3D打印与学科融合的教学探索

岳尊龙　于方军

编者按：建模是一种最重要的信息技术实验手段，之前我们通过Scratch语言获取数据，建立数学模型，并且探索规律的过程是一种在数据空间中的建模，除此之外我们绘制一张图纸，完成一次激光切割是一种基于物质世界的建模，而3D打印技术的出现，使得我们对物质世界的建模更加容易也更加精确了。本期我们就来共同探讨如何将3D建模与学科融合起来，开展教学。

随着3D打印技术的快速发展，人性化、生活化、智能化的3D打印技术已经渐渐融入到我们的日常生活，走进我们的家庭，成为我们动手制作、创意成型的得力助手。现在你只要轻点鼠标，从网上海量的3D模型库中下载自己需要的3D模型，或者运用3D建模软件设计一个3D模型，然后进行切片打印即可。当你的3D打印机正在经历把模型打印成实物的过程时，你可以泡上一杯香茗，悠然自得地读读书、上上网、看看电视。时间不长，3D打印机已经为你打印出一个物美价廉、精度较高的小零件、小物品。

测量应该成为3D打印课程的第一步

工程设计要求规范和精确，测量数据的精确为其提供了保证。学生在常规物理课堂中的测量是测一测课桌、书本的长宽高，学生对测量精度、测量工具对测量精度的影响、误差等概念没有深刻的体验。我们可以结合做一个Scratch小车的例子，让学生通过测量Arduino板的长宽、孔距，然后通过3D技术设计打印出小车地盘，通过一个简单的工程设计深切地体验测量的重要性，这应该是STEM课程所追求的。在课程设计上我们进行了如下尝试：

1.小车外形设计

现实生活中的车辆设计一般都采用车身和底盘分离的方式，我们在设计的时候也可以参照这种设计方法，采用车身和底盘分离的方式，这样可以让智能小车更具有拓展性。车身决定小车的外观，可以用3D技术实现，也可以通过其他方式实现，如我们要设计消防车、救护车、警车等，可以通过设计车身来体现。底盘主要是用于承载Arduino控制板、超声波传感器、电池盒、舵机、车轮等器材，对强度和精度都有一定要求，我们采用3D技术实现，如图1所示。

设计好底盘之后，我们可以给小车设计一个漂亮的车身，可以3D打印，也可以用其他材质手工制作。

2.数据的采集

为了将各种器材固定到底盘上，需要在底盘上设计好放置器材的位置，在合适的地方开孔，方便将来用螺丝把器材固定到底盘上。那么怎么才能让器材跟底盘完美地结合在一起呢？这时候就需要用测量数据来确定器材在底盘上的位置，用尺寸来确定开孔的大小。为了更精确地采集到各种器材的数据，建议用游标卡尺进行测量（如下页图2）。

动手测一测：请测量各种器材的尺寸，把测量结果填到相应的表格中。测量器材长宽高时，我们要测量它的最高点、最长点和最宽点，这样才能保证在装配时能够有足够的空间可以容纳下该器材（如图3）。

这种基于动手实做的学习可以帮助学生更好地理解物理学科中的测量、误差等概念，以及误差和测量工具有关，因为如果用他们自己的普通刻度尺误差很大，器件是安装不到小车底盘上的。

3D建模体验数学的魅力

3D建模技术对学生建立立体几何的概念有着天然的优势。在课程设计中通过建模软件（如草图大师、123D等）可以让学生很容易理解点、线、面、体等概念，理解各种视图方式。我们进行了如下课程设计：

1.什么是3D

我们要设计3D的物体，你有没有想过，什么是3D？D是英文单词dimension的缩写，在这里可以翻译成为维度，3D也就是我们说的三维，是指在平面二维系中又加入了一个方向向量构成的空间系。三维既是坐标轴的三个轴，即x轴、y轴、z轴，其中x表示左右空间，y表示上下空间，z表示前后空间，这样就形成了人的视觉立体感。简单说三维物体就是具有长、宽、高三个维度信息的物体，它能使我们产生立体的视觉。三维和二维的区别很明显，如正方形与正方体等（如图4）。仔细想想我们生活的世界，是不是到处充满了几何图形的影子？

