运用3D打印技术解决“正投影与三视图”教学的困境

沈伟春 范建荣

普通高中通用技术是以培养学生技术素养为主要目标，主要特点是设计与操作学习，立足于“做中学”和“学中做”，其学习过程是一个不断发现与明确问题、分析与解决问題、不断权衡和优化的过程。学生通过课程的学习能更加理性地看待技术，通过技术实践增强技术思维和方法的学习与运用，发展工程思维和创造能力，培养表达和物化能力，提高解决技术问题的综合能力。然而，由于通用技术知识的涵盖面很广，对教师的专业或教学专长是一大挑战，在教学实践中，教师在设计、表达上存在一定的偏差或困难。随着现代高新技术的发展，新型的设计软件与配套资源、新技术设备的出现为教学提供了帮助，如3D打印机、激光雕刻机等设备逐渐丰富起来，借助技术设备，能有效地帮助师生解决实际困难。

提出问题

通用技术必修“技术与设计Ⅰ”（苏教版）第六章第二节“常见的技术图样，正投影与三视图”主要描述了正投影形成三视图的方法、原理，三视图的绘制方法和规律等。学生通过学习掌握“能绘制简单三视图”的知识和技能，学会一种设计交流的技术语言，为后续学习“形体的尺寸标注”和“机械加工图”奠定基础。

经过几轮的教学实践，笔者发现三视图教学过程中有几个问题一直干扰着教师与学生对此内容的教学与理解。一是三视图转化为轴测图的空间思维能力不足。学生在小学初中阶段形成的惯性数学思维对作为加工依据的三视图的认识造成很大干扰，技术工程中三视图的表达方法和态度有很大区别，学生空间思维普遍比较弱，离开了实际形体，对复杂形体的视图表达与理解就会遇到困难。二是教学用的实物形体比较欠缺，不能满足教学需要。大部分教具需要自制，但由于受到加工工具、设备及材料的限制，很多教具无法或难以制作出来，或者要花费很长时间才能制作出来，得不偿失。

例如，形体在三视图教学中是一个难点，很考验学生的空间感和对正投影概念的理解，是教师进行三视图训练的典型案例。如果没有实物参考，学生很难完整地自主绘制完成。在以往的教学实践中，苦于没有合适的材料和加工工具，很难把这个形体实物制作出来，笔者以前是用卡纸折叠、粘接而成，整体外观不尽如人意，只能勉强作为教具使用。

3D打印技术在教学中的应用

3D打印技术是一种增材制造技术，以数字模型为基础，将塑料、粉末状金属等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体，体现了信息技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合。笔者在三视图教学中3D打印的教学操作过程如下。

（1）先通过计算机建模软件建模，笔者使用的是一款免费软件——Autodesk公司的123DDesgin设计软件，设计制作一般三维模型，用这款软件足够了。

（2）打开设计软件，先在工具栏的基本体中拖一个立方体，在参数窗口中设置好长宽高等数值，建立一个正方体模型，如图1所示。

（3）从基本体中建立一个楔形体，通过扭曲命令将楔形体一个面的上下两边合并形成一个斜面体，如图2、图3所示。

（4）利用这个新斜面体去裁减立方体便生成所需要的立体模型，如图4、图5所示。

（5）要想将做好的模型打印出来，还需要切片步骤，不然3D打印机不能识别打印。所以先将设计导出为stl格式，然后导入切片软件，进行切片，如图6所示。

（6）将切片好的模型文件导入3D打印机打印物化，如图7所示。

接着，笔者将打印完成的3D模型呈现在课堂教学中，让学生观察3D实体模型及三维图形来拓宽学生的视觉、触觉，给学生带来不一样的感官体验，这样有助于提升学生的空间建构能力。结合3D模型，使其具体化、形象化地绘制出模型的三视图，解决了一个教学难题。通过这样的教学形式，学生的体验更为直观、更为感性。将数字化的设计、虚拟模型转变为可触碰的实物，增加了学习的乐趣，有助于培养学生的理解能力与逻辑思维能力，拓宽了学生的创造空间，同时还提升了教师的教学效率和学生的学习效率。使用3D打印模型辅助教学前后对比如左下表所示。

又如，教学中的补线题，如下页图8所示，补全三视图中所缺的三条图线。用这三张图构建空间形体，考验学生的空间想象力，这虽然有一定的难度，但可以运用3D打印技术来帮助学生解题。

首先，同样借助建模软件来设计一个3D模型：①先建一个正方体模型。②用一个长宽均小于正方体边长的长方体和正方体中心对齐。③合并相减。④用一个草图平面沿正方体三个面对角线对正方体切割。⑤删除切下部分。⑥将设计好的模型切片，导入3D打印机打印成型（如图9）。最后，参照实体模型完成补线图，如图10所示。

这类题目对学生空间想象能力的要求比较高，以此为测试题，学生的得分普遍比较低，在黑板上绘制形体，学生反映还是难以理解，而用3D模型让学生实际观察思考，对提升学生的空间感很有帮助。引入3D打印技术完成教学实物模型，每个投影面都能很完美地按教学要求展示出来，不仅提高了学生的绘图能力，而且可以更好地增强学生学习的积极性。同时，通过3D桌面打印技术，可以很好地克服自制教具的困难，教师在课堂中展示自己建模并3D打印的作品，让学生真真切切地感受到现代科技就在身边，也可以更多激发学生的课堂学习兴趣。

教学应用反思

将3D打印技术作为课堂教学的新型辅助手段，教师掌握了简单模型的构建方法和3D打印机的基本使用方法，结合探究式教学法，更能让学生体会到“做中学”的乐趣，有利于激发学生的学习积极性和创新思维。

1.提升学生学习的主观能动性

将3D打印技术引入课堂，可以丰富教师的教学手段，将抽象概念、虚拟模型和设计以物化形式展现在学生面前，带来强烈的视觉冲击感与真实感，激发学生的学习兴趣与实践积极性，提高学习热情，使其更加主动地学习。

2.拓展学生的创新思维

3D打印不仅解决传统教学的弊端，而且还能够丰富学生的视野，锻炼学生的立体思维，有助于提升教师的教学效率和学生的学习效率，是拓展学生创新能力发展的重要环节，对创新型人才的培养具有积极意义。

3D打印技术在教学中的应用还要不断探索，可以按照教学需要，建立教学模型资源库，应教学内容设计或修改模型打印来解决教学中的实际问题，借助新技术为提高教学质量和学生的技术素养、创新能力服务。