很實在！來自教育前線的老師對3D打印課堂的幾點思考

去年，在山東省淄博市張店區(qū)華僑城小學(xué)組織了一次分享活動。在分享活動中，我有意識地加入了一些調(diào)查，1個小時的時間里，12所學(xué)校的老師們分享了在開展3D打印課程中所遇到的問題，解決這些問題的方法和建議，以及未來的發(fā)展方向。我把這些分享進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)問題主要集中在設(shè)備、師資、課程三個方面，以下是我對這三個問題的思考。
設(shè)備的問題

1. 設(shè)備故障的問題

打印機(jī)噴頭堵塞是最常見的問題，現(xiàn)場幾乎所有學(xué)校都出現(xiàn)過這個故障。究其原因，現(xiàn)在學(xué)校配備的大部分是FDM原理的桌面級3D打印機(jī)，這種打印機(jī)在使用過程中容易出現(xiàn)噴頭堵塞。輕一點的可以用鋼絲直接疏通，嚴(yán)重的就要拆下噴頭處理，如果還不行就要送廠家維修了。有些廠商已經(jīng)解決了這個技術(shù)問題，如淄博創(chuàng)客空間研發(fā)團(tuán)隊改進(jìn)的噴頭結(jié)構(gòu)就解決了這個技術(shù)問題。

反思這個普遍存在的問題，對于3D打印進(jìn)課堂，肯定需要3D打印機(jī)廠商的支持。雖然近幾年，3D打印機(jī)已經(jīng)降到幾千元，然而機(jī)器價格僅僅是一方面，要在校園開展3D打印課程教學(xué)，還需要做很多工作。而現(xiàn)在的3D打印機(jī)確實還存在很多硬傷。

2. 打印操作煩瑣，打印速度慢

一個完整的作品打印過程包括：利用建模軟件完成作品后生成STL文件，然后用切片軟件切片，還要根據(jù)打印作品的形狀特點調(diào)整支撐、底板、填充等一大堆參數(shù)，然后保存為G代碼文件，再連接電腦或者拷貝到SD卡，整個過程要經(jīng)過漫長的等待才能完成。3D打印機(jī)打印速度很慢，一個10cm×10cm×10cm的模型，如果要稍微打印精細(xì)些，一般需要幾個小時。再小點的模型，從開始加熱到模型打印完畢，最快也要半個小時左右。難以實現(xiàn)當(dāng)堂反饋，教學(xué)效果也就打了折扣。如果3D打印能像打印一個Word文檔一樣，一點“打印”按鈕，幾分鐘就能完成，將大大降低進(jìn)入課堂的技術(shù)門檻。

據(jù)開展3D打印課程的學(xué)校反饋，很多老師因為好奇而學(xué)習(xí)和使用3D打印機(jī)，但煩瑣的操作嚇退了一部分老師。看到打印速度慢、很難達(dá)到自己預(yù)想的課堂效果，又有一部分老師放棄。看到打印出來的作品質(zhì)量不高，又有老師失望而去，最后能堅持下來的老師并不多。

反思這個問題， 我們發(fā)現(xiàn)3 D 打印要進(jìn)入課堂，首先要選擇合適的建模軟件，常見的建模軟件如Solidworks、Rhino（犀牛）、Sketchup、Aut o de sk等。對于入門教學(xué)，大部分學(xué)校選擇了Sketchup，因為Sketchup是開源軟件，安裝包小，對電腦系統(tǒng)的要求不高，適合普及�，F(xiàn)在國內(nèi)江蘇省常州市天寧區(qū)管雪沨老師的團(tuán)隊編輯出版了相應(yīng)教材。除此之外，Autodesk的123D也是一款很好的入門軟件。Autodesk的教育版軟件是免費的，只要不用于商業(yè)用途就可以。123D Catch還可以讓我們輕松地使用照片創(chuàng)建3D模型，不足的是這款軟件還沒有中文版本的，英文不好的老師用起來有些吃力。OpenScad也是開源軟件，浙江省溫州中學(xué)謝作如老師團(tuán)隊的3D打印課程《數(shù)學(xué)視野下的3D打印》就是基于OpenScad開發(fā)的。

