3D打印技术在学校教育中的应用研究

1、 3D打印技术在学校教育中的应用研究 杨久俊Summary：教育领域是3D打印的应用领域之一。本文剖析了3D打印在学校教育中的应用及优势。介绍了3D One、Tinkercad两款面向青少年教育的三维软件，讲述3D打印首要环节三维模型的创建方法及应用。Key：3D打印;3D建模;青少年;3D One;Tinkercad;编程;电路：G434 ：A ：1007-9416（2019）09-0025-030 引言迈入全球化的信息时代，以大数据、人工智能、云计算、3D打印技术为代表的新兴技术将会对学校教育产生深远影响。3D打印技术是目前最热门的新兴技术之一，国内对于该技术的教育领域应用还处于起步阶段，

2、但随着该技术的发展成熟，3D打印技术将会推动课程内容教学方法不断变革。1 3D打印技术及在学校教育中的应用3D打印（3D printing，又称三维打印）是一种快速成形技术，它以数字化模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料。1986年，3D打印技术的发明者Charles Hull开发了第一台商业3D打印机，开启了全球的3D打印时代。英国经济学人杂志认为，3D打印技术将成为推动第三次工业革命的重要力量。3D打印技术可用于机械制造、工业设计、珠宝、建筑、航空航天、生物医疗、教育等众多领域。在可以打印器官、汽车、飞机的今天，它还在创造无限的可能。中国制造2025、“十三五”国家科技创新规划都指

3、出要重点部署3D生物打印技术的创新突破和应用发展。“中国3D打印第一人”颜永年认为，未来3D打印将成为发展的一个支柱产业。政府的推动和媒体的关注，使得3D打印迅速成为全球热点。目前我国3D打印技术已形成“以高校为主体的技术研发力量布局，若干关键技术取得重要突破，产业发展开始起步，形成小规模产业市场，并在多个领域成功应用，为下一步发展奠定了良好基础。”格局。由于3D打印技术在个体定制化生成方面的巨大优势，使得其具备了颠覆传统教育模式的潜力。在国内的一些中小学开设了集三维设计和3D打印于一体的课程，这类课程给为学生的学习方式带了变革，让抽象的教学概念更加容易理解，激发了学生对科学、数学、物理、工程

4、、设计创意等多学科的兴趣，促進了实践与理论、知识与思维、现实与未来3个方面的结合。主要优势有：（1）激发学生对一些科学过程或现象进行可视化展现，通过软硬件结合，鼓励学生动手实践，激发学生潜能，培养学生的创新意识;（2）通过3D打印将视觉与触觉结合，不同于单纯的看文字、图形，它为学生建立一种新型的学习通道，加深了学生对知识的理解与记忆，激发学生深入学习的热情;（3）学生建模和设计的主题大多贴近生活，能培养学生积极思考、主动解决实际问题的能力;（4）学生通过学习简易建模软件，拓展了空间思维能力，也便于后期进一步学习专业建模软件。2 目前主流的面向青少年教育的三维设计软件3D打印包括三维建模、印前处

5、理、打印、后期处理等步骤，3D打印首要任务就是创建三维建模，三维模型可以通过3D扫描仪扫描获得后使用软件进行修缮，或使用三维建模软创建编辑，也可以在网络共享素材库直接下载。所想即所得，这是3D打印技术的独特魅力所在。3D打印机可以轻松、完美具现人们的创意和想象。问题是，3D打印机如何读取我们的构想？解决这个问题，可以使用各种3D建模软件。现今各种各样的建模软件，从工业设计、影视动画、到青少年教育，软件已涵盖了各个领域。像AutoCAD、SOLIDWORKS、SketchUp、3dsMAX、May、Zbrush这些专业级三维软件要灵活的使用它们必须经过长期的学习。对于青少年、非专业人士，可以选择

6、一些相对简单、更易上手的软件进行三维设计，下面介绍目前两款更适合青少年学习的三维设计软件。2.1 3D One系列3D One（网址http：/）是由我国中望龙腾软件公司开发的系列软件，包括3D One、3D One Plus、3D One Mini、3D One Cut等系列软件及3D One App。3D One是国内首款面向青少年的三维设计软件，具有简易的3D设计功能，贴合青少年的创新思维，内嵌社区和丰富的学习、教学相关资源，其积木编程、Phython编程等建模方式让建模更具趣味性。截止2019年9月24日已有 51278 所学校入驻，共发布作品1085365件。3D One APP是3

