3D打印技術(shù)在學校教育中的應(yīng)用研究

1、 3D打印技術(shù)在學校教育中的應(yīng)用研究 楊久俊Summary：教育領(lǐng)域是3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域之一。本文剖析了3D打印在學校教育中的應(yīng)用及優(yōu)勢。介紹了3D One、Tinkercad兩款面向青少年教育的三維軟件，講述3D打印首要環(huán)節(jié)三維模型的創(chuàng)建方法及應(yīng)用。Key：3D打印;3D建模;青少年;3D One;Tinkercad;編程;電路：G434 ：A ：1007-9416（2019）09-0025-030 引言邁入全球化的信息時代，以大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、3D打印技術(shù)為代表的新興技術(shù)將會對學校教育產(chǎn)生深遠影響。3D打印技術(shù)是目前最熱門的新興技術(shù)之一，國內(nèi)對于該技術(shù)的教育領(lǐng)域應(yīng)用還處于起步階段，

2、但隨著該技術(shù)的發(fā)展成熟，3D打印技術(shù)將會推動課程內(nèi)容教學方法不斷變革。1 3D打印技術(shù)及在學校教育中的應(yīng)用3D打印（3D printing，又稱三維打?。┦且环N快速成形技術(shù)，它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料。1986年，3D打印技術(shù)的發(fā)明者Charles Hull開發(fā)了第一臺商業(yè)3D打印機，開啟了全球的3D打印時代。英國經(jīng)濟學人雜志認為，3D打印技術(shù)將成為推動第三次工業(yè)革命的重要力量。3D打印技術(shù)可用于機械制造、工業(yè)設(shè)計、珠寶、建筑、航空航天、生物醫(yī)療、教育等眾多領(lǐng)域。在可以打印器官、汽車、飛機的今天，它還在創(chuàng)造無限的可能。中國制造2025、“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃都指

3、出要重點部署3D生物打印技術(shù)的創(chuàng)新突破和應(yīng)用發(fā)展?！爸袊?D打印第一人”顏永年認為，未來3D打印將成為發(fā)展的一個支柱產(chǎn)業(yè)。政府的推動和媒體的關(guān)注，使得3D打印迅速成為全球熱點。目前我國3D打印技術(shù)已形成“以高校為主體的技術(shù)研發(fā)力量布局，若干關(guān)鍵技術(shù)取得重要突破，產(chǎn)業(yè)發(fā)展開始起步，形成小規(guī)模產(chǎn)業(yè)市場，并在多個領(lǐng)域成功應(yīng)用，為下一步發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)?！备窬?。由于3D打印技術(shù)在個體定制化生成方面的巨大優(yōu)勢，使得其具備了顛覆傳統(tǒng)教育模式的潛力。在國內(nèi)的一些中小學開設(shè)了集三維設(shè)計和3D打印于一體的課程，這類課程給為學生的學習方式帶了變革，讓抽象的教學概念更加容易理解，激發(fā)了學生對科學、數(shù)學、物理、工程

4、、設(shè)計創(chuàng)意等多學科的興趣，促進了實踐與理論、知識與思維、現(xiàn)實與未來3個方面的結(jié)合。主要優(yōu)勢有：（1）激發(fā)學生對一些科學過程或現(xiàn)象進行可視化展現(xiàn)，通過軟硬件結(jié)合，鼓勵學生動手實踐，激發(fā)學生潛能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識;（2）通過3D打印將視覺與觸覺結(jié)合，不同于單純的看文字、圖形，它為學生建立一種新型的學習通道，加深了學生對知識的理解與記憶，激發(fā)學生深入學習的熱情;（3）學生建模和設(shè)計的主題大多貼近生活，能培養(yǎng)學生積極思考、主動解決實際問題的能力;（4）學生通過學習簡易建模軟件，拓展了空間思維能力，也便于后期進一步學習專業(yè)建模軟件。2 目前主流的面向青少年教育的三維設(shè)計軟件3D打印包括三維建模、印前處