還要選擇合適的切片軟件，Repe t i e r - H o s t是Repetier公司開發(fā)的一款免費的3D打印綜合軟件，可以進(jìn)行切片、查看修改G-Code、手動控制3 D打印機(jī)、更改某些固件參數(shù)以及其他的一些小功能。Repet i er公司并不提供切片引擎，而是在該軟件中外部調(diào)用其他的切片軟件進(jìn)行切片，比如CuraEngine、Slic3r及Skeinforge等切片軟件。在同類軟件(如Printrun、Repelicator-G)中使用起來是比較方便的一款。

為了解決打印速度慢的問題，淄博創(chuàng)客空間團(tuán)隊在不影響學(xué)生對3D打印理解的基礎(chǔ)上，開發(fā)了陶泥3D打印機(jī)。陶泥材料的3D打印機(jī)是根據(jù)半流體沉積成型原理工作的。通過擠出設(shè)備擠壓陶泥入噴頭，無需加熱過程，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，與周圍的材料粘接到一起成型。這種方式的優(yōu)勢有五點，一是成型速度快，陶泥噴頭可以做得較粗，每一層打印的層高就可以很高，打印速度就能提高。在不影響學(xué)生對3D打印原理理解的情況下，可以實現(xiàn)學(xué)生設(shè)計作品的當(dāng)堂打印完成，從而實現(xiàn)教學(xué)的及時反饋；二是不需要高溫加熱，安全性得到保障；三是原材料可以重復(fù)利用；四是原材料價格便宜，容易獲得；五是作品打印完成后，由于陶泥的特性還可以在打印基礎(chǔ)上進(jìn)行二次加工，實現(xiàn)藝術(shù)與技術(shù)的完美結(jié)合。

3. 模型打印困難的問題

現(xiàn)在的3D打印技術(shù)還沒有發(fā)展到任何一種設(shè)計都能輕松打印出來。在3D打印課程中，有學(xué)生也設(shè)計了許多有趣的模型，例如，一棵掛滿蘋果的樹，雖然很漂亮，但打印的時候發(fā)現(xiàn)支撐很難加上。還有很多模型有突出的部分或懸空的部件，如果不加一些特殊的支撐，就無法打印。要把這些稀奇古怪的模型打印出來，需要師生對打印機(jī)本身非常熟悉，了解各種參數(shù)設(shè)置和工作原理。
師資的問題

在開設(shè)3D打印課程的學(xué)校中，大部分的老師是信息技術(shù)老師，只有一位是美術(shù)老師，她是淄博市美術(shù)教研員畢娟老師的數(shù)字美術(shù)團(tuán)隊的成員。 她的團(tuán)隊與信息技術(shù)學(xué)科融合，開展數(shù)字美術(shù)教育，引導(dǎo)學(xué)生做出了很多有創(chuàng)意的作品，并在上海嘉年華、北京嘉年華大放異彩。

反思這個問題，我認(rèn)為3D打印進(jìn)課堂應(yīng)該是多學(xué)科的，才具有生命力。例如，和美術(shù)課的結(jié)合，就可以實現(xiàn)一種基于設(shè)計的學(xué)習(xí)（DBL），學(xué)生在自己設(shè)計意圖的驅(qū)動下，經(jīng)過一系列的學(xué)習(xí)研究，在3D打印機(jī)的幫助下完成自己的作品，用數(shù)字化的方式體驗了藝術(shù)創(chuàng)作的過程。

