未来3D打印将成为发展的一个支柱产业。政府的推动和媒体的关注，使得3D打印迅速成为全球热点。目前我国3D打印技术已形成“以高校为主体的技术研发力量布局，若干关键技术取得重要突破，产业发展开始起步，形成小规模产业市场，并在多个领域成功应用，为下一步发展奠定了良好基础。”格局。

由于3D打印技术在个体定制化生成方面的巨大优势，使得其具备了颠覆传统教育模式的潜力。在国内的一些中小学开设了集三维设计和3D打印于一体的课程，这类课程给为学生的学习方式带了变革，让抽象的教学概念更加容易理解，激发了学生对科学、数学、物理、工程、设计创意等多学科的兴趣，促進了实践与理论、知识与思维、现实与未来3个方面的结合。主要优势有：（1）激发学生对一些科学过程或现象进行可视化展现，通过软硬件结合，鼓励学生动手实践，激发学生潜能，培养学生的创新意识;（2）通过3D打印将视觉与触觉结合，不同于单纯的看文字、图形，它为学生建立一种新型的学习通道，加深了学生对知识的理解与记忆，激发学生深入学习的热情;（3）学生建模和设计的主题大多贴近生活，能培养学生积极思考、主动解决实际问题的能力;（4）学生通过学习简易建模软件，拓展了空间思维能力，也便于后期进一步学习专业建模软件。

2 目前主流的面向青少年教育的三维设计软件

3D打印包括三维建模、印前处理、打印、后期处理等步骤，3D打印首要任务就是创建三维建模，三维模型可以通过3D扫描仪扫描获得后使用软件进行修缮，或使用三维建模软创建编辑，也可以在网络共享素材库直接下载。

所想即所得，这是3D打印技术的独特魅力所在。3D打印机可以轻松、完美具现人们的创意和想象。问题是，3D打印机如何读取我们的构想？解决这个问题，可以使用各种3D建模软件。现今各种各样的建模软件，从工业设计、影视动画、到青少年教育，软件已涵盖了各个领域。像AutoCAD、SOLIDWORKS、SketchUp、3dsMAX、May、Zbrush这些专业级三维软件要灵活的使用它们必须经过长期的学习。对于青少年、非专业人士，可以选择一些相对简单、更易上手的软件进行三维设计，下面介绍目前两款更适合青少年学习的三维设计软件。

2.1 3D One系列

3D One（网址http：//www.i3done.com/）是由我国中望龙腾软件公司开发的系列软件，包括3D One、3D One Plus、3D One Mini、3D One Cut等系列软件及3D One App。3D One是国内首款面向青少年的三维设计软件，具有简易的3D设计功能，贴合青少年的创新思维，内嵌社区和丰富的学习、教学相关资源，其积木编程、Phython编程等建模方式让建模更具趣味性。截止2019年9月24日已有 51278 所学校入驻，共发布作品1085365件。3D One APP是3D One的移动端社区APP，用户能随时随地能与社区好友分享、直播自己的创意，老师可随时为学生作品点赞评价，展示教学成果，父母可绑定孩子账号，与孩子一起探索趣味创意。3D One分教育版和家庭版，家庭版为免费版本。

3D One主界面的左侧是工具栏，有着丰富的命令以实现模型的创建及修改。主界面的右侧有社区管理、创意模型库、视觉样式、电子件管理、趣味编程等选项。视觉样式包括材质、贴图、三维场景等，三维场景可以使用软件自带的宇宙、大海、天空等场景，也可以导入JPG、JPEG、PNG格式的全景图或天空图来创建新的三维场景。电子件管理中包括美科、盛思、机器时代等多家合作企业的电子元件，用户能直接选择这些电子元件来进行设计。积木模式和Python模式可完成模型的创建、修改、动画效果。积木模式接近于Scratch积木编程软件。Python模式下，用户能通过语法库更便捷的学习代码，运用代码实现创意。图1列出了使用实现方框模型的创建方法：左上是需要创建的模型，左下使用普通建模方式，首先创建长宽高分别为（40，30，3）、（35，25，3）的两个六面体，再用组合编辑命令中组合减将两个六面体相减。右侧是积木模式使用三个积木来实现创建。也可以使用代码来创建：

from zw_api import *

import re

def zw_main（）：

zw_do_combine（2， [  zw_draw_box（40， 30， 3， zw_point（0， 0， 0）， '#33ccff'）]，

[  zw_draw_box（35，25，3，zw_point（0，0， 0），'#33ccff'）]）

3d One积木编程方式中的积木块种类十分丰富，“海龟库”能控制画笔移动绘制丰富多彩的图案，“特征造型”能用组合编辑、拉伸、旋转等对模型进行修改，创建复杂造型的模型。“数学类别”能完成四舍五入、平方根等多种数学运算。

3D One内置了丰富的学习资源，遇到不会的命令，点击命令对话框的左上角“！”，就会弹出该命令的使用说明及视频链接，例如图1使用组合命令中点击“！”出现的命令帮助。

