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查，1個小時的時間里，12所學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。我把這些分享進行整理，發(fā)現問題主要集中在設備、師資、課程三個方面，以下是我對這三個問題的思考。
設備的問題

1. 設備故障的問題

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

反思這個普遍存在的問題，對于3D打印進課堂，肯定需要3D打印機廠商的支持。雖然近幾年，3D打印機已經降到幾千元，然而機器價格僅僅是一方面，要在校園開展3D打印課程教學，還需要做很多工作。而現在的3D打印機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，還要根據打印作品的形狀特點調整支撐、底板、填充等一大堆參數，然后保存為G代碼文件，再連接電腦或者拷貝到SD卡，整個過程要經過漫長的等待才能完成。3D打印機打印速度很慢，一個10cm×10cm×10cm的模型，如果要稍微打印精細些，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。難以實現當堂反饋，教學效果也就打了折扣。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，將大大降低進入課堂的技術門檻。

據開展3D打印課程的學校反饋，很多老師因為好奇而學習和使用3D打印機，但煩瑣的操作嚇退了一部分老師�？吹酱蛴∷俣嚷�、很難達到自己預想的課堂效果，又有一部分老師放棄�？吹酱蛴〕鰜淼淖髌焚|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3 D 打印要進入課堂，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，大部分學校選擇了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在國內江蘇省常州市天寧區(qū)管雪沨老師的團隊編輯出版了相應教材。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，浙江省溫州中學謝作如老師團隊的3D打印課程《數學視野下的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，可以進行切片、查看修改G-Code、手動控制3 D打印機、更改某些固件參數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用其他的切片軟件進行切片，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)客空間團隊在不影響學生對3D打印理解的基礎上，開發(fā)了陶泥3D打印機。陶泥材料的3D打印機是根據半流體沉積成型原理工作的。通過擠出設備擠壓陶泥入噴頭，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。在不影響學生對3D打印原理理解的情況下，可以實現學生設計作品的當堂打印完成，從而實現教學的及時反饋；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上進行二次加工，實現藝術與技術的完美結合。

3. 模型打印困難的問題

現在的3D打印技術還沒有發(fā)展到任何一種設計都能輕松打印出來。在3D打印課程中，有學生也設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，需要師生對打印機本身非常熟悉，了解各種參數設置和工作原理。
師資的問題

在開設3D打印課程的學校中，大部分的老師是信息技術老師，只有一位是美術老師，她是淄博市美術教研員畢娟老師的數字美術團隊的成員。 她的團隊與信息技術學科融合，開展數字美術教育，引導學生做出了很多有創(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，我認為3D打印進課堂應該是多學科的，才具有生命力。例如，和美術課的結合，就可以實現一種基于設計的學習（DBL），學生在自己設計意圖的驅動下，經過一系列的學習研究，在3D打印機的幫助下完成自己的作品，用數字化的方式體驗了藝術創(chuàng)作的過程。

3D打印還可以和數學結合，謝作如老師總結了和數學學科結合的幾點優(yōu)勢：（1）教學中，學習者借助3D打印技術，可以看見具體的實物，體現了數學來自于生活的理念。（2）借助3D模型，可以讓缺少空間想象力的學習者有一個真實的認知過程。（3）我們可以制作一個3D模型，通過打印檢驗所學的知識是否正確。（4）學習者可以利用所學知識進行創(chuàng)新，并通過3D打印的方式進行檢驗，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科結合，上海行知中學的陳嶺老師做了有益的嘗試。他把3D打印技術和自己教的物理學科結合起來，打印相關教具和實驗設備，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，3D打印技術如果被技術學科之外的學科老師掌握，并應用到教學中，才會真正走進課堂。
課程問題

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

1. 基于真實需求的3D打印課例設計

如何讓學生對3D打印持續(xù)學習，是一個問題。淄博市淄川一中的李浩老師在學生學習完成3D打印基本操作后，引導學生學習四軸飛行器制作的時候，用3D打印軟件進行支架的設計。還有的老師引導學生用3D打印解決生活中的問題，例如，設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打印課例設計可以融入測量的知識，這種3D建模更有設計因素的體現，并且能讓學生體驗精確測量的重要性。學生們反映，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打印課程設計或許能更好地把3D打印機定位于工具的角色，是一個服務于我們生活的工具，而不是高大上的產品，這樣或許更容易走入課堂。

2. 基于藝術設計需求的3D打印課例設計

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

反思這些課例設計，我發(fā)現一線的老師們也在積極地嘗試各種教學方式，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打印教學已經跳過打印一些網上下載的精美模型的炫酷階段，進入到解決真實問題需要的情景導入、精確工具測量的數據采集、在數學基礎上的模型設計階段，或許這樣更能接近于STEM課程中“工程”的理念。


轉自 于方軍 中小學信息技術教育