未来智库 > 3D打印论文 > 【3D打印进课堂的思考】
    设备的问题
    1. 设备故障的问题
    打印机喷头堵塞是最常见的问题,现场几乎所有学校都出现过这个故障。究其原因,现在学校配备的大部分是FDM原理的桌面级3D打印机,这种打印机在使用过程中容易出现喷头堵塞。轻一点的可以用钢丝直接疏通,严重的就要拆下喷头处理,如果还不行就要送厂家维修了。有些厂商已经解决了这个技术问题,如淄博创客空间研发团队改进的喷头结构就解决了这个技术问题。
    反思这个普遍存在的问题,对于3D打印进课堂,肯定需要3D打印机厂商的支持。虽然近几年,3D打印机已经降到几千元,然而机器价格仅仅是一方面,要在校园开展3D打印课程教学,还需要做很多工作。而现在的3D打印机确实还存在很多硬伤。
    2. 打印操作烦琐,打印速度慢
    一个完整的作品打印过程包括:利用建模软件完成作品后生成STL文件,然后用切片软件切片,还要根据打印作品的形状特点调整支撑、底板、填充等一大堆参数,然后保存为G代码文件,再连接电脑或者拷贝到SD卡,整个过程要经过漫长的等待才能完成。3D打印机打印速度很慢,一个10cm×10cm×10cm的模型,如果要稍微打印精细些,一般需要几个小时。再小点的模型,从开始加热到模型打印完毕,最快也要半个小时左右。难以实现当堂反馈,教学效果也就打了折扣。如果3D打印能像打印一个Word文档一样,一点“打印”按钮,几分钟就能完成,将大大降低进入课堂的技术门槛。
    据开展3D打印课程的学校反馈,很多老师因为好奇而学习和使用3D打印机,但烦琐的操作吓退了一部分老师。看到打印速度慢、很难达到自己预想的课堂效果,又有一部分老师放弃。看到打印出来的作品质量不高,又有老师失望而去,最后能坚持下来的老师并不多。
    反思这个问题,我们发现3D打印要进入课堂,首先要选择合适的建模软件,常见的建模软件如Solidworks、Rhino(犀牛)、Sketchup、Autodesk等。对于入门教学,大部分学校选择了Sketchup,因为Sketchup是开源软件,安装包小,对电脑系统的要求不高,适合普及。现在国内江苏省常州市天宁区管雪�h老师的团队编辑出版了相应教材。除此之外,Autodesk的123D也是一款很好的入门软件。Autodesk的教育版软件是免费的,只要不用于商业用途就可以。123D Catch还可以让我们轻松地使用照片创建3D模型,不足的是这款软件还没有中文版本的,英文不好的老师用起来有些吃力。OpenScad也是开源软件,浙江省温州中学谢作如老师团队的3D打印课程《数学视野下的3D打印》就是基于OpenScad开发的。
    还要选择合适的切片软件,Repetier-Host是Repetier公司开发的一款免费的3D打印综合软件,可以进行切片、查看修改G-Code、手动控制3D打印机、更改某些固件参数以及其他的一些小功能。Repetier公司并不提供切片引擎,而是在该软件中外部调用其他的切片软件进行切片,比如CuraEngine、Slic3r及Skeinforge等切片软件。在同类软件(如Printrun、Repelicator-G)中使用起来是比较方便的一款。
    为了解决打印速度慢的问题,淄博创客空间团队在不影响学生对3D打印理解的基础上,开发了陶泥3D打印机。陶泥材料的3D打印机是根据半流体沉积成型原理工作的。通过挤出设备挤压陶泥入喷头,无需加热过程,喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,与周围的材料粘接到一起成型。这种方式的优势有五点,一是成型速度快,陶泥喷头可以做得较粗,每一层打印的层高就可以很高,打印速度就能提高。在不影响学生对3D打印原理理解的情况下,可以实现学生设计作品的当堂打印完成,从而实现教学的及时反馈;二是不需要高温加热,安全性得到保障;三是原材料可以重复利用;四是原材料价格便宜,容易获得;五是作品打印完成后,由于陶泥的特性还可以在打印基础上进行二次加工,实现艺术与技术的完美结合。
    3. 模型打印困难的问题
