3D建模打印折射创客教育新路径

周迎春

摘 要 创客教育是培养和提升学生创造能力及解决问题能力的重要途径，3D建模打印综合了信息技术、工程数学、艺术、物理等学科知识，与创客教育的目标相契合。从《中小学3D建模打印教程》这本创客教育校本课程的编写出发，谈实施过程中的一些感悟。

关键词 3D建模；3D打印；创客教育

中图分类号：G434 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）21-0046-04

美国近年也开始拥抱创客运动提出要创新教育以提升学生STEM的学习水平，认为学校教育变得越来越僵化，大量的作业和考试，造成了学生对知识的死记硬背，学生的创造力和创新精神正在丧失。教育部在《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》中提出，有条件的地区要积极探索新技术手段在教学过程中的日常应用，有效利用信息技术推进众创空间建设，探索创客教育、STEM教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识。教育部教育裝备研究与发展中心在根据教育部工作部署制订2016年工作要点中，把创客教育作为加强创新创造教育研究的中心工作。

目前3D建模打印技术方兴未艾，技术日趋成熟，应用日益广泛。绘制路径—获取图形—物体放样是3D建模的三部曲，同样创客教育也需要“绘制”实施的路径。创客教育，集创新教育、体验教育、项目学习等思想为一体，融合科学、数学、物理、化学、艺术等多学科知识，注重培养学生的想象力、创造力以及解决问题的能力，能有效提升学生的STEM学习水平及跨学科的学习能力。我们在实践中探索建设3D建模打印课程及3D打印创客教室，并列入高年级的课程表，把它作为学校创客教育的新路径，取得较好成效。

1 引入空间认识3D打印

8岁的马克斯·灰及其家人利用3D打印技术，创造了一款带有迷你篮球圈的咖啡杯（图1），让马克斯的创意想法变为现实，马克斯的产品还申请了专利并将其成功推向市场，成为畅销产品。去年南京大学博士生侯印国创办的烘焙连锁品牌“麦可可”推出一款“蓝鲸”月饼，就是用现代3D打印科技结合传统月饼食材工艺制作而成的。诸如此类的事例在新闻中屡见不鲜。

在3D建模打印创客教育课程中曾以上述范例引导学生建模，认识3D打印并制作3D月饼印模（图2）。小学生成功模仿并打印完成大学本科生创客作品的体验，给了他们更多的创新动力。在青少年科技发明比赛金点子征集过程中发现有“洁净水杯”的创意（图3），虽然简单，但是有创新的亮点，即杯子柄部设计成45°斜边放置时可避免灰尘进入，于是引导学生在3DMAX中建模然后3D打印。该杯子参加创新大赛并获得奖项。

2 结合实例，开展教学

电子百拼的器材中缺了转盘，无法“起飞”了，你能利用3DMAX建模并打印一个让转盘再次升空吗（图4）？家里的新房要装修，你能为自己客厅背景墙作一个3D设计吗（图5）？诸如此类的问题情境设计都成了3D建模打印创客教育课程的内容，转盘及客厅背景的设计涉及工程、数学、物理、艺术等多学科内容，需要学生在制作时搜集相关资料并进行研究，然后融合自己的创意在3DMAX中描绘，在3D打印机下输出实现。学生在学习3D建模打印的同时独立思考能力、创造能力、跨学科的学习能力得到了培养和提高。有些跟学生现实生活密切相关的问题的解决，有时候信手拈来也成了3D建模打印创客课程的内容。笔者设计的“3D沙滩椅塑料构件制作”教学案例，曾在苏州市小学信息技术教学观摩活动中展示。

3 动手动脑相结合：课程实践

以上述教学案例为例。

教学目标 1）运用超级布尔、挤出、车削等命令构建座椅塑料构件；2）学习二维图形的附加及顶点的熔接、

焊接等；3）体验运用3D建模打印解决生活中的实际问题；

4）了解3D打印机打印输出3D模型的过程。

教学重难点 二维图形的附加及布尔运算。

教学准备 3D打印塑料构件、3D打印过程录像、3D组装动画、操作演示微视频、教材等。

教学过程

1）发现问题，策略探讨。①问题的提出：展示沙滩椅实体，图示沙滩椅的塑料构件坏了，造成整个椅子无法正常使用，今天我们的任务是要用已学的3DMAX建模命令“生产”出一个完好的构件（PPT展示、板书课题）；②分组观察构件的形状特点提出解决方案；③各组汇报解决方案后进一步细化制作流程。

