3D打印教学实践与反思

3D打印教学实践与反思

谢通

乌鲁木齐市第二十三中学 新疆乌鲁木齐

摘 要：随着社会不断进步,新一轮基础教育课程改革正轰轰烈烈地进行,传统的高中教育模式逐渐无法满足信息时代人才培养的要求,跟随时代发展潮流,引入3D打印教学已势在必行。3D打印技术,与智能机器人、人工智能并称为实现数字化制造的三大关键技术。为了让学生领略新技术和新科技理念,笔者所在的学校于2016年9月开设了3D创意设计及其他的创客课程。本文从3D打印教学开展准备、教学方式转变、教学实施情况及教学反思等方面，阐释该课程的教学实施情况,总结经验进行反思,希望笔者的实践能为更多的教育同行提供借鉴参考。

关键词：3D打印；三维设计；课堂教学；自主学习；创客教育

近些年来，3D打印技术备受瞩目，已经应用于医疗、建筑、汽车、增材制造等各个领域。鉴于国家重点研发计划和3D打印技术光明的发展前景，各地中小学陆续把3D打印引进课堂，并不断尝试与探索，取得了突破性进展。在普通高中信息技术课程标准中，明确将三维设计纳入到信息技术选修部分的一个模块，以满足学生升学和个性化发展的需要。三维设计作为一种立体化、形象化的新兴设计方法，已经成为新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的重要基础。如何有效地实施3D打印创客教育，培养学生的创造性思维，满足学生的个性化发展，是笔者一直关注的问题。

一、3D打印教学开展的准备

由于新疆地区还未普及新课标教材的使用，在没有统一教材和课程的情况下，结合新课标要求，设计出适合笔者所在学校学生使用的3D设计教学资源，是开展3D打印教学的前提。因此在2016年夏天暑假期间，笔者就基于Moodle网络教学平台，尝试建设3D创意设计的在线校本课程。而对于3D设计课程，纸质的校本课程明显不如微视频、在线资料等教学资源，因此开源的Moodle平台成为了开发3D设计校本课程的首选。任课教师需要将3D打印教学资源全部发布在Moodle平台上，按照主题项目式管理和设计3D设计课程。每个项目都设计相应的学习指导活动，建立对应的知识思维导图，录制作品模型设计操作的微课，制作详细的3D软件设计的图文教程。这样设计课程，可以实现教学资源的共享、师生之间的交互、以及对课程教与学方面的评价和及时反馈，满足了后来3D打印教学的开展，同时为学生的课余时间自主学习，提供指导和帮助。

截止到目前，国内中小学3D打印设计软件的使用也没有统一的标准，笔者在开展3D设计教学时，使用的是CAXA实体设计和3D One软件。这两款软件界面简洁、功能强大、操作简单、易于上手，重点整合了常用的实体造型和草图绘制命令，简化了操作界面和工具栏，可进行丰富实用的3D实体设计。学生通过应用3D设计软件，学习3D建模知识，体会3D设计创造的乐趣。

3D打印的切片软件使用的是Cura和Mprint，两款软件都简单实用。将生成的3D模型导入到切片软件后，可二次修改模型的相关参数，如修改模型尺寸、添加底垫和支撑、设置模型打印质量等。通过相关设置提高模型打印的成功率，以满足教学需求。教学用的3D打印机是桌面热融打印机，体型小巧、操作简单、安全，耗材用的是PLA环保材料，颜色多样，打印作品光泽度好、精度高，学生可以近距离观察模型打印过程，体验3D造物的乐趣。

二、教学方式的转变

不同于传统信息技术课堂教学，3D设计课程依托于Moodle平台，学生利用Moodle平台开展自主学习和探究。在课堂进行3D打印教学时，教师只需讲解和演示每个作品设计中最少的基本操作知识，剩下的部分交给学生自己按照微课或者图文教程进行自主学习。这样在自主学习过程中，教师可以有更多的时间辅导那些基础薄弱的学生，服务那些学有余力的同学，促进分层教学，从而提高课堂效率。

基于Moodle平台的3D设计课程可以有效地安排课堂上教师的“教”与学生的“学”的时间，可以给学生提供更多的自主学习、操作实践内化的空间，体现了以学生为主的教学思想，有效地提升了学生的信息素养和自主学习能力，深受学生的喜欢。教师的作用更多地从显性作用转化为隐形作用，即不再直接传授教学知识，而是对教学知识的传授过程进行幕后式的精心组织与设计。比如课前学生分析、学习内容分析，学习资源的设计与制作，学习活动和学习评价的设计，学生在教学平台中有效地进行自主学习的引导与组织及解答学生不同层次的疑惑等等。将3D设计课程的基本知识和Moodle学习平台的优点融合在一起，革新了传统的教学方式和组织形式，有利于提高学生的自主学习能力和探究能力。

三、实践探索

1. 课程设置

目前学校在高一年级第一学期开设3D打印创意设计课，已经进行了4年的教学尝试。最初的教学实践以单个实物为主，比如小板凳、手机支架、花瓶、水杯等，每次设计的内容都是独立的项目，涉及知识之间的关联也不多，经过不断教学实践和反思，任课教师进行了相应的调整和改变，使课程更加规整清晰。因此将课程设计大致分为六部分内容，主要是以培养学生三维设计软件的基础应用。按照“走进3D打印、基本操作入门、草图拉伸、草图旋转、草图扫掠和草图放样”为主线进行编排，这样的编排使学习由易到难。

