学校创客空间：3D打印如何与各学科融合

国产007

作者：淄博创客空间 岳尊龙
+ i- k, T4 N$ f* J( P5 v
（编者注：岳尊龙老师是淄博创客空间的专业从事人员，淄博创客空间一直致力于青少年的创客文化推广，而“为孩子种下一颗创新的种子”是岳老师的宗旨，岳老师也欢迎大家与他进行各种创客教育方面问题的交流。）
2 v3 z( r0 D3 L4 m+ ~1 g' T
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。以前教学生使用3DMAX、草图大师等软件，对于小学生来说，这些软件过于专业，操作难度较大，学生很难在短时间内掌握。当我第一次接触3DOne的时候，突然发现这款软件就是专门为孩子们设计的，这才是真正适合中小学生学习3D建模的利器，再加上3DOne社区丰富的课程资源和激励机制，更是实现了让孩子们在“学中玩，玩中学”。以下是我在教学设计中的几个小实例，仅供大家参考。

0 t/ M/ s; `/ L( D% @一、制作scratch小车
任务是为我们的智能硬件兴趣社团scratch智能蓝牙小车设计漂亮的外观和底盘。让学生通过测量arduino板的长宽、孔距，然后使用3DOne设计打印出小车底盘，然后再设计一个漂亮的外壳和其他配件。在课程设计上我们进行了如下尝试：

1. 小车外形设计。现实生活中的车辆一般都采用车身和底盘的形式，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3DOne进行设计，设计方法可以参照社区中老师和同学们设计的消防车、救护车、警车等模型。下图是我们的创客导师安仁中学的李海伦老师的作品，萌萌的样子是孩子们的最爱。
* v3 B% K' y5 X3 y. ?7 r6 c
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。后期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，这就需要使用游标卡尺等工具进行精确的数据测量和采集，然后结合3DOne的测量功能确定好器材的安放位置。

( l9 ]' F* B5 B; t! H2 B7 x大兴一中dike为我们提供的作品
  N8 U) n, u% {1 e8 O) w" h
这种基于动手实做的学习可以让学生很好的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，然后使用3Done设计出来的器件，很可能安装不到小车底盘上。

二、3DOne建模体验数学的魅力
+ D/ x9 |/ d( Q) L5 \+ Y& j1 I通过3DOne建模学习，让学生建立立体几何的概念有着天然的优势。在课程设计中通过拉伸、变形、扭曲、弯折等操作，可以让学生很容易理解点、线、面、体等概念。进行了如下课程设计：

* o2 b6 `  o; B+ x9 o' S# ~6 w# O0 H1．什么是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。

1 r3 |9 ~: y9 j4 ^, }仔细观察下面的图片，你发现二维和三维的区别了吗？

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？
看完这些图片你建立一个3D物体有什么想法？
% W- \" f( B# O- c/ q8 ~
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，今天的任务是制作一个立方体。

2．制作立方体
从今天开始，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3D模型文件，这款软件叫做3DOne，是一款直接面向对象的直观、灵活、易于使用的设计工具。接下来我们就采用3DOne来绘制一个立方体……


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”……。

北京队长的雪花
5 p) `5 ]- y- y6 _
+ }2 [, Y3 s+ l5 ]' j2 {0 r, s
三、通过真实问题的情景引入增加对工程课程理解
3D技术的最终价值是它的工具性价值，做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，就会很自然的把他应用到日常生活中。   

现代的工业制造，为了降低成本，抹杀了我们个性化需求，而以3D技术为代表的桌面加工业却可以实现我们的个性化需求。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。

+ [+ g; R: {  m$ X- I& x4 e情景设置：


一是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数据比较准确，可以大大降低将来打印实物的废品率。如上图，我们要打印一个圆形的水龙头把手，得到的相关数据如下：

二是使用3DOne开始设计。打开设计软件后，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效果如下图。
0 K6 K4 g2 q( s# s( n


1 ]2 H: d; O5 X- r" T& W/ Q
三是要对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。这时候我们设计的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。
) v  b% L* [9 K  u
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，了解打印物品材质不同，对使用带来的影响。引发他们对打印材质的思考。

* S+ i. l* x5 q; i: w$ W/ z8 s+ R总之，通过自己的一些尝试，希望以后的3DOne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景导入，精确工具测量的数据采集，和在数学基础上的模型设计，或许这样更能接近于STEM课程中工程的理念。
% j4 d# m6 ^8 d. [

( U6 G, ^, Z, a1 }6 l- ^& _) X7 j& Z推荐阅读：
9 r( J& U; Q5 s% t: t4 O6 y  A0 `创客实验室：www.i3done.com
. {! x0 @# z; r$ l- m5 ^