干货 3D打印技术在中小学创客教育中的应用与实践

随着互联网+创客时代的到来,3D打印技术已成为当今时代的新潮标志,也是创客教育的新宠,“智创空间”把3D打印技术列为创客教育“三剑客”之一,在中小学创客教育中进行了探索。该文根据3D打印技术具有“设计即生产”的特点,把3D打印技术应用在中小学创客教育实践中,让师生创客通过动手设计和深度体验,激发师生创客跨学科学习和创意智造的热情,从而培养师生创客的空间想象能力、创新思维能力和创造设计能力。让师生创客通过玩中做、做中学、学中做、做中创,探索3D打印技术在中小学创客教育和STEAM教育中应用的有效途径。

1.3D打印技术的应用现状

2015年11月,国务院印发《关于积极发挥新消费引领作用加快培育形成新供给新动力的指导意见》提出“推动3D打印、机器人、基因工程、网络安全等细分产业加快发展,开拓消费新领域。支持可穿戴设备、智能家居、数字媒体等市场前景广阔的新兴消费品发展。”[1]目前,3D 打印技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。

同时3D打印技术在我国中小学校开展创客教育和STEAM教育时发挥了重要作用,为中小学生的学习方式带来新的变革,通过3D打印实体的触觉体验,可让学生的想象变成现实,达到“所思即所得”的教学效果。目前我国很多中小学校都配备了3d打印机,如2015年由云南省财政厅、省教育厅安排专项采购资金6820万元,为全省5365所中小学配备6000套3D打印成套设备[2]。同时很多学校开设了3D设计课程,并把3D打印技术应用到不同学科教学中,多角度展示了3D打印技术在促进学科教与学的功能优势和应用方式,为优化技术与学科知识的整合提供可借鉴的观点与方法。

有些中小学校在数学、物理、化学、生物、科学、机器人等学科的教学中,用3D打印技术打印出了各种教学模型,作为辅导教学使用。在中小学创客教育进程中,师生创客们通过玩中做、做中学、学中做、做中创,应用3D打印技术通过动手设计和深度体验,激发了师生创客们跨学科学习和创意智造的热情,从而培养师生创客的空间想象能力、创新思维能力和创造设计能力。

2.核心概念界定

(一)3D打印技术

3D打印技术是快速成型技术的一种,是以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机是快速成形技术的一种机器[3]。3D打印技术具有制造快速、CAD/CAM技术集成、完全再现三维效果、创造显著经济效益和应用行业领域广泛等特点。

(二)创客教育

创客教育目前还没有一个确切的定义。谢作如、吴俊杰等在2016年2月创客教育专家委员会第一次会议上通过集体讨论对现阶段创客教育缎给出一个新的定义:创客教育是创客文化与教育的结合,基于学生兴趣,以项目学习的方式,使用数字化工具,倡导造物,鼓励分享,培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育。

(三)STEAM教育

STEAM教育前身为上世纪80年代美国人提出的STAM教育,包含四个学科:Science(科学)、Technology(技术)、Engineering(工程)、Mathematics(数学),由奥巴马大力推进这种综合课程的实施,旨在从小培养学生动手、创新、综合运用科学知识的能力。随后,在原有四科的基础上加入了Art(艺术)学科,多个学科相融合从而得到STEAM教育。

3.3D打印技术在中小学创客教育中的应用

创客教育和STEAM教育的价值在于将传统知识学习和教育实践与培养学生的创新精神和创新实践能力相结合,都注重学习的过程动手实操和亲身体验,主张做中学、学中做、做中创,让学生在项目学习和活动体验中发现问题、分析问题和解决问题,最终达到创意智造和实践创新的目标。

3D打印技术应用包括3D设计建模和3D打印输出两个部分,3D打印输出只是把创新设计的3D数字模型进行实体化的过程,而3D设计建模才是3D打印技术的关键环节,因此在中小学利用3D打印技术在开展创客教育和STEAM教育时可以参考北京市东城区的具体做法,开设三维创意设计课程——以三维设计软件和3D打印机应用为主的课程。

此类课程在义务教育阶段主要以两种形式呈现。

第一,以专业三维设计软件的学习为基础的课程。学生在学习应用专业三维设计软件的过程中,根据不同开放性的设计要求进行探究式设计并应用3D打印机将设计模型实体化的学习过程。

第二,以简易三维设计软件的学习为基础的课程。学生在完成某项任务或项目中学会并应用简易三维设计软件的某项或某几项功能完成作品设计,并通过3D打印机将设计实体化的学习过程。同时可以采用3D扫描仪进行快速3D设计,完成3D打印建模。