看完图5的这两幅图片你对建立一个3D物体有什么想法？

一个复杂的3D模型其实可以分解为各种基本的几何体，而这些基本的几何体又是通过基本的几何图形旋转或推拉而成。接下来，我们就从基本开始，制作一个立方体。

2.制作立方体

现在我们要采用一款使用简单，但是功能却很强大的软件来学习制作3D模型文件，这款软件叫做SketchUp，是一款直接面向设计方案创作过程的直观、灵活、易于使用的设计工具，区别于其他三维设计软件，SketchUp更多关注于设计过程，能够满足与客户即时交流的需要，它就像电脑艺术设计中的“铅笔”，被誉为“草图大师”。接下来我们就采用“草图大师”来绘制一个立方体（如下页图6所示）。

简单设计之后，再通过3D打印机打印出来，学生真实的体验可以增强他们对知识的理解，后期可以加入各种几何体组合让学生设计“橱子”、“跳棋”、“雪花”……

通过真实问题的情境引入增加对工程课程的理解

3D技术的最终价值是它的工具性价值，作为工具就要体现它的实用性。所以我们在课程设计中应该用真实生活中的实例导入，让学生认识到3D打印机就如常见的普通打印机一样，只是我们生活中用到的一种工具，有了这样一种思想，就会很自然地把它应用到日常生活中。

现代的工业制造，为了降低成本，抹杀了很多个性化的需求，而以3D技术为代表的桌面加工业却可以弥补这一不足。我们经常会遇到这样一些“小麻烦”：家中的某些物品因为丢失或者损坏了一个小部件而不能正常工作；与孩子一起动手制作玩具时，需要一些异形的小零件却无处购买；晚上家里的某个设施出现了小故障，破损的零件暂时找不到替代品；想把自己的创意和设计变成实物，却无法实现……这些小麻烦可以用工业化方式解决，如果你掌握了3D打印技术，也可以用3D打印的方式解决。

家里的水龙头把手因为用力过度或者老化坏掉了，我们可以去超市买一个回来更换掉，也可以用3D打印机打印一个临时的水龙头配件，以解燃眉之急（如图7）。

制作水龙头配件的操作流程如下：

①获取水龙头配件关键部位的相关数据。建议使用游标卡尺测量，如果没有游标卡尺，也可以使用普通的米尺替代，不过使用游标卡尺测得的数据比较准确，可以大大降低将来打印实物的废品率。我们要打印一个如图7的圆形的水龙头把手，得到的相关数据如下表所示：

②选择使用3D设计软件开始设计。

使用的设计软件是草图大师（Sketch

Up），它是一款免费的3D建模软件，具有界面友好、功能强大、操作简单等特点，完全可以在短期内掌握使用。打开草图大师后，经过平面画圆、平面画矩形、推拉成体这样简单的三个操作，3D版的简易水龙头把手就这样在3分钟内搞定。3D效果如图8所示。

③对stl文件进行切片，常用的开源软件有RepetierHost中的Cura“进行切片”。切片前可以先设置好打印速度、打印精度、打印温度、填充率等相关的打印参数，然后进行切片。这时我们设计的3D模型将被转换为打印机可以识别的G代码，形成一个gcode文件。建议打印时最好先打印一个试用品。试用品的填充率可以调至10%左右，这样可以大大缩减打印时间和打印成本。

经过这样一个基于真实问题的项目设计和实施，学生不但加强了对3D打印技术的工具性理解，而且还通过后期的应用观察，了解了打印物品材质不同对使用带来的影响，进而引发了他们对打印材质的思考。

3D打印自制教具

随着3D打印技术普及，一线教师已经开始探索将3D打印技术应用到教具设计，图9是上海行知实验中学的陈岭老师用3D技术设计的一些教具，我们也在这方面做了一些尝试。可以大胆设想一下，也许在可预见的未来会在某个网络平台有着一线教师设计的丰富的教具的3D模型文件，学校只要有一台3D打印机，教师们就可以借助于3D打印技术，打印出一线教师自己设计的接地气的教具，而不是仅仅依赖于生产厂家。

总之，通过自己的一些尝试，希望在以后的3D打印教学设计中，应该尽快跳过打印一些网上下载的精美模型的炫酷阶段，进入到真实问题需要的情境导入，精确工具测量的数据采集和在数学基础上的模型设计，这样或许更接近于STEM课程中工程的理念。