3D One的GIF快速创建功能，积木模式、Python模式编程时，点击GIF按钮后能将程序运行过程制作成GIF动画，调整速度值能修改运行速度。

打印速度缓慢且耗材昂贵是3D打印的主要缺点之一，3D One能将3D打印用动画来进行模拟，展示3D打印的过程，还能整模拟打印的速度和进度（见图2）。

2.2 Tinkercad

Tinkercad（https：//www.tinkercad.com/）Autodesk公司目前主打教育领域的一款免费的在线设计软件，集成了3D打印建模、电子电路设计、编程等功能。Autodesk是全球最大的二维、三维设计和工程软件公司，为制造业、工程建设行业以及传媒娱乐业提供卓越的数字化设计、工程软件服务和解决方案。AutoCAD、3dsmax、Maya这些顶级的三维软件都是Autodesk公司旗下产品，雄厚的技术支持背景让Tinkercad不容小觑。

不同于其它的三维软件需要进行复杂的软件安装、配置，计算机连接网络后，只需要打开Tinkercad主页就可以立刻进行3D模型的设计。Tinkercad已经集成了上百个不同的基本体以供模型搭建，用户也可以编辑基本体、创建自定义模型并上传至云服务器。Tinkercad主页右上方有“Classes”、“库”、“博客”、“学习”、“授课”等选项，用户浏览“博客”能了解Tinkercad最新消息、技巧和贴士等，“授课”可以指导教育工作者在课堂中使用Tinkercad。“学习”提供了丰富的在线项目，用户通过阅读详细的项目功能及步骤介绍，按照导航逐步掌握Tinkercad的使用。

Tinkercad有三维设计、Circuits、代码块三种工作模式。点击“三维设计”图标就能马上进入三维设计。Tinkercad建模流程是：放置（放置形状以添加或删除物体）——调整（在空间中自由移动、旋转和调整形状）——合并（将一些形状组合到一起，来创建所需模型的细节）。简洁的可视化界面让用户很快掌握这一流程进行设计，模型完成后能用OBJ、STL、GLTF等文件格式导出，或者直接将数据发送给已经连接的3D打印机进行打印。Tinkercad支持所有接受标准STL文件格式的3D打印机，作品可以直接进行3D打印或者在线订购3D打印。模型也可以直接导出到Autodesk公司旗下的另一款3D软件Fusion360进行进一步编辑渲染。Tinkercad可支持导入25MB以内的STL、OBJ、SVG格式的二维或三维文件以进行下一步编辑。

Tinkercad还可以将3D设计融入电路设计，选择Circuits模式就能创建虚拟电路，在主界面右侧的“组件”中可以找到主流的电路元件模块，使用者可直接使用其进行模拟搭建，实际搭建前还可进行在线模拟来测试设计效果，加速创意的发挥。模拟后再进行实际搭建电路，将3D打印模块、电路元件结合，从 Tinkercad 中导出代码以便对电路进行编程。很多部件附带了详细的说明，点击显示构建说明按钮，还可以在页面的左侧看到该部件的详细搭建步骤，包括文字说明、图片、视频。电路模拟如果有错，电路出错处有“！”警示并给出文字说明。

Tinkercad具有编程功能。选择“代码块”，进行可视化编程在程序上生成形状，堆叠、移动积木块就能运行测试，完成复杂模型的创建。Tinkercad提供了范例“入门”，通过学习范例，用户能快速掌握积木块的使用。相比于3D One，Tinkercad创建形状的选项更细致，使用更便捷，以创建“长方体”形状（3D One中形状名为“六面体”）为例，Tinkercad中有“边缘”和“边缘步驟”选项来控制长方体倒角大小和倒角分段数，3D One要创建一个倒角长方体步骤较为复杂。Tinkercad视图调整十分便捷，代码块模式下可以使用窗口左侧的“+”、“-”图标来放大或缩小视图，也可用快捷键“+”、“-”实现。拖动鼠标左键可以旋转摄像机，滚动鼠标滚轮能推近或拉远摄像机。

Tinkercad三维设计模式有多种快捷键加快工作流程，如按住“Alt”键拖动鼠标左键，能够复制拖动的对象，“Ctrl”键加“D”键能复制选中的对象，“Del”键可删除选中对象，“↑”、“↓”、“←”、“→”让选中的对象上下左右移动，“Ctrl”键加“g”能为选中对象创建组。“Ctrl”加“z”键能撤销上一步操作。这些快捷键与主流的三维建模软件快捷键的用法基本一致，用户掌握这些快捷键后能更好进行高级建模软件的学习。

相比3D One，Tinkercad在国内的知名度和普及度不高，其帮助界面、警示等缺少中文说明给使用造成了一定困难。免费、免安装、易使用、丰富的模型库和教学资源及雄厚的技术支持，Tinkercad在家庭、学校、3D打印爱好者中将会有更好的应用前景。

3 结语

科技促进教育这一客观规律决定了3D打印会对学校教育产生积极的影响，但3D打印引入教学还存在很多实际困难。教育者运用3D打印与学科结合、项目实践等多种方式，积极发挥3D打印技术的优势，让其为教育事业的发展提供动力。

參考文献

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Abstract：Education is one of the application fields of 3D printing. This paper analyzes the application and advantages of 3D printing in school education. This paper introduces 3D One and Tinkercad， two 3D software for youth education， and describes the creation method and application of 3D model in the first step of 3D printing.

Key words：3D printing; 3D modeling; Teenagers; 3D One; Tinkercad; Programming; Circuit