7、D One的移动端社区APP，用户能随时随地能与社区好友分享、直播自己的创意，老师可随时为学生作品点赞评价，展示教学成果，父母可绑定孩子账号，与孩子一起探索趣味创意。3D One分教育版和家庭版，家庭版为免费版本。3D One主界面的左侧是工具栏，有着丰富的命令以实现模型的创建及修改。主界面的右侧有社区管理、创意模型库、视觉样式、电子件管理、趣味编程等选项。视觉样式包括材质、贴图、三维场景等，三维场景可以使用软件自带的宇宙、大海、天空等场景，也可以导入JPG、JPEG、PNG格式的全景图或天空图来创建新的三维场景。电子件管理中包括美科、盛思、机器时代等多家合作企业的电子元件，用户能直接选择这些

8、电子元件来进行设计。积木模式和Python模式可完成模型的创建、修改、动画效果。积木模式接近于Scratch积木编程软件。Python模式下，用户能通过语法库更便捷的学习代码，运用代码实现创意。图1列出了使用实现方框模型的创建方法：左上是需要创建的模型，左下使用普通建模方式，首先创建长宽高分别为（40，30，3）、（35，25，3）的两个六面体，再用组合编辑命令中组合减将两个六面体相减。右侧是积木模式使用三个积木来实现创建。也可以使用代码来创建：from zw_api import *import redef zw_main（）：zw_do_combine（2， zw_draw_box（40，

9、 30， 3， zw_point（0， 0， 0）， #33ccff）， zw_draw_box（35，25，3，zw_point（0，0， 0），#33ccff）3d One积木编程方式中的积木块种类十分丰富，“海龟库”能控制画笔移动绘制丰富多彩的图案，“特征造型”能用组合编辑、拉伸、旋转等对模型进行修改，创建复杂造型的模型。“数学类别”能完成四舍五入、平方根等多种数学运算。3D One内置了丰富的学习资源，遇到不会的命令，点击命令对话框的左上角“！”，就会弹出该命令的使用说明及视频链接，例如图1使用组合命令中点击“！”出现的命令帮助。3D One的GIF快速创建功能，积木模式、Python

10、模式编程时，点击GIF按钮后能将程序运行过程制作成GIF动画，调整速度值能修改运行速度。打印速度缓慢且耗材昂贵是3D打印的主要缺点之一，3D One能将3D打印用动画来进行模拟，展示3D打印的过程，还能整模拟打印的速度和进度（见图2）。2.2 TinkercadTinkercad（https：/）Autodesk公司目前主打教育领域的一款免费的在线设计软件，集成了3D打印建模、电子电路设计、编程等功能。Autodesk是全球最大的二维、三维设计和工程软件公司，为制造业、工程建设行业以及传媒娱乐业提供卓越的数字化设计、工程软件服务和解决方案。AutoCAD、3dsmax、Maya这些顶级的三维软

11、件都是Autodesk公司旗下产品，雄厚的技术支持背景让Tinkercad不容小觑。不同于其它的三维软件需要进行复杂的软件安装、配置，计算机连接网络后，只需要打开Tinkercad主页就可以立刻进行3D模型的设计。Tinkercad已经集成了上百个不同的基本体以供模型搭建，用户也可以编辑基本体、创建自定义模型并上传至云服务器。Tinkercad主页右上方有“Classes”、“库”、“博客”、“学习”、“授课”等选项，用户浏览“博客”能了解Tinkercad最新消息、技巧和贴士等，“授课”可以指导教育工作者在课堂中使用Tinkercad。“学习”提供了丰富的在线项目，用户通过阅读详细的项目功能

12、及步骤介绍，按照导航逐步掌握Tinkercad的使用。Tinkercad有三维设计、Circuits、代码块三种工作模式。点击“三维设计”图标就能马上进入三维设计。Tinkercad建模流程是：放置（放置形状以添加或删除物体）调整（在空间中自由移动、旋转和调整形状）合并（将一些形状组合到一起，来创建所需模型的细节）。简洁的可视化界面让用户很快掌握这一流程进行设计，模型完成后能用OBJ、STL、GLTF等文件格式导出，或者直接将数据发送给已经连接的3D打印机进行打印。Tinkercad支持所有接受标准STL文件格式的3D打印机，作品可以直接进行3D打印或者在线订购3D打印。模型也可以直接导出到A

