3D打印技術(shù)在學(xué)校教育中的應(yīng)用研究

1、 3D打印技術(shù)在學(xué)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(xué)校教育中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)。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(shí)代，以大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、3D打印技術(shù)為代表的新興技術(shù)將會(huì)對(duì)學(xué)校教育產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。3D打印技術(shù)是目前最熱門的新興技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)對(duì)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(huì)推動(dòng)課程內(nèi)容教學(xué)方法不斷變革。1 3D打印技術(shù)及在學(xué)校教育中的應(yīng)用3D打?。?D 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(yùn)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(tái)商業(yè)3D打印機(jī)，開啟了全球的3D打印時(shí)代。英國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)人雜志認(rèn)為，3D打印技術(shù)將成為推動(dòng)第三次工業(yè)革命的重要力量。3D打印技術(shù)可用于機(jī)械制造、工業(yè)設(shè)計(jì)、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(jī)的今天，它還在創(chuàng)造無限的可能。中國(guó)制造2025、“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃都指

3、出要重點(diǎn)部署3D生物打印技術(shù)的創(chuàng)新突破和應(yīng)用發(fā)展。“中國(guó)3D打印第一人”顏永年認(rèn)為，未來3D打印將成為發(fā)展的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。政府的推動(dòng)和媒體的關(guān)注，使得3D打印迅速成為全球熱點(diǎn)。目前我國(guó)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(chǎng)，并在多個(gè)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(gè)體定制化生成方面的巨大優(yōu)勢(shì)，使得其具備了顛覆傳統(tǒng)教育模式的潛力。在國(guó)內(nèi)的一些中小學(xué)開設(shè)了集三維設(shè)計(jì)和3D打印于一體的課程，這類課程給為學(xué)生的學(xué)習(xí)方式帶了變革，讓抽象的教學(xué)概念更加容易理解，激發(fā)了學(xué)生對(duì)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、工程

4、、設(shè)計(jì)創(chuàng)意等多學(xué)科的興趣，促進(jìn)了實(shí)踐與理論、知識(shí)與思維、現(xiàn)實(shí)與未來3個(gè)方面的結(jié)合。主要優(yōu)勢(shì)有：（1）激發(fā)學(xué)生對(duì)一些科學(xué)過程或現(xiàn)象進(jìn)行可視化展現(xiàn)，通過軟硬件結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生潛能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí);（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(xué)生建立一種新型的學(xué)習(xí)通道，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與記憶，激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)的熱情;（3）學(xué)生建模和設(shè)計(jì)的主題大多貼近生活，能培養(yǎng)學(xué)生積極思考、主動(dòng)解決實(shí)際問題的能力;（4）學(xué)生通過學(xué)習(xí)簡(jiǎn)易建模軟件，拓展了空間思維能力，也便于后期進(jìn)一步學(xué)習(xí)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(jì)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(jìn)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(kù)直接下載。所想即所得，這是3D打印技術(shù)的獨(dú)特魅力所在。3D打印機(jī)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(jī)如何讀取我們的構(gòu)想？解決這個(gè)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(jì)、影視動(dòng)畫、到青少年教育，軟件已涵蓋了各個(gè)領(lǐng)域。像AutoCAD、SOLIDWORKS、SketchUp、3dsMAX、May、Zbrush這些專業(yè)級(jí)三維軟件要靈活的使用它們必須經(jīng)過長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)。對(duì)于青少年、非專業(yè)人士，可以選擇

6、一些相對(duì)簡(jiǎn)單、更易上手的軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，下面介紹目前兩款更適合青少年學(xué)習(xí)的三維設(shè)計(jì)軟件。2.1 3D One系列3D One（網(wǎng)址http：/）是由我國(guó)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(guó)內(nèi)首款面向青少年的三維設(shè)計(jì)軟件，具有簡(jiǎn)易的3D設(shè)計(jì)功能，貼合青少年的創(chuàng)新思維，內(nèi)嵌社區(qū)和豐富的學(xué)習(xí)、教學(xué)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(xué)校入駐，共發(fā)布作品1085365件。3D One APP是3