3D打印還可以和數(shù)學(xué)結(jié)合，謝作如老師總結(jié)了和數(shù)學(xué)學(xué)科結(jié)合的幾點優(yōu)勢：（1）教學(xué)中，學(xué)習(xí)者借助3D打印技術(shù)，可以看見具體的實物，體現(xiàn)了數(shù)學(xué)來自于生活的理念。（2）借助3D模型，可以讓缺少空間想象力的學(xué)習(xí)者有一個真實的認(rèn)知過程。（3）我們可以制作一個3D模型，通過打印檢驗所學(xué)的知識是否正確。（4）學(xué)習(xí)者可以利用所學(xué)知識進(jìn)行創(chuàng)新，并通過3D打印的方式進(jìn)行檢驗，并在創(chuàng)新的過程中讓知識得到升華。

3D打印也可以和物理學(xué)科結(jié)合，上海行知中學(xué)的陳嶺老師做了有益的嘗試。他把3D打印技術(shù)和自己教的物理學(xué)科結(jié)合起來，打印相關(guān)教具和實驗設(shè)備，完成了有創(chuàng)意的物理實驗。

通過上面幾個例子我們發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)如果被技術(shù)學(xué)科之外的學(xué)科老師掌握，并應(yīng)用到教學(xué)中，才會真正走進(jìn)課堂。
課程問題

最早開始將3D打印引入課堂的老師說，開始都是跟網(wǎng)上的視頻教程學(xué)習(xí)3D打印技術(shù)，而這些課程偏重于技術(shù)，更像軟件的使用說明書。沒有合適的課程設(shè)計，所以不適合學(xué)生學(xué)習(xí)。3D打印課程的設(shè)計應(yīng)該更多地讓學(xué)生理解一些基本的東西，例如，讓學(xué)生理解點動成線、線動成面、面動成體，在這個基礎(chǔ)上開發(fā)一些適合學(xué)生學(xué)習(xí)特點的課程。

1. 基于真實需求的3D打印課例設(shè)計

如何讓學(xué)生對3D打印持續(xù)學(xué)習(xí)，是一個問題。淄博市淄川一中的李浩老師在學(xué)生學(xué)習(xí)完成3D打印基本操作后，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)四軸飛行器制作的時候，用3D打印軟件進(jìn)行支架的設(shè)計。還有的老師引導(dǎo)學(xué)生用3D打印解決生活中的問題，例如，設(shè)計一個把手裝到教室的書櫥上，打印一個水龍頭按鈕替換壞掉的按鈕。

3D打印課例設(shè)計可以融入測量的知識，這種3D建模更有設(shè)計因素的體現(xiàn)，并且能讓學(xué)生體驗精確測量的重要性。學(xué)生們反映，通過這種方法理解測量中的“誤差”要比物理課本上他們接受的“誤差”概念深刻得多。3D打印課程設(shè)計或許能更好地把3D打印機(jī)定位于工具的角色，是一個服務(wù)于我們生活的工具，而不是高大上的產(chǎn)品，這樣或許更容易走入課堂。

2. 基于藝術(shù)設(shè)計需求的3D打印課例設(shè)計

華僑城小學(xué)的于愷老師引導(dǎo)學(xué)生用3D打印軟件完成自己的七巧板設(shè)計，讓學(xué)生拼出個性化的七巧板拼圖。還有的老師把自己學(xué)校的�；諏�(dǎo)入建模軟件中，讓學(xué)生嘗試設(shè)計自己學(xué)校的立體�；铡＿�有老師介紹了通過一個網(wǎng)頁浮雕制作工具，來實現(xiàn)不同風(fēng)格的浮雕效果（http://3dp.rocks/lithophane），把自己的照片生成浮雕效果打印到筆筒上……

反思這些課例設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)一線的老師們也在積極地嘗試各種教學(xué)方式，通過更多老師的參與，3D打印課程一定會越來越豐富。

總之，通過老師們的嘗試，3D打印教學(xué)已經(jīng)跳過打印一些網(wǎng)上下載的精美模型的炫酷階段，進(jìn)入到解決真實問題需要的情景導(dǎo)入、精確工具測量的數(shù)據(jù)采集、在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的模型設(shè)計階段，或許這樣更能接近于STEM課程中“工程”的理念。


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