5、理、打印、后期處理等步驟，3D打印首要任務(wù)就是創(chuàng)建三維建模，三維模型可以通過3D掃描儀掃描獲得后使用軟件進行修繕，或使用三維建模軟創(chuàng)建編輯，也可以在網(wǎng)絡(luò)共享素材庫直接下載。所想即所得，這是3D打印技術(shù)的獨特魅力所在。3D打印機可以輕松、完美具現(xiàn)人們的創(chuàng)意和想象。問題是，3D打印機如何讀取我們的構(gòu)想？解決這個問題，可以使用各種3D建模軟件?，F(xiàn)今各種各樣的建模軟件，從工業(yè)設(shè)計、影視動畫、到青少年教育，軟件已涵蓋了各個領(lǐng)域。像AutoCAD、SOLIDWORKS、SketchUp、3dsMAX、May、Zbrush這些專業(yè)級三維軟件要靈活的使用它們必須經(jīng)過長期的學習。對于青少年、非專業(yè)人士，可以選擇

6、一些相對簡單、更易上手的軟件進行三維設(shè)計，下面介紹目前兩款更適合青少年學習的三維設(shè)計軟件。2.1 3D One系列3D One（網(wǎng)址http：/）是由我國中望龍騰軟件公司開發(fā)的系列軟件，包括3D One、3D One Plus、3D One Mini、3D One Cut等系列軟件及3D One App。3D One是國內(nèi)首款面向青少年的三維設(shè)計軟件，具有簡易的3D設(shè)計功能，貼合青少年的創(chuàng)新思維，內(nèi)嵌社區(qū)和豐富的學習、教學相關(guān)資源，其積木編程、Phython編程等建模方式讓建模更具趣味性。截止2019年9月24日已有 51278 所學校入駐，共發(fā)布作品1085365件。3D One APP是3

7、D One的移動端社區(qū)APP，用戶能隨時隨地能與社區(qū)好友分享、直播自己的創(chuàng)意，老師可隨時為學生作品點贊評價，展示教學成果，父母可綁定孩子賬號，與孩子一起探索趣味創(chuàng)意。3D One分教育版和家庭版，家庭版為免費版本。3D One主界面的左側(cè)是工具欄，有著豐富的命令以實現(xiàn)模型的創(chuàng)建及修改。主界面的右側(cè)有社區(qū)管理、創(chuàng)意模型庫、視覺樣式、電子件管理、趣味編程等選項。視覺樣式包括材質(zhì)、貼圖、三維場景等，三維場景可以使用軟件自帶的宇宙、大海、天空等場景，也可以導入JPG、JPEG、PNG格式的全景圖或天空圖來創(chuàng)建新的三維場景。電子件管理中包括美科、盛思、機器時代等多家合作企業(yè)的電子元件，用戶能直接選擇這些

8、電子元件來進行設(shè)計。積木模式和Python模式可完成模型的創(chuàng)建、修改、動畫效果。積木模式接近于Scratch積木編程軟件。Python模式下，用戶能通過語法庫更便捷的學習代碼，運用代碼實現(xiàn)創(chuàng)意。圖1列出了使用實現(xiàn)方框模型的創(chuàng)建方法：左上是需要創(chuàng)建的模型，左下使用普通建模方式，首先創(chuàng)建長寬高分別為（40，30，3）、（35，25，3）的兩個六面體，再用組合編輯命令中組合減將兩個六面體相減。右側(cè)是積木模式使用三個積木來實現(xiàn)創(chuàng)建。也可以使用代碼來創(chuàng)建：from zw_api import *import redef zw_main（）：zw_do_combine（2， zw_draw_box（40，