7、D One的移動(dòng)端社區(qū)APP，用戶能隨時(shí)隨地能與社區(qū)好友分享、直播自己的創(chuàng)意，老師可隨時(shí)為學(xué)生作品點(diǎn)贊評(píng)價(jià)，展示教學(xué)成果，父母可綁定孩子賬號(hào)，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(fèi)版本。3D One主界面的左側(cè)是工具欄，有著豐富的命令以實(shí)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(kù)、視覺樣式、電子件管理、趣味編程等選項(xiàng)。視覺樣式包括材質(zhì)、貼圖、三維場(chǎng)景等，三維場(chǎng)景可以使用軟件自帶的宇宙、大海、天空等場(chǎng)景，也可以導(dǎo)入JPG、JPEG、PNG格式的全景圖或天空?qǐng)D來創(chuàng)建新的三維場(chǎng)景。電子件管理中包括美科、盛思、機(jī)器時(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)。積木模式和Python模式可完成模型的創(chuàng)建、修改、動(dòng)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(yǔ)法庫(kù)更便捷的學(xué)習(xí)代碼，運(yùn)用代碼實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意。圖1列出了使用實(shí)現(xiàn)方框模型的創(chuàng)建方法：左上是需要?jiǎng)?chuàng)建的模型，左下使用普通建模方式，首先創(chuàng)建長(zhǎng)寬高分別為（40，30，3）、（35，25，3）的兩個(gè)六面體，再用組合編輯命令中組合減將兩個(gè)六面體相減。右側(cè)是積木模式使用三個(gè)積木來實(shí)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(kù)”能控制畫筆移動(dòng)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(duì)模型進(jìn)行修改，創(chuàng)建復(fù)雜造型的模型?！皵?shù)學(xué)類別”能完成四舍五入、平方根等多種數(shù)學(xué)運(yùn)算。3D One內(nèi)置了豐富的學(xué)習(xí)資源，遇到不會(huì)的命令，點(diǎn)擊命令對(duì)話框的左上角“！”，就會(huì)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(diǎn)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(shí)，點(diǎn)擊GIF按鈕后能將程序運(yùn)行過程制作成GIF動(dòng)畫，調(diào)整速度值能修改運(yùn)行速度。打印速度緩慢且耗材昂貴是3D打印的主要缺點(diǎn)之一，3D One能將3D打印用動(dòng)畫來進(jìn)行模擬，展示3D打印的過程，還能整模擬打印的速度和進(jìn)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(fèi)的在線設(shè)計(jì)軟件，集成了3D打印建模、電子電路設(shè)計(jì)、編程等功能。Autodesk是全球最大的二維、三維設(shè)計(jì)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(jì)、工程軟件服務(wù)和解決方案。AutoCAD、3dsmax、Maya這些頂級(jí)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(jìn)行復(fù)雜的軟件安裝、配置，計(jì)算機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)后，只需要打開Tinkercad主頁(yè)就可以立刻進(jìn)行3D模型的設(shè)計(jì)。Tinkercad已經(jīng)集成了上百個(gè)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(yè)右上方有“Classes”、“庫(kù)”、“博客”、“學(xué)習(xí)”、“授課”等選項(xiàng)，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(dǎo)教育工作者在課堂中使用Tinkercad?！皩W(xué)習(xí)”提供了豐富的在線項(xiàng)目，用戶通過閱讀詳細(xì)的項(xiàng)目功能

12、及步驟介紹，按照導(dǎo)航逐步掌握Tinkercad的使用。Tinkercad有三維設(shè)計(jì)、Circuits、代碼塊三種工作模式。點(diǎn)擊“三維設(shè)計(jì)”圖標(biāo)就能馬上進(jìn)入三維設(shè)計(jì)。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(dòng)、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(xì)節(jié)）。簡(jiǎn)潔的可視化界面讓用戶很快掌握這一流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型完成后能用OBJ、STL、GLTF等文件格式導(dǎo)出，或者直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給已經(jīng)連接的3D打印機(jī)進(jìn)行打印。Tinkercad支持所有接受標(biāo)準(zhǔn)STL文件格式的3D打印機(jī)，作品可以直接進(jìn)行3D打印或者在線訂購(gòu)3D打印。模型也可以直接導(dǎo)出到A