为了让学生在学习时对各项目涉及的知识内容进行有意义的自主构建，教师又对学习内容进行了精细化的设计和分类。将这些操作性知识融合到各个综合性学科中，如表1所示，在项目教学实践中不仅要学习掌握操作性内容，更重要的是要对一些涉及数学、科学、美术、技术等学科知识理念的传授，丰富学生设计思路，拓宽设计视野，培养学生三维设计的创造性思维和空间想象能力。

表1 课程部分项目表

2. 教学实践

2016年9月，在当时的高一年级个别班级的信息技术课上开设了3D打印课， 3D设计在线校本课程才初步形成，就进行了第一次3D打印教学的实践。学生的学习积极性很强，热情也很高，对接受3D打印新技术抱有浓厚的兴趣。通过一段时间的实践尝试，笔者发现学生仅仅根据在线课程进行简单的模仿学习，模仿后就不再进行深层次的思考与探究，导致最终具有创造性的创意作品很少。即使当时只有一台教学3D打印机，其利用率也不高。对此，笔者在课程中每个项目的基础任务后增加自主探究进阶任务，提出相应需求，让学生进行自主探究，激发他们的探究精神和创新精神。随着课程的深入学习和实践，学生也设计出了一些具有创意代表性的模型。

2017年2月，针对个别特别热衷3D设计、热爱造物、学有余力的同学，笔者将他们招募进创客社团。当时笔者所在校的创客空间刚建成投入使用，基于Moodle平台创客教育在线课程《开源硬件》也已形成，各设备设施日趋完备，在师生共同努力下成立了学校的第一个创客社团。笔者及其他任课教师利用周末和课余时间，辅导这些学生学习开源硬件编程，探究3D造型设计。经过一段时间师生的共同探究后，创作出了一批初具雏形、富有创意的创客作品，这使师生对3D打印在实践造物过程中的重要性有了较深的认识。大家一致认为3D打印可以在创客作品设计中提供造型支持，再结合其他的技术将这些造型赋予一定的功能，才能让创造的作品具有现实意义和价值。

经过一学期的教学实践和社团活动后，笔者对3D设计课程体系又进行了改善和整合，换掉了一些陈旧缺乏创意的主题项目，增加了一些新思路新创意，以引导学生在设计时的创造性思维。无论是3D打印课程设计的不断完善，还是教学实践中的改进，都为后来正常的3D打印普及化教育打下了基础。

四、教学反思

从课堂教学活动的设计来看，整个过程更侧重学生自主学习，力求在最大程度上激发学生的问题意识和创造性思维。从创客教育的核心内涵来看，3D打印教学应当注重工具的应用能力，包括3D打印设备的操作、3D造型软件的应用，在应用过程中体现了学生设计的表达能力。教师都知道不光要教会学生使用这些设备，更多是让学生们通过这些工具呈现和表达自己的创新创意想法。现在对学生培养的目标方向，就是通过模仿掌握3D打印软硬件的使用方法，通过剖析了解作品设计的缘由，再通过给予自主创新的机会，让学生真正的掌握样例作品设计的精髓。这样就避免了笔者最初的3D打印教学，只是教建模软件，只是教工具技能，但是学生做出来的作品，都是千篇一律，没有让学生真正学会设计。

目前，学校的3D打印设备器材，利用率还很低。一方面因为3D打印本身就是创客实验室的一个配套设备，数量有限。这就导致了能让学生广泛接触到的机器较少，没法直观地体验和实践这一技术。另一方面，笔者所在学校面临着一个师资的问题。学校虽然有多名信息技术老师，但是能胜任3D打印教学的老师紧缺，而且这些老师都兼职于学校各处室的事务性工作，在3D打印教学上探究不足，仅仅会教工具技能是不够的。

另外，3D打印是一门综合性课程，具有很强的实践性、探究性和自主性，这就要求教师不能采用传统的评价方式。在教学过程中，探索出一套有效的评价机制，对学生的设计进行过程性评价，如创作过程中是否自主探究、是否发挥了创新思维等，最终也要形成总结性评价，充分调动学生参与教学活动，这是笔者后期教学需要进一步探索的问题。同时，通过3D打印教学，信息技术教师不断探索和充实自己，为今后在教育教学上积累了更多的教学可能性和实践经验，从而促进了个人职业的成长。

结语

3D打印教学不仅让学生体验了3D模型从虚拟变成实体物品的神奇过程，还充分激发了学生的学习兴趣，培养了学生的创造性思维。三维设计方法的学习与应用，既有利于培养学生的空间想象能力，也有利于发展学生科学、技术、工程、人文艺术、数学等学科综合性的思维能力。通过3D打印学习，学生拓宽了视野，提高了对知识的综合运用能力和创造能力，这将为学生今后从事专业化学习和工作，奠定良好的基础。

由于笔者所在学校3D打印教学实践探索经历时间不是很长，很多看法和经验还需要不断在今后的创客教育实践中反思和改进，深入探索和研究。笔者希望本次实践能为其他学校开展3D打印教学提供参考意见、借鉴思路。

参考文献

[1] 张晶;用3D打印手段培养创造性思维的教学设计研究[D];沈阳师范大学;2016年

[2] 赵莹莹;陈求实;基于3D打印与智能控制的STEAM课程的探索与实践[J];中小学信息技术教育;2017年05期

[3] 贾金元;武小龙;张天顺;高中3D打印校本课程设计与教学实践[J];基础教育参考;2017年07期