    现在的3D打印技术还没有发展到任何一种设计都能轻松打印出来。在3D打印课程中,有学生也设计了许多有趣的模型,例如,一棵挂满苹果的树,虽然很漂亮,但打印的时候发现支撑很难加上。还有很多模型有突出的部分或悬空的部件,如果不加一些特殊的支撑,就无法打印。要把这些稀奇古怪的模型打印出来,需要师生对打印机本身非常熟悉,了解各种参数设置和工作原理。
    师资的问题
    在开设3D打印课程的学校中,大部分的老师是信息技术老师,只有一位是美术老师,她是淄博市美术教研员毕娟老师的数字美术团队的成员。 她的团队与信息技术学科融合,开展数字美术教育,引导学生做出了很多有创意的作品,并在上海嘉年华、北京嘉年华大放异彩。
    反思这个问题,我认为3D打印进课堂应该是多学科的,才具有生命力。例如,和美术课的结合,就可以实现一种基于设计的学习(DBL),学生在自己设计意图的驱动下,经过一系列的学习研究,在3D打印机的帮助下完成自己的作品,用数字化的方式体验了艺术创作的过程。
    3D打印还可以和数学结合,谢作如老师总结了和数学学科结合的几点优势:(1)教学中,学习者借助3D打印技术,可以看见具体的实物,体现了数学来自于生活的理念。(2)借助3D模型,可以让缺少空间想象力的学习者有一个真实的认知过程。(3)我们可以制作一个3D模型,通过打印检验所学的知识是否正确。(4)学习者可以利用所学知识进行创新,并通过3D打印的方式进行检验,并在创新的过程中让知识得到升华。
         3D打印也可以和物理学科结合,上海行知中学的陈岭老师做了有益的尝试。他把3D打印技术和自己教的物理学科结合起来,打印相关教具和实验设备,完成了有创意的物理实验。
    通过上面几个例子我们发现,3D打印技术如果被技术学科之外的学科老师掌握,并应用到教学中,才会真正走进课堂。
    课程问题
    最早开始将3D打印引入课堂的老师说,开始都是跟网上的视频教程学习3D打印技术,而这些课程偏重于技术,更像软件的使用说明书。没有合适的课程设计,所以不适合学生学习。3D打印课程的设计应该更多地让学生理解一些基本的东西,例如,让学生理解点动成线、线动成面、面动成体,在这个基础上开发一些适合学生学习特点的课程。
    1. 基于真实需求的3D打印课例设计
    如何让学生对3D打印持续学习,是一个问题。淄博市淄川一中的李浩老师在学生学习完成3D打印基本操作后,引导学生学习四轴飞行器制作的时候,用3D打印软件进行支架的设计。还有的老师引导学生用3D打印解决生活中的问题,例如,设计一个把手装到教室的书橱上,打印一个水龙头按钮替换坏掉的按钮。
    3D打印课例设计可以融入测量的知识,这种3D建模更有设计因素的体现,并且能让学生体验精确测量的重要性。学生们反映,通过这种方法理解测量中的“误差”要比物理课本上他们接受的“误差”概念深刻得多。3D打印课程设计或许能更好地把3D打印机定位于工具的角色,是一个服务于我们生活的工具,而不是高大上的产品,这样或许更容易走入课堂。
    2. 基于艺术设计需求的3D打印课例设计
    华侨城小学的于恺老师引导学生用3D打印软件完成自己的七巧板设计,让学生拼出个性化的七巧板拼图。还有的老师把自己学校的校徽导入建模软件中,让学生尝试设计自己学校的立体校徽。还有老师介绍了通过一个网页浮雕制作工具,来实现不同风格的浮雕效果(http://3dp.rocks/lithophane),把自己的照片生成浮雕效果打印到笔筒上……
    反思这些课例设计,我发现一线的老师们也在积极地尝试各种教学方式,通过更多老师的参与,3D打印课程一定会越来越丰富。
    总之,通过老师们的尝试,3D打印教学已经跳过打印一些网上下载的精美模型的炫酷阶段,进入到解决真实问题需要的情景导入、精确工具测量的数据采集、在数学基础上的模型设计阶段,或许这样更能接近于STEM课程中“工程”的理念。
    (作者单位:山东淄博市博山区山头中心学校)
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