13、utodesk公司旗下的另一款3D軟件Fusion360進(jìn)行進(jìn)一步編輯渲染。Tinkercad可支持導(dǎo)入25MB以內(nèi)的STL、OBJ、SVG格式的二維或三維文件以進(jìn)行下一步編輯。Tinkercad還可以將3D設(shè)計(jì)融入電路設(shè)計(jì)，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(jìn)行模擬搭建，實(shí)際搭建前還可進(jìn)行在線模擬來測(cè)試設(shè)計(jì)效果，加速創(chuàng)意的發(fā)揮。模擬后再進(jìn)行實(shí)際搭建電路，將3D打印模塊、電路元件結(jié)合，從 Tinkercad 中導(dǎo)出代碼以便對(duì)電路進(jìn)行編程。很多部件附帶了詳細(xì)的說明，點(diǎn)擊顯示構(gòu)建說明按鈕，還可以在頁(yè)面的左側(cè)看到該部件的詳

14、細(xì)搭建步驟，包括文字說明、圖片、視頻。電路模擬如果有錯(cuò)，電路出錯(cuò)處有“！”警示并給出文字說明。Tinkercad具有編程功能。選擇“代碼塊”，進(jìn)行可視化編程在程序上生成形狀，堆疊、移動(dòng)積木塊就能運(yùn)行測(cè)試，完成復(fù)雜模型的創(chuàng)建。Tinkercad提供了范例“入門”，通過學(xué)習(xí)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(xiàng)更細(xì)致，使用更便捷，以創(chuàng)建“長(zhǎng)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(xiàng)來控制長(zhǎng)方體倒角大小和倒角分段數(shù)，3D One要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)倒角長(zhǎng)方體步驟較為復(fù)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(biāo)來放大或縮小視圖，也可用快捷鍵“+”、“-”實(shí)現(xiàn)。拖動(dòng)鼠標(biāo)左鍵可以旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)，滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪能推近或拉遠(yuǎn)攝像機(jī)。Tinkercad三維設(shè)計(jì)模式有多種快捷鍵加快工作流程，如按住“Alt”鍵拖動(dòng)鼠標(biāo)左鍵，能夠復(fù)制拖動(dòng)的對(duì)象，“Ctrl”鍵加“D”鍵能復(fù)制選中的對(duì)象，“Del”鍵可刪除選中對(duì)象，“”、“”、“”、“”讓選中的對(duì)象上下左右移動(dòng)，“Ctrl”鍵加“g”能為選中對(duì)象創(chuàng)建組?！癈trl”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(jìn)行高級(jí)建模軟件的學(xué)習(xí)。相比3D One，Tinker

16、cad在國(guó)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(fèi)、免安裝、易使用、豐富的模型庫(kù)和教學(xué)資源及雄厚的技術(shù)支持，Tinkercad在家庭、學(xué)校、3D打印愛好者中將會(huì)有更好的應(yīng)用前景。3 結(jié)語(yǔ)科技促進(jìn)教育這一客觀規(guī)律決定了3D打印會(huì)對(duì)學(xué)校教育產(chǎn)生積極的影響，但3D打印引入教學(xué)還存在很多實(shí)際困難。教育者運(yùn)用3D打印與學(xué)科結(jié)合、項(xiàng)目實(shí)踐等多種方式，積極發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，讓其為教育事業(yè)的發(fā)展提供動(dòng)力。參考文獻(xiàn)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(xué)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(guó)制造2025與3D打印專訪中國(guó)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(guó)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(xué)習(xí)技術(shù)M.遠(yuǎn)程教育雜志，2013.6 郭繼周，鄧啟文.我國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及環(huán)境分析M.國(guó)防科技，2015.7 3D虎.玩轉(zhuǎn)3D打印技術(shù)從學(xué)會(huì)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