3D打印进中小学课堂的问题思考

3D打印进课堂的思考

△配图：北京汇天威弘瑞3D打印机

  　　2015年12月4日，淄博创客空间在山东省淄博市张店区华侨城小学组织了一次分享活动。在分享活动中，我有意识地加入了一些调查，1个小时的时间里，12所学校的老师们分享了在开展3D打印课程中所遇到的问题，解决这些问题的方法和建议，以及未来的发展方向。我把这些分享进行整理，发现问题主要集中在设备、师资、课程三个方面，以下是我对这三个问题的思考。

　　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。
　　（作者于方军，单位：山东淄博市博山区山头中心学校）