3D打印技术的创意实体课程设计探究

    王昊

    随着创客教育的不断发展，3D打印课程也成为学生创新精神和实践能力培养的组成部分。然而，按照传统的教学方式来设计与实施3D打印课程，很难培养学生的创新精神。笔者认为，3D打印课程需要从目标、内容、实施等方面进行系统化设计来保证对学生想象力及创新精神的培养。

    ● 确定课程目标

    3D打印技术在教学中的有效介入，不仅为创新教育奠定了实物验证的基础，更为学生综合能力提升提供了良好的科技环境。笔者认为，3D打印课程的目标具体可以从以下四个维度来确定。

    一是知识与技能：了解3D打印在工业时代的价值和意义;理解3D打印的基本原理，知道相关硬件及软件的名称和基本知识;掌握工业设计的常识，掌握事物造型设计图的绘制;了解3D建模的原理，形成空间思维能力，能掌握3D建模的基本方法;了解3D打印的基本流程和各环节的基本功能，并根据需要进行基本的操作与简单应用。

    二是过程与方法：能多方位多角度地对实物进行数据测量，并结合实际物体进行体积和尺寸的评估和设计;能多视角绘制设计图，并合理准确地标注设计的尺寸;根据实际情况和现有设备的功能，设计合理可行的造型;通过3D打印的实物进行实地使用验证，能根据验证结果进行科学评估，并有针对性地进行修正调整。

    三是情感态度与价值观：认识技术与生活的关系，关注信息技术的发展，树立利用信息技术的使命感和责任意识;在测量、设计、建模、加工的过程中，感受事物造型设计加工的快乐和成就，并通过一系列的创造实践过程，能客观、科学地认识事物相关联的知识和规律;关注生活，积极思考，善于观察发现日常生活和学习中的需求点，激发自我的求知与探索精神，形成运用信息技术手段改善生活的兴趣和习惯。

    四是行为与创新：勤思考善动脑，积极参与各种与信息技术教育有关的创新设计与开发活动;利用3D建模打印技术实现创新思想，通过实践判断真伪，验证想法;规范安全使用3D打印的相关设备，养成合理地应用技术设备的行为习惯，并懂得简单故障的判断与排除;尊重他人作品，不轻易破坏拆卸他人作品，遵守公众领域的行为规范和道德准则。

    ● 选择课程内容

    根据课程目标的定位，设计与建模技术是3D打印的核心技术，是学生实现自主造型设计的重要前提和必备技能，也是本课程的核心。围绕这一核心，课程以“3D打印机为重要设备，建模技术为必备技能，创新思想为核心思想”这一指导思想进行内容建构。

    首先，3D打印机是实现设计物化的基础和保障。在设计打印的过程中，掌握了解3D打印的基本原理，能够操作3D打印机，懂得排除打印机的简单故障，能将设计的三维模型打印成型，是非常重要的保障，没有打印机的最终的成型出品，所有设计也都是纸上谈兵。

    其次，掌握造型设计的绘图方法，培养学生空间思维能力，并根据前期设计草图，利用3D建模软件设计三维模型，这也是学生必备的重要技能。因此这里的设计包括两方面，一方面是创意实体的设计思路，另一方面是对建模软件的设计能力。

    最后，在教师的指导下，发现问题引发思考，能根据实际环境的因素，合理巧妙地进行创意实体的想象与构建。这不但需要有解决问题的逻辑思维，而且需要有立体空间感知和迭代更新的思考验证能力。

    基于以上原因，课程具体内容可以包括以下三个模块。

    一是设计与测量。①能够根据实际情况，思考分析问题找准关键点。②根据需求，有针对性地提出解决方案和设计思路。③能根据设计思路想法，脑中形成事物的基本造型。④能掌握测量工具的使用（如游标卡尺、角尺、卡钳等）。⑤准确记录测量物体的数据，并能根据实际需要计算无法测量数据。

    二是绘图与建模。①通过观察测量，能根据数据推断预设要加工制造物体的尺寸大小。②理解从不同视角设计绘制物体的原理和方法。③能按照实际比例绘制物体的不同平面度，并科学合理地标注出设计尺寸的数值。④根据设计图，运用建模软件准确绘制事物平面轮廓。⑤掌握三维建模软件基本术语和其对应的操作方法（如倒角、扫掠、阵列等）。⑥掌握平面图形转三维造型的方法，能参照不同视角的设计图创建立体模型。⑦能灵活运用软件中的各种工具（如壳体、投影、切割等），并根据模型的特点，创造性地综合应用工具进行模型的创建。⑧能识别判断模型创建时出现的错误（如破面、尺寸等），并及时调整和修正。