师生创客通过3D设计软件进行设计建模的过程中,通过对日常生活中身边遇到的问题进行观察探究、亲自体验,最后动手设计出独一无二、新奇好玩的创意作品。从而培养师生创客的空间想象能力、创新思维能力、解决问题的能力。通过3D打印机、3D软件设计和3D扫描仪的应用,来推动中小学创客教育和STEAM教育的进程。

1.3D打印机在中小学创客教育和STEAM教育中的应用

笔者所在单位于2015年在全国电教系统建成了第一个市级“智能机器人创客教育体验中心”,配置了1间智慧教室、100多台各种机器人、10台3D打印机和2台3D扫描仪,为开展创客教育提供了先进的软硬件设备和300多平米的活动场地。

笔者携创客教育研究团队率先创建了“智创空间”,编写出版了创客教育教材,构建了“微课导学”创客教育教学模式,提出了以智能机器人设计制作、3D打印技术应用与Scratch与机器人融合作为创客教育“三剑客”,把3D打印技术应用作为中小学开展创客教育的重要载体,通过3D打印机的具体应用来践行创客教育和STEAM教育。

3D打印机与传统打印机最大的区别在于使用的“墨水”不同。3D打印机常用的“墨水”有ABS树脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,英文名称Acrylonitrile Butadiene Styrene,是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料)、PLA再生塑料(聚乳酸,英文名称Polylactic acid,是使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成,具有良好的生物可降解性,是公认的环境友好材料),这些固体材料通过电脑程序控制,在打印头中加热变成液体后挤出,在空气中迅速冷却后又变成固体,像春蚕吐丝一样通过层层堆积,最后由3D数字模型转变化为3D固体模型,完成了3D打印任务。

另外还有像普通塑料、尼龙、石蜡、食材、纸、水泥、金属或陶瓷的粉末等都可以作为3D打印机的“墨水”。在中小学创客教育和STEAM教育中,师生创客们可以利用3D打印机将自己的想法变成现实,把各学科中的一个知识点或问题以可视化的3D打印作品呈现出来,能较好地把学科教学与3D打印技术建立有机联系。

如语文、英语学科可把课文中有代表性的人物、建筑物打印出来,帮助学生理解课文的故事情节;数学学科把立体几何模型打印出来,帮助学生理解三维空间图形结构;物理学科把抽象的磁力线、电力线结构图形打印出来,把无形抽象的知识有形化;化学学科可打印出3D分子、原子模型,把微观粒子结构实体化;生物学科可以把细胞、病毒、器官等打印出来,把不能直接看到的内容样本化;历史系学科用3D打印机复制有考古意义的古代器物,方便进一步的观察和研究;地理学科可以用3D打印机打印出真实的地势图和人口分布图,可更直观地分析地形及该区域的人口分布;美术学科可以用3D打印机制作3D艺术品,提高美术作品的创新性和观赏性;在机器人制作课程中可打印自己设计出的机器人配件,根据自己的想象发明一台新型机器人等。

因此,师生创客们可以借助3D打印技术创建“体验式的3D打印技术学习中心”,让师生创客主动参与到3D打印技术应用设计的实践活动中,通过亲自动手操作3D打印机获得直接的学习体验,有助于师生创客进行自主学习、专题学习、个性化学习和探究式学习,培养师生创客分析问题、解决问题、科学探究和创新思维的能力。

2.3D扫描仪在中小学创客教育和STEAM教育中的应用

3D打印机只能把3D数字模型变成3D实物模型,而3D数字模型的来源之一就是通过3D扫描仪进行建模。为了解3D扫描仪的建模原理,“智创空间”专门购买了2台国外生产的一款手持3D扫描仪。由于购买3D扫描仪时对其性能了解不多,也没有相应的中文使用说明书,这给设备的使用带来了很大难度。为了把设备用起来,笔者边查字典边操作实验,通过网上微课视频学习其操作方法,费了九牛二虎之力,虽然在电脑屏幕上扫描软件中出现了3D影像,但模糊不清,扫描效果惨不忍睹。

为了提高3D扫描质量,笔者作为一名资深摄影爱好者,充分发挥创客精神把摄影摄像的原理和技术全部用到了3D扫描仪的调试中,为增加成像的清晰度,对扫描仪的周边设计进行了多项创新性改造:

(1)为3D扫描仪装上摄影用的三脚架,保证其成影质量;

(2)由于3D扫描仪需要对扫描对象进行360度扫描,于是在淘宝网淘到了可调速匀速旋转的电动餐桌转盘作云台;

