作者：淄博創(chuàng)客空間 岳尊龍
（編者注：岳尊龍老師是淄博創(chuàng)客空間的專業(yè)從事人員，淄博創(chuàng)客空間一直致力于青少年的創(chuàng)客文化推廣，而“為孩子種下一顆創(chuàng)新的種子”是岳老師的宗旨，岳老師也歡迎大家與他進(jìn)行各種創(chuàng)客教育方面問題的交流。）
隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，人性化、生活化、智能化的3D打印技術(shù)已經(jīng)漸漸融入到我們的日常生活，走進(jìn)我們的家庭，成為我們動(dòng)手制作、創(chuàng)意成型的得力助手。以前教學(xué)生使用3DMAX、草圖大師等軟件，對于小學(xué)生來說，這些軟件過于專業(yè)，操作難度較大，學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)掌握。當(dāng)我第一次接觸3DOne的時(shí)候，突然發(fā)現(xiàn)這款軟件就是專門為孩子們設(shè)計(jì)的，這才是真正適合中小學(xué)生學(xué)習(xí)3D建模的利器，再加上3DOne社區(qū)豐富的課程資源和激勵(lì)機(jī)制，更是實(shí)現(xiàn)了讓孩子們在“學(xué)中玩，玩中學(xué)”。以下是我在教學(xué)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)小實(shí)例，僅供大家參考。
一、制作scratch小車
任務(wù)是為我們的智能硬件興趣社團(tuán)scratch智能藍(lán)牙小車設(shè)計(jì)漂亮的外觀和底盤。讓學(xué)生通過測量arduino板的長寬、孔距，然后使用3DOne設(shè)計(jì)打印出小車底盤，然后再設(shè)計(jì)一個(gè)漂亮的外殼和其他配件。在課程設(shè)計(jì)上我們進(jìn)行了如下嘗試：
1. 小車外形設(shè)計(jì)。現(xiàn)實(shí)生活中的車輛一般都采用車身和底盤的形式，我們在設(shè)計(jì)的時(shí)候也可以參照這種設(shè)計(jì)方法，采用車身和底盤分離的方式，這樣可以讓智能小車更具有拓展性。車身決定小車的外觀，可以用3DOne進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法可以參照社區(qū)中老師和同學(xué)們設(shè)計(jì)的消防車、救護(hù)車、警車等模型。下圖是我們的創(chuàng)客導(dǎo)師安仁中學(xué)的李海倫老師的作品，萌萌的樣子是孩子們的最愛。
底盤主要是用于承載Arduino控制板、超聲波傳感器、電池盒、舵機(jī)、車輪等器材，對強(qiáng)度和精度都有一定要求。后期需要在底盤上設(shè)計(jì)好放置器材的位置，在合適的地方開孔，方便將來用螺絲把器材固定到底盤上，這就需要使用游標(biāo)卡尺等工具進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)測量和采集，然后結(jié)合3DOne的測量功能確定好器材的安放位置。
大興一中dike為我們提供的作品
這種基于動(dòng)手實(shí)做的學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生很好的理解物理學(xué)科中的測量、誤差等概念，以及誤差和測量工具有關(guān)，因?yàn)槿绻盟麄冏约旱钠胀潭瘸哒`差很大，然后使用3Done設(shè)計(jì)出來的器件，很可能安裝不到小車底盤上。
二、3DOne建模體驗(yàn)數(shù)學(xué)的魅力
通過3DOne建模學(xué)習(xí)，讓學(xué)生建立立體幾何的概念有著天然的優(yōu)勢。在課程設(shè)計(jì)中通過拉伸、變形、扭曲、彎折等操作，可以讓學(xué)生很容易理解點(diǎn)、線、面、體等概念。進(jìn)行了如下課程設(shè)計(jì)：
1．什么是3D？
我們要設(shè)計(jì)3D的物體，你有沒有想過，什么是3D？D是英文單詞dimension的縮寫，在這里可以翻譯成為維度，3D也就是我們說的三維，是指在平面二維系中又加入了一個(gè)方向向量構(gòu)成的空間系。三維既是坐標(biāo)軸的三個(gè)軸，即x軸、y軸、z軸，其中x表示左右空間，y表示上下空間，z表示前后空間，這樣就形成了人的視覺立體感。簡單說三維物體就是具有長、寬、高三個(gè)維度信息的物體，它能使我們產(chǎn)生立體的視覺。
仔細(xì)觀察下面的圖片，你發(fā)現(xiàn)二維和三維的區(qū)別了嗎？
仔細(xì)想想我們生活的世界，是不是到處充滿了幾何圖形的影子？
看完這些圖片你建立一個(gè)3D物體有什么想法？
一個(gè)復(fù)雜的3D模型其實(shí)可以分解為各種基本的幾何體，而這些基本的幾何體又是通過基本的幾何圖形旋轉(zhuǎn)或推拉而成。接下來，我們就從基本開始，今天的任務(wù)是制作一個(gè)立方體。