9、 30， 3， zw_point（0， 0， 0）， #33ccff）， zw_draw_box（35，25，3，zw_point（0，0， 0），#33ccff）3d One積木編程方式中的積木塊種類十分豐富，“海龜庫”能控制畫筆移動繪制豐富多彩的圖案，“特征造型”能用組合編輯、拉伸、旋轉(zhuǎn)等對模型進行修改，創(chuàng)建復雜造型的模型?！皵?shù)學類別”能完成四舍五入、平方根等多種數(shù)學運算。3D One內(nèi)置了豐富的學習資源，遇到不會的命令，點擊命令對話框的左上角“！”，就會彈出該命令的使用說明及視頻鏈接，例如圖1使用組合命令中點擊“！”出現(xiàn)的命令幫助。3D One的GIF快速創(chuàng)建功能，積木模式、Python

10、模式編程時，點擊GIF按鈕后能將程序運行過程制作成GIF動畫，調(diào)整速度值能修改運行速度。打印速度緩慢且耗材昂貴是3D打印的主要缺點之一，3D One能將3D打印用動畫來進行模擬，展示3D打印的過程，還能整模擬打印的速度和進度（見圖2）。2.2 TinkercadTinkercad（https：/）Autodesk公司目前主打教育領(lǐng)域的一款免費的在線設(shè)計軟件，集成了3D打印建模、電子電路設(shè)計、編程等功能。Autodesk是全球最大的二維、三維設(shè)計和工程軟件公司，為制造業(yè)、工程建設(shè)行業(yè)以及傳媒娛樂業(yè)提供卓越的數(shù)字化設(shè)計、工程軟件服務(wù)和解決方案。AutoCAD、3dsmax、Maya這些頂級的三維軟

11、件都是Autodesk公司旗下產(chǎn)品，雄厚的技術(shù)支持背景讓Tinkercad不容小覷。不同于其它的三維軟件需要進行復雜的軟件安裝、配置，計算機連接網(wǎng)絡(luò)后，只需要打開Tinkercad主頁就可以立刻進行3D模型的設(shè)計。Tinkercad已經(jīng)集成了上百個不同的基本體以供模型搭建，用戶也可以編輯基本體、創(chuàng)建自定義模型并上傳至云服務(wù)器。Tinkercad主頁右上方有“Classes”、“庫”、“博客”、“學習”、“授課”等選項，用戶瀏覽“博客”能了解Tinkercad最新消息、技巧和貼士等，“授課”可以指導教育工作者在課堂中使用Tinkercad?！皩W習”提供了豐富的在線項目，用戶通過閱讀詳細的項目功能

12、及步驟介紹，按照導航逐步掌握Tinkercad的使用。Tinkercad有三維設(shè)計、Circuits、代碼塊三種工作模式。點擊“三維設(shè)計”圖標就能馬上進入三維設(shè)計。Tinkercad建模流程是：放置（放置形狀以添加或刪除物體）調(diào)整（在空間中自由移動、旋轉(zhuǎn)和調(diào)整形狀）合并（將一些形狀組合到一起，來創(chuàng)建所需模型的細節(jié)）。簡潔的可視化界面讓用戶很快掌握這一流程進行設(shè)計，模型完成后能用OBJ、STL、GLTF等文件格式導出，或者直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給已經(jīng)連接的3D打印機進行打印。Tinkercad支持所有接受標準STL文件格式的3D打印機，作品可以直接進行3D打印或者在線訂購3D打印。模型也可以直接導出到A

13、utodesk公司旗下的另一款3D軟件Fusion360進行進一步編輯渲染。Tinkercad可支持導入25MB以內(nèi)的STL、OBJ、SVG格式的二維或三維文件以進行下一步編輯。Tinkercad還可以將3D設(shè)計融入電路設(shè)計，選擇Circuits模式就能創(chuàng)建虛擬電路，在主界面右側(cè)的“組件”中可以找到主流的電路元件模塊，使用者可直接使用其進行模擬搭建，實際搭建前還可進行在線模擬來測試設(shè)計效果，加速創(chuàng)意的發(fā)揮。模擬后再進行實際搭建電路，將3D打印模塊、電路元件結(jié)合，從 Tinkercad 中導出代碼以便對電路進行編程。很多部件附帶了詳細的說明，點擊顯示構(gòu)建說明按鈕，還可以在頁面的左側(cè)看到該部件的詳

