淺析普通高中3D打印校本研發與實踐研究[摘要]隨著電子科技業的創新發展和創客時代浪潮的逐步到來,3D打印技術將開始全面走進廣大校園。以高中階段為范例,在當前沒有配套現成教材資源的實際情況前提下,可通過依據項目式學習理論并自主組織開發一套高中3D數字打印教學校本教材,以初步實現全面培養當代學生強烈的科學創新學習精神、創客思維培養及培養綜合創業實踐操作能力提高的辦學目標。[關鍵詞]創客;STEM;3D打印;校本教材一、相關專業概念內涵與主要研究內容背景2016年9月14日，美國研究所與美國教育部綜合研討會與會學者對STEM（科學Science、技術Technology、工程Engineering、數學Mathematics）未來十年的發展愿景與建議，聯合發布了《STEM教育中的創新愿景》，旨在推進STEM教育創新方面的研究和發展。中國政府也與大量的企業、高校、機構不遺余力地鼓勵工程科學類的招生、研究與創新。創客教育則是將創客文化與學校教育的完美結合。可見創客教育其實與傳統STEAM的教育方法有很多的相似共通之妙處,但傳統創客式教育其實更加強了調的一種創新教育理念,鼓勵每個學生來享受創造知識與共同分享的快樂。STEAM的教育方式已經開始成為我們實踐傳統創客式教育方法的其中一種主要載體。美國等西方發達國家已陸續在一些小學幼兒園開設出了3D打印技術教材。我國沿海發達城市的普通中小學開始嘗試開發了如何將這種3D打印技術應用于校園STEAM教材,并希望使這種該項先進技術逐漸與中國人文藝術有機融合,成為我國學校文化教材的其中一部分。雖然當前3D打印教育教材開發在大部分國內普通中小學校里還尚處于早期嘗試工作和初步探索試驗階段,也并未能形成起一定意義的完整教材標準,但我預計中小學未來設置的教育相關學科教材內容將被逐漸的增多,3D打印作為一門新型的現代多媒體教學技術手段無疑也必將越來越被人們廣泛應用。目前一些已經引入3D打印項目的學校,其培訓相關實踐教材建設多數選擇以學生課外興趣小組、社團活動等各種方式去開展,輔導教師通常多由本校信息技術、通用技術或電子物理專業背景的教師去兼任,總體情況上來講,教學投入和社會實踐準備時間比較不足,師資力量培訓和實驗室硬件設施水平參差不齊,還沒有達到完全地發揮3D打印系統的主要功能意義與教學價值,尤其是那些設計較成熟合理并特別適合我國高中學生需要的培訓教材形式與指導教材形式還極度缺乏。基于這樣的社會背景,筆者也參與組織開發實施了高中3D打印校本教材。二、3D打印校本教材資源開發建設的項目實施和方案設計1.設計原則開發高中3D打印教學項目涉及到了二種主要軟件的使用,即3DOne教育版和curo切片軟件,要求以項目的基礎知識理論為引導,圍繞技術原理與所學相關知識的有機融合進行教學重構,并具體地將該教材的技能目標細分成了初級學習目標和高階技能目標,其初級能力目標主要是通過著重訓練提升學習者初步的打印機有關技術知識水平,了解并掌握3D打印機的原理概念與基本結構,能據此開展相對較基本全面的自主研究、組織研發項目設計,和進行制作相關產品設計制作。更高層次的教育目標,應是著眼于提高培養學習者的高級空間知識實踐能力,如逐步形成空間創客思想,通過學習靈活運用各種跨學科相關知識,和處理復雜設計與構造問題的技巧等。 2．教學設計模塊化流程

中學3D模型打印科技教育基地的相關校本教材,應以著重培養學生思維的開放性、創新學習意識和掌握應用科學技術知識創新以及動手能力的提升作為育人目標,根據教材不同類型的基礎教學起始階段教學要求和教材教學內容,選擇出不同適用的實踐教學方法設計(見圖1)。如需介紹3D打印原理及作品的設計,老師可以帶著學生在創客工作室現場參觀并制作實物演示、現場講解，以便學生能夠真正身臨其境的感受3D打印教學設計的模塊化流程。圖13D打印教材教學設計模型三、3D打印校本教材開發設計過程與創新實踐研究3D打印校本教材的教學內容配置與基本課時計劃安排情況可作參考表圖1。現試以"漢諾塔的設計"這一課段為課例,對整個教學方案設計內容與實踐教學活動過程中所可能涉及到的其它各個有關方面逐一進行解釋說明。一是要系統地確定教學與設計主題。漢諾塔模型是一種新型電子益智玩具。教學中講解時,在教學中演示的教學文稿中由另一張教學圖片領導人,通過多媒體設備向在場每位學生都一一的展示出漢諾塔模型,以及由教師已提前設計并打印制作出來的漢諾塔模型(見圖2)。