讨论方案：已损坏的塑料由哪两个部分组成（图6～图7）？应分别如何运用3DMAX来构建？你能先简要说说准备在3DMAX中如何构建塑料构件主体吗？柱体附件有何特点？它的截面是怎样的？（动画）那个柱形附件该用什么命令构建呢？（板书）

2）超级布尔制作构件主体。

课题A：构建一个43 mm*43 mm*19 mm的圆角长方体。学生认领课题上台演示。后全体学生按教材提示或者教师机大屏幕动画操作演示构建。（在PPT上给完成此项操作的学生加分。）

①进入自定义菜单设置系统单位为毫米；②进入图形面板运用“矩形”工具在顶视图中绘制一个矩形，随后在修改面板中设置边长为43 mm*43 mm；③在修改器中将其转换为可编辑样条线；④选择“可编辑样条线”下“顶点”，用移动工具选中四个顶点，在“圆角”中设置6 mm；⑤在修改器列表中选择挤出，并设置“数量”为19 mm（图9）。

课题B：在长方体上开一个半径为8 mm的孔及两个宽度为15 mm的两长方体槽口。学生认领课题上台演示。后全体学生按教材提示或者教师机大屏幕动画操作演示构建（提示在F盘下“3D操作演示”中有视频）。

①选择顶视图，在标准基本体中构建绘制半径为8 mm的圆柱，高度大于19 mm即可，边数设置60，调整位置使其“贯穿”长方体（图10）。

②在顶视图中按前面圆角矩形之绘制办法，绘制30 mm*

15 mm*15 mm的长方体一个，克隆复制一个并在z轴旋转90°（建议打开角度捕捉切换并设置角度为90）。

学生操作后，提问：有无更简单的办法？（简便方法：克隆两个大圆角长方体，分别在x轴方向及y轴方向缩小至35。）

③将上述圆柱、两小圆角长方体移动到相应位置后，选中当前物体为最大的圆角长方体，点复合对象中的超级布尔运算proboolean，在大圆角长方体上减去两小长方体及圆柱。

课题C：在长方体侧面进行超级布尔运算。观察模型侧面需如何操作？二维图形的截面该怎样绘制？教师提示操作方法及要点后，学生按教材提示或者F盘预发演示微视频进行操作。

侧面二维图形绘制教程：①在顶视图中，选图形面板下运用“弧形”“直线”等工具绘制图11所示平面图形；②选择修改面板下样条线选项，当前选择弧形，附加另一部分线段；③选择相关顶点进行熔接或者焊接；④在修改器列表中挤出，数量为13 mm，然后超级布尔（图12）。

3）车削制作柱形构件。

课题D：制作柱型塑料构件（图13）。比赛规则：两个构件最快全部完成或者完成率最高的小组每人加3分（注：以上传教师机文件数计算，可以相互协助完成）。①切换到前视图在图形面板运用线工具绘制图14；②相关顶点选中后右键菜单设置“平滑”，在修改器列表中选择车削，并选择焊接内核及对齐方式为最小，分段60；③当遇到一些顶点处还不够平滑，可进入修改器，选中顶点进行圆角处理。

课题E：如何确定柱形构件的高度及半径？

4）观看3D打印录像片段，了解3D打印机工作过程（图15）。看了3D打印机的工作过程，你有什么感想？

5）组装解决实际问题，小结本课教学内容。

①动画演示组装方法后请学生上台实际操作，更换沙滩椅构件（图16）。

②小结：“问题解决了，我们的课也将结束了，今天课堂上我们运用已学知识构建了3D塑料构件，维修好了沙滩椅，问题的解决经历了分析观察、测量数据、模型构建、3D打印、组装调试等环节。美国航天局继2014年后今年又给空间站送去一台大小翻倍的升级版3D打印机，3D打印正在改变了我们的生活，回去思考一下3D打印还能帮我们做什么？你想让它协助我們解决什么问题？”

板书设计见图17。

参考文献

[1]杨丽.创客教育与课堂创新[J].中小学电教，2015（6）：

60-61.

[2]祝智庭，孙妍妍.创客教育：信息技术使能的创新教育实践场[J].中国电化教育，2015（1）：14-21.

[3]童宇阳.3D打印技术在中小学教学中的应用研究[J].现代教育技术，2013，23（12）：16-19.