2．制作立方體
從今天開始，我們要采用一款使用簡單，但是功能卻很強(qiáng)大的軟件來學(xué)習(xí)制3D模型文件，這款軟件叫做3DOne，是一款直接面向?qū)ο蟮闹庇^、靈活、易于使用的設(shè)計(jì)工具。接下來我們就采用3DOne來繪制一個(gè)立方體……
簡單設(shè)計(jì)之后，再通過3D打印機(jī)打印出來，學(xué)生真實(shí)的體驗(yàn)可以增強(qiáng)他們對知識(shí)的理解，后期可以加入各種幾何體組合讓學(xué)生設(shè)計(jì)“櫥子”、“跳棋”、“雪花”……。
北京隊(duì)長的雪花
三、通過真實(shí)問題的情景引入增加對工程課程理解
3D技術(shù)的最終價(jià)值是它的工具性價(jià)值，做為工具就要體現(xiàn)它的實(shí)用性。所以我們在課程設(shè)計(jì)中應(yīng)該用真實(shí)生活中實(shí)例導(dǎo)入，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到3D打印機(jī)就如常見的普通打印機(jī)一樣，只是我們生活中用到的一種工具，有了這樣一種思想，就會(huì)很自然的把他應(yīng)用到日常生活中。
現(xiàn)代的工業(yè)制造，為了降低成本，抹殺了我們個(gè)性化需求，而以3D技術(shù)為代表的桌面加工業(yè)卻可以實(shí)現(xiàn)我們的個(gè)性化需求。我們經(jīng)常會(huì)遇到這樣一些“小麻煩”：家中的某些物品因?yàn)閬G失或者損壞了一個(gè)小部件而不能正常工作；與孩子一起動(dòng)手制作玩具時(shí)，需要一些異形的小零件卻無處購買；晚上家里的某個(gè)設(shè)施出現(xiàn)了小故障，破損的零件暫時(shí)找不到替代品；想把自己的創(chuàng)意和設(shè)計(jì)變成實(shí)物，卻無法實(shí)現(xiàn)……，這些小麻煩可以用工業(yè)化方式解決，如果你掌握了3D打印技術(shù)，也可以用3D打印的方式解決。
情景設(shè)置：
一是獲取水龍頭配件關(guān)鍵部位的相關(guān)數(shù)據(jù)。建議使用游標(biāo)卡尺測量，如果沒有游標(biāo)卡尺，也可以使用普通的米尺替代，不過使用游標(biāo)卡尺測得數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，可以大大降低將來打印實(shí)物的廢品率。如上圖，我們要打印一個(gè)圓形的水龍頭把手，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：
二是使用3DOne開始設(shè)計(jì)。打開設(shè)計(jì)軟件后，經(jīng)過平面畫圓、平面畫矩形、推拉成體這樣簡單的三個(gè)操作，3D版的簡易水龍頭把手就這樣在3分鐘內(nèi)搞定。3D效果如下圖。
三是要對stl文件進(jìn)行切片，常用的開源軟件有RepetierHost中的Cura進(jìn)行切片，切片前可以先設(shè)置好打印速度、打印精度、打印溫度、填充率等相關(guān)的打印參數(shù)，然后進(jìn)行切片。這時(shí)候我們設(shè)計(jì)的3D模型將被轉(zhuǎn)換為打印機(jī)可以識(shí)別的G代碼，形成一個(gè)gcode文件。建議打印時(shí)最好先打印一個(gè)試用品。試用品的填充率可以調(diào)至10%左右，這樣可以大大縮減打印時(shí)間和打印成本。
經(jīng)過這樣一個(gè)基于真實(shí)問題的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施，學(xué)生不但加強(qiáng)了3D打印技術(shù)的工具性理解，而且還通過后期的應(yīng)用觀察，了解打印物品材質(zhì)不同，對使用帶來的影響。引發(fā)他們對打印材質(zhì)的思考。
總之，通過自己的一些嘗試，希望以后的3DOne打印教學(xué)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡快跳過打印一些網(wǎng)上下載的精美模型的炫酷階段，進(jìn)入到真實(shí)問題需要的情景導(dǎo)入，精確工具測量的數(shù)據(jù)采集，和在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的模型設(shè)計(jì)，或許這樣更能接近于STEM課程中工程的理念。
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更新時(shí)間：2017-04-24
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