周次課時單元內容11初識3D打印3D打印校本教材目標介紹，3D打印原理及打印機相關操作21軟件介紹常見3D模型介紹，了解3Done以及切片軟件CURO的操作界面和各組件命令的主要功能32基本實體結構學會使用陣列、視圖的調節方法，以及在弧面上預制文字，學會使用運算操作進行加、減操作，設計一個印章43漢諾塔的設計學會使用倒角命令對實體進行優化，學會使用拉伸、加運算及縮放命令53課課桌椅模型的三維設計學會設計較為復雜的三維實體，學會對實體進行抽空，進一步熟悉陣列命令的使用，能夠使用渲染命令對實體著色、賦予材質等操作63對臺燈外形輪廓的設計學會使用圓柱折彎命令，能夠使用圓弧、直線命令繪制封閉草圖并拉伸，能夠使用預制文字命令在實體上進行刻字，知道隱蔽網格、隱蔽線條命令的作用74能夠使用資源平臺的共享內容創意性地設計作品養成了樂于學習分享、善于互動交流合作的終身學習的品質,經歷過使用3D打印機制作設計作品的艱苦過程,體驗3D打印機的神奇魅力表13D打印教材的課時安排二則是要確定教學過程中可能出現的問題以及應對措施。讓學生參考課件中所展示的有關漢諾塔模型圖片,利用3D打印設備、三維設計軟件3DONE以及三維設計切片軟件curo,制作打印出漢諾塔的三維模型。需要提醒學生注意的是:漢諾塔模型共包括了三個模型底座環和與其他模型七個外形尺寸設計尺寸相似、大小形狀又不同的圓環,要求在最終模型制作階段完成設計出來后所用的模型底座尺寸應要與模型圓環尺寸大小相統一配套。圖例2用3D打印設計軟件制作出的漢諾塔模型三是負責確定各級目標任務指標完成率的控制標準。列出每個學生個體在獨自完成教學任務過程中最可能要出現挫折的學生各種自我執行認知水平表現和能力評價的標準,為所有學生群體提示明確行動方向,同時這也將便于對師生集體之間、學生集體之間能力進行有效分層量化評價(見表2)。不達標達標隨意發揮根據打印機大小調整設計個人獨立制作合作探究設計漢諾塔重心不穩漢諾塔能夠放穩規定時間內不能完成設計規定時間內完成設計漢諾塔環外形不同漢諾塔環外形、尺寸比例一致表2漢諾塔任務的挑戰標準四是合作交流的探究。各項目小組依據需要充分討論、研究,結合當前實際生活場景中使用的漢諾塔模型,共同協商制定了本研究組作品的最終設計方法與具體修改工作方案。各項目小組內部也經常會有人相互比較評價作品設計并互相提出設計建議。五是加強教師學法指導。教師將對各組漢諾塔的產品整體造型設計效果進行系統總結講解和效果評價,對學生部分作品模型進行系統分析及講解,將所有師生設計的作品模型全部免費上傳共享到青少年創意思維社區網站。六是教學工作評價。教學工作評價標準以表2中漢諾塔教學任務評價的各級評定標準為參照依據,包括各級教師的對每位學生做出的書面評價標準以及與學生本人之間做出的書面互評。從實際教學及實踐過程來看,學生大都對漢諾塔游戲模型及其設計所能蘊含出的基本數學原理知識深感興趣,在其實際開發設計或制作過程中,主要有包括三個部分:設計底座、設計漢諾塔環以及組合，教師重點強調的內容如表3所示。底座部分漢諾塔環組合利用圓形矩陣命令建模三個間距和相對角度相等的圓，用到修剪、倒角、拉伸、布爾運算等操作，完成底座草圖組合使用陣列和縮放命令，得到所有尺寸的漢諾塔環將漢諾塔環與漢諾塔底座組合，要考慮結合面、中心線的重合，方向的選擇（相反），完成對齊表3漢諾塔的設計與講解要點在學生們自己設計與完成設計過類似的作品系列中,除了如上圖2中所示的形式,還曾大量出現直線型分布塔的漢諾塔,以及由包含有4組塔環和4根塔柱所組成的拓展型的漢諾塔,塔環有直柱面型塔環,也有弧形面型的。作品里出現的問題有兩個，主要是技術問題，一是對一些小細節在優化處理方面表現的有時顯得還不夠好,如部分學生所使用的漢諾塔環比例不甚合理協調,沒有能及時地使用倒角命令或使用圓角命令來對塔環的銳邊進行一些優化和設計等。經過項目小組集體討論設計和授課教師詳細的技術指導,學生在短期內基本上都可以熟練完成漢諾塔模型的設計,對于無法較快熟練完成教學任務要求的部分學生,教師將可繼續進一步的個性化的一對一培訓指導，使他們學會對漢諾塔模型進行特殊材質的渲染,做成彩色模型。最后要求教師現場挑選好具有各種不同設計語言特點風格的模型作品,將3D打印切片軟件中的填充程度統一設置為50%,無需支撐，打印出一個實物模型并在創客工作室現場進行教學展示。綜上所述,高中階段3D打印校本開發設計和示范實踐建設還尚處于一個初級階段,需要社會各級政府管理部門和各級各類學校的決策者在師資素質培養與教材平臺建設機制等多個方面予以關注、鼓勵支持。編者在3D打印校本教材具體實施活動中,重點注意到學生創客思維模式的持續培養過程和學生教師角色轉換的積極轉變,更好地去落實STEAM創新教育理論和創客教育模式的教學思想,幫助引導學生自覺打破原有學科界限,將數字藝術形式的科技美感元素與學生產品自主創作相互融合,通過自主構思、設計、反復制作改進設計并完成打印輸出作品展示的整個過程,促進培養學生作品設計創造與社會實踐、科學理論探究創新及現代技術整合運用實踐等實踐能力綜合的發展。參考文獻

[1]李濤