13、utodesk公司旗下的另一款3D软件Fusion360进行进一步编辑渲染。Tinkercad可支持导入25MB以内的STL、OBJ、SVG格式的二维或三维文件以进行下一步编辑。Tinkercad还可以将3D设计融入电路设计，选择Circuits模式就能创建虚拟电路，在主界面右侧的“组件”中可以找到主流的电路元件模块，使用者可直接使用其进行模拟搭建，实际搭建前还可进行在线模拟来测试设计效果，加速创意的发挥。模拟后再进行实际搭建电路，将3D打印模块、电路元件结合，从 Tinkercad 中导出代码以便对电路进行编程。很多部件附带了详细的说明，点击显示构建说明按钮，还可以在页面的左侧看到该部件的详

14、细搭建步骤，包括文字说明、图片、视频。电路模拟如果有错，电路出错处有“！”警示并给出文字说明。Tinkercad具有编程功能。选择“代码块”，进行可视化编程在程序上生成形状，堆叠、移动积木块就能运行测试，完成复杂模型的创建。Tinkercad提供了范例“入门”，通过学习范例，用户能快速掌握积木块的使用。相比于3D One，Tinkercad创建形状的选项更细致，使用更便捷，以创建“长方体”形状（3D One中形状名为“六面体”）为例，Tinkercad中有“边缘”和“边缘步驟”选项来控制长方体倒角大小和倒角分段数，3D One要创建一个倒角长方体步骤较为复杂。Tinkercad视图调整十分便捷

15、，代码块模式下可以使用窗口左侧的“+”、“-”图标来放大或缩小视图，也可用快捷键“+”、“-”实现。拖动鼠标左键可以旋转摄像机，滚动鼠标滚轮能推近或拉远摄像机。Tinkercad三维设计模式有多种快捷键加快工作流程，如按住“Alt”键拖动鼠标左键，能够复制拖动的对象，“Ctrl”键加“D”键能复制选中的对象，“Del”键可删除选中对象，“”、“”、“”、“”让选中的对象上下左右移动，“Ctrl”键加“g”能为选中对象创建组。“Ctrl”加“z”键能撤销上一步操作。这些快捷键与主流的三维建模软件快捷键的用法基本一致，用户掌握这些快捷键后能更好进行高级建模软件的学习。相比3D One，Tinker

16、cad在国内的知名度和普及度不高，其帮助界面、警示等缺少中文说明给使用造成了一定困难。免费、免安装、易使用、丰富的模型库和教学资源及雄厚的技术支持，Tinkercad在家庭、学校、3D打印爱好者中将会有更好的应用前景。3 结语科技促进教育这一客观规律决定了3D打印会对学校教育产生积极的影响，但3D打印引入教学还存在很多实际困难。教育者运用3D打印与学科结合、项目实践等多种方式，积极发挥3D打印技术的优势，让其为教育事业的发展提供动力。參考文献1 杨振贤，张磊，樊彬.3D 打印从全面了解到亲手制作M.北京：化学工业出版社，2015.2 小多（北京）文化传媒有限公司编著.无所不能的3D打印M.成都

17、：天地出版社，2017.3 卢秉恒：中国制造2025与3D打印专访中国工程院院士卢秉恒https：/news_People/detail/494.htmlOL.2019-07-26/2016-01-19.4 3D打印将成中国制造2025支柱产业http：/a/19345356_198225OL.2019-07-27/2015-06-18.5 李青，王青.3D打印：一种新兴的学习技术M.远程教育杂志，2013.6 郭继周，邓启文.我国3D打印技术发展现状及环境分析M.国防科技，2015.7 3D虎.玩转3D打印技术从学会使用3D建模软件开始.http：/news/guonei/40369.htmlOL.2019-07-20/2018-04-25.Abstract：Education is one of the application fields of 3D printing. This paper analyzes the application and advantages of 3D printing in school ed