    三是打印与调试。①认识建模文件和可供打印机打印的文件类型。②掌握打印切片软件的操作使用，科学摆放模型文件并进行模型切片。③学会3D打印机的操作步骤和方法，认识PLA和ABS耗材的区别。④能判断并排除3D打印机的简单故障（如翘边、堵丝等）。⑤利用工具规范安全地对打印支撑进行处理。

    ● 课程开设建议

    课程具体开设时，学校可以从教学实际出发，根据学校软硬件情况、校本特色以及学生的具体情况合理制订课程开设的形式、年段及课时。

    在形式上，本课程可以作为中小学信息技术学科的拓展模块供学生选修，也可以作为一个拓展延伸项目融入学科教学，形成“3D打印+”的学科模式，如3D打印+科学、3D打印+数学等，实现国家课程、地方课程、校本课程的协调發展。学校可以整合本区域信息技术学科、校本课程或其他相关学科课程进行适当设计。具体教学时，教师可以采用常规教学形式进行，也可以以综合实践主题活动、社团小组的形式进行。

    在开设年段上，笔者建议课程设置的起始年级为小学五年级，根据具体情况的不同，也可以选择小学六年级或初中一年级开设课程。一些确有条件提前开设3D打印课程的学校或地区，前期授课时可以参与体验为主。从用3D打印技术解决学科或生活问题的角度考虑课程教学，引导学生将3D打印作为一种基本的研究工具来对待，特别要注意保证学生良好行为习惯的养成及认知状态的健康发展。

    在课时安排上，可以采用每周1～2课时，如开设每周2课时，可两课连上，保证教学过程的连续性和操作性。

    在授课教师方面，有条件的学校建议多学科联合，如科学或综合实践教师配合信息技术教师授课，启发带领学生对主题进行观察研究。

    ● 教学实践策略

    笔者通过教学实践得出了以下教学策略，以期能够为广大教师提供参考。

    第一，坚持启智导学，引导学生从需求出发，发现问题思考方案。在教学过程中教师应营造情境，鼓励学生研讨协作，在实际环境中进行观察推演、设计模型并修改完善。除了积累成功经验，还要记录每一次的问题，避免在后续操作过程中出现同样错误。

    第二，注重学生个性特征，重视教学方法的同时关注学生的学法、做法的研究。教学中要以学生为主体，教学内容要与学生实际认知相关联。启发学生发散思维，鼓励学生针对同一个造型采用不同的建模方式，通过不同的建模过程对比，选出最为合适的方法。尊重学生兴趣和差异，因材施教，通过组织实施个别辅导和分层教学的方式，为具有兴趣特长与能力的学生提供必要的学习机会。

    第三，重视能力培养，形成健康心理品质。在教授3D打印知识技能的过程中，通过创建真实问题情境，从实际需求出发，引导学生关注积极健康的主题模型設计。在学习活动中还要关心学生心理品质的成长，在实践活动中培养其胜不骄败不馁、积极探索、团结协作等优良品质。

    第四，构建任务驱动课堂模式。教学中教师应构建问题情境，在解决问题的过程中，把具体问题分解为一个个小任务，采用任务驱动的方式具体组织课堂教学。引导学生做好前期绘制测量工作，通过多次测量绘制验证数据的准确度，从而确保打印物件的实用性，真实解决生活和学习中的问题。建模过程中，教师要引导学生注意整体与局部的关系，用整体设计、局部建模的方法，预算机器打印的误差值，确保实物的衔接和组合。通过实际打印的过程演示，帮助学生了解模型文件的可输出性。

    第五，合理利用各种资源，加强与其他学科间的联系。在教学过程中，教师应多方搜集、制作资源提供给学生，以达到激发兴趣、解决疑难、拓展思维的效果。鼓励从事3D打印教学的教师与其他学科教师加强沟通，保证3D打印技术教学在完成基本教学任务的同时，与其他学科教学形成更紧密的联系。

    第六，多种评价方式相结合，促进学生综合能力的培养。通过评价，关注学生的空间思维、创造技能、设计品质、想象力、创造力、实践能力等方面，考察评估学生综合能力指数。具体来说，可以将诊断性评价、形成性评价、总结性评价相结合进行评价，以保证教学目标的达成。下表是笔者设计的课程学习评价表。

    总之，基于3D打印技术的创意实体课程设计，要本着发展学生创造性和实践性的原则，关注每一个学生的发展。相信随着课程的不断深入实施，学生对实践创造的兴趣必将越来越浓，并对其产生持久的学习动力。