14、細搭建步驟，包括文字說明、圖片、視頻。電路模擬如果有錯，電路出錯處有“！”警示并給出文字說明。Tinkercad具有編程功能。選擇“代碼塊”，進行可視化編程在程序上生成形狀，堆疊、移動積木塊就能運行測試，完成復雜模型的創(chuàng)建。Tinkercad提供了范例“入門”，通過學習范例，用戶能快速掌握積木塊的使用。相比于3D One，Tinkercad創(chuàng)建形狀的選項更細致，使用更便捷，以創(chuàng)建“長方體”形狀（3D One中形狀名為“六面體”）為例，Tinkercad中有“邊緣”和“邊緣步驟”選項來控制長方體倒角大小和倒角分段數(shù)，3D One要創(chuàng)建一個倒角長方體步驟較為復雜。Tinkercad視圖調(diào)整十分便捷

15、，代碼塊模式下可以使用窗口左側(cè)的“+”、“-”圖標來放大或縮小視圖，也可用快捷鍵“+”、“-”實現(xiàn)。拖動鼠標左鍵可以旋轉(zhuǎn)攝像機，滾動鼠標滾輪能推近或拉遠攝像機。Tinkercad三維設(shè)計模式有多種快捷鍵加快工作流程，如按住“Alt”鍵拖動鼠標左鍵，能夠復制拖動的對象，“Ctrl”鍵加“D”鍵能復制選中的對象，“Del”鍵可刪除選中對象，“”、“”、“”、“”讓選中的對象上下左右移動，“Ctrl”鍵加“g”能為選中對象創(chuàng)建組。“Ctrl”加“z”鍵能撤銷上一步操作。這些快捷鍵與主流的三維建模軟件快捷鍵的用法基本一致，用戶掌握這些快捷鍵后能更好進行高級建模軟件的學習。相比3D One，Tinker

16、cad在國內(nèi)的知名度和普及度不高，其幫助界面、警示等缺少中文說明給使用造成了一定困難。免費、免安裝、易使用、豐富的模型庫和教學資源及雄厚的技術(shù)支持，Tinkercad在家庭、學校、3D打印愛好者中將會有更好的應(yīng)用前景。3 結(jié)語科技促進教育這一客觀規(guī)律決定了3D打印會對學校教育產(chǎn)生積極的影響，但3D打印引入教學還存在很多實際困難。教育者運用3D打印與學科結(jié)合、項目實踐等多種方式，積極發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，讓其為教育事業(yè)的發(fā)展提供動力。參考文獻1 楊振賢，張磊，樊彬.3D 打印從全面了解到親手制作M.北京：化學工業(yè)出版社，2015.2 小多（北京）文化傳媒有限公司編著.無所不能的3D打印M.成都

17、：天地出版社，2017.3 盧秉恒：中國制造2025與3D打印專訪中國工程院院士盧秉恒https：/news_People/detail/494.htmlOL.2019-07-26/2016-01-19.4 3D打印將成中國制造2025支柱產(chǎn)業(yè)http：/a/19345356_198225OL.2019-07-27/2015-06-18.5 李青，王青.3D打?。阂环N新興的學習技術(shù)M.遠程教育雜志，2013.6 郭繼周，鄧啟文.我國3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及環(huán)境分析M.國防科技，2015.7 3D虎.玩轉(zhuǎn)3D打印技術(shù)從學會使用3D建模軟件開始.http：/news/guonei/40369.htmlOL.2019-07-20/2018-04-25.Abstract：Education is one of the application fields of 3D printing. This paper analyzes the application and advantages of 3D printing in school ed