(3)为提高光照强度购买了光度可调、色温可调的LED无影摄影灯。功夫不负有心人,经过升级周边设备,利用创客的思维模式,经过几天实验解决了扫描成像不清的难题,为师生创客在3D扫描物体和人像时提供了较好的体验创作环境,能顺利地完成静物和人像的3D扫描建模,得到质量较高的3D打印设计模型。

让师生创客们通过3D扫描仪建模,为同伴扫描人像和教学用具,从扫描——修图——实体化——保存为STL格式3D模型文件——切片软件转换成3D打印机能识别的X3G格式文件——用3D打印机打印出人像和教学用具模型等一系列实操过程,能够让师生创客们形象地感知到3D打印模型与2D照片的本质区别,通过3D扫描仪与3D打印机的配合应用,来获得3D打印模型相关知识内容,有助于培养师生创客的观察能力、分析能力和理解能力。

3.3D设计软件在中小学创客教育和STEAM教育中的应用

目前常用的3D设计软件有UG、Pro/E、CATIA、SolidWorks、Inventor、中望3D、3Done、3DS MAX、MAYA、Lightwave等多种。其中SolidWorks、Inventor、中望3D、3Done是3D建模软件;UG、Pro/E、CATIA除了可以进行3D建模还有后继受力分析、优化等更强大的功能,而3DS MAX 、MAYA、Lightwave主要是制作3D动漫的软件。

这些软件功能都相当强大,我们的日常生活用品和平时观看的动画片都可以用这些软件制作出来,但遗憾的是,大多数3D设计软件学起来都比较难,很多人听说3D设计软件就有种恐惧感。为了降低使用软件的难度,“智创空间”选择3Done软件开展3D设计建模的教学,该软件的设计界面非常简洁,操作方便,简单易学,让设计的过程变得更加轻松愉悦,可以称为“傻瓜式”三维设计软件。

通过3D建模设计软件的学习和体验,让师生创客们尽快掌握3D建软件的使用方法,设计出属于自己创意的3D模型,对初学者来说3Done软件可以帮助师生创客解决3D建模设计的难题。例如:如果要设计一个简单的六面体3D模型,只需要用鼠标单击【基本实体】→【六面体】,在网格面上任意位置单击即可生成一个六面体。如果要改六面体的大小、形状时,只需用鼠标拖拉或在设置参数对话框中输入相应数值即可。

3Done软件可以应用在各学科的教学模型的设计中,以智能机器人设计制作课程为例,师生创客们可以根据自己的想象规划机器人设计方案,机器人的结构配件和外观装饰都可以用3Done软件进行建模,生成STL格式文件,再利用ReplicatorG或Makerware切片软件将STL格式文件转换为3D打印机可识别的X3G格式文件,通过联机或SD卡把文件传送到3D打印机上,打印出自己设计的3D机器人模型,最后组装成具有自主知识产权的创意机器人。

近几年来广东省和广州市中小学电脑机器人竞赛活动都设置了“智能垃圾分类收集机器人竞赛”项目,机器人配件要求用3D打印机打印;机器人创意设计项目更能发挥3D打印机的优势,参赛选手可以根据自己的想法设计出“所思即所得”的创意智造作品,从而培养创客们的创新思维和创新设计能力。

4.结束语

创客教育融合信息技术的发展,开拓了创新教育的新园地。在3D打印技术能够将电脑里的虚拟3D数字模型快速地打印出3D实物模型功能的支持下,师生创客可以将时间和精力投入到创新设计环节,让师生创客在抽象概念和直观经验之间自由转换,使设计思路实现可视化和实体化,师生创客们通过玩中做、做中学、学中做、做中创,有助于培养创客们的创新思维、创新精神和创造能力,从“思”到“造”再到“创”,让学生的想象力得到实现,进而实现创新设计和创意智造。

随着3D打印技术的不断完善和进步,3D打印技术正融入到我们的生活、工作和学习中,3D打印技术必将成为基于创新能力培养的创客教育的重要组成部分。师生创客通过主动参与创新设计,全面细致地分析打印任务,充分发挥想象力和创造力,最终打印出个性化的创新设计作品,为教育教学服务,从而推动了3D打印技术在教育领域中的应用,为更多学校引进3D打印技术,变革教与学的模式起到示范与引领作用,请关注南极熊3d打印网。

注:本文系全国教育信息技术研究“十二五”规划2012年度重点课题子课题“微课在中小学机器人教育中的应用研究”(立项号:123620577-0037)研究成果、广东省教育科学“十二五”规划2012年度教育信息技术研究课题“中小学智能机器人科技教育教学模式的构建与评价研究”(立项号:12JXN011)和2016年广州市青少年科技教育项目“基于智能机器人创客教育的科技教师培训”(立项号:2016-299)研究成果。