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 [摘要]學(xué)科教師在教學(xué)中使用3D打印的教具進(jìn)行教學(xué)已很普遍，但在3D打印課程教學(xué)中使用3D打印教具教學(xué)卻是鳳毛麟角，尤其在3D打印教學(xué)中會(huì)涉及到許多超出學(xué)生認(rèn)知的跨學(xué)科知識(shí)，筆者認(rèn)為開發(fā)相應(yīng)的3D打印教學(xué)教具是最好的方法，本文以“花瓶模型”教具為例闡述3D打印教具在教學(xué)中的開發(fā)與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:3D打印；教具；開發(fā)；應(yīng)用

近年來，3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸廣泛，眾多學(xué)科老師利用3D打印技術(shù)解決學(xué)科教學(xué)中的不足和缺憾，那么作為3D打印課程本身，如何設(shè)計(jì)開發(fā)教具讓學(xué)生更加直觀形象地學(xué)習(xí)3D建模知識(shí)，從而更好地服務(wù)于學(xué)科教學(xué)！

一、3D打印教學(xué)中存在的問題

在3D打印教學(xué)初期，一般是通過效仿的形式來培養(yǎng)學(xué)生3D模型制作的能力，然而這樣的形式在實(shí)際教學(xué)中會(huì)出現(xiàn)一些問題。在3D建模過程中會(huì)涉及到超出小學(xué)生認(rèn)知的功能應(yīng)用，例如截面、旋轉(zhuǎn)、布爾運(yùn)算等，學(xué)生無法完全理解，從而導(dǎo)致后續(xù)應(yīng)用中的偏差。作為3D打印課程同樣需要利于學(xué)生理解的教具的使用，然而這方面教具的匱乏，導(dǎo)致在3D打印教學(xué)中無法使學(xué)生精準(zhǔn)應(yīng)用。

二、“花瓶模型”教具的設(shè)計(jì)制作

“花瓶”通常會(huì)作為3D打印課程中第一個(gè)模型來進(jìn)行教學(xué)，制作的首選方法為草圖繪制（半個(gè)軸截面）、旋轉(zhuǎn)、抽殼三個(gè)步驟，一般教師在上課的過程中會(huì)直接跳過截面的介紹，借助演示讓學(xué)生模仿，最后完成花瓶模型的教學(xué)，但對于學(xué)生來說卻是無法更深層次地去理解建模過程中草圖繪制半個(gè)軸截面的意義所在，同時(shí)也會(huì)因此而無法拓展使用這種建模方法。

因此，“花瓶模型”教具應(yīng)運(yùn)而生。

（一）“軸截面”教具的設(shè)計(jì)

在立體幾何中，截面是指用一個(gè)平面去截一個(gè)幾何體（包括圓柱，圓錐，球，棱柱，棱錐、長方體、正方體等等），得到的平面圖形，叫截面。軸截面指過圓柱、圓錐、圓臺(tái)的軸的截面，分別稱為圓柱、圓錐、圓臺(tái)的軸截面，軸截面的軸一般是指它的旋轉(zhuǎn)軸。

沿花瓶底面圓的直徑切開，將花瓶一分為二，再沿花瓶軸截面的中軸切開，得到四分之一花瓶，此時(shí)所得到的平面就是二分之一軸截面。設(shè)計(jì)完成，經(jīng)切片后打印，由一個(gè)完整的花瓶模型、兩個(gè)二分之一花瓶模型、兩個(gè)四分之一花瓶模型組成的 “軸截面”教具就設(shè)計(jì)制作完成了（圖1）。

圖1 花瓶“軸截面”教具

（二）“旋轉(zhuǎn)”教具的設(shè)計(jì)

在三維設(shè)計(jì)軟件中， “旋轉(zhuǎn)”命令是最常見的功能命令，此命令可以將一個(gè)平面草圖（軸截面）輪廓通過軸線旋轉(zhuǎn)一圈或一定角度形成實(shí)體。平面草圖輪廓必須是旋轉(zhuǎn)實(shí)體截面圖的一半。

繪制一張二分之一花瓶軸截面的草圖，并通過“拉伸”命令將花瓶軸截面的高度設(shè)為2mm（圖2-1），同時(shí)根據(jù)花瓶軸截面的底邊制作一個(gè)頂面帶有20條寬2mm、高3mm、長28.5mm的凹槽的圓柱底座模型，凹槽將圓柱平均分成了20份（圖2-2），最后復(fù)制19個(gè)花瓶半個(gè)軸截面模型，完成旋轉(zhuǎn)模型的制作（圖2-3）。

圖2 “旋轉(zhuǎn)”教具

設(shè)計(jì)完成，經(jīng)切片后打印，由一個(gè)旋轉(zhuǎn)底座模型、20個(gè)二分之一軸截面模型組成的“旋轉(zhuǎn)”教具就設(shè)計(jì)制作完成了。

三、“花瓶模型”教具的教學(xué)應(yīng)用

對于第一次接觸3D打印的學(xué)生來說，“花瓶”是非常神秘的，尤其是當(dāng)教師提示花瓶可以用三個(gè)步驟輕松完成時(shí)都是持懷疑態(tài)度的。

（一）“三思考”助理解

此時(shí)應(yīng)不急于讓學(xué)生實(shí)踐操作，而是借助學(xué)生的好奇心，在課堂上呈現(xiàn)花瓶“軸截面”教具中的成品花瓶（圖3-1），讓學(xué)生進(jìn)入思考一：觀察花瓶，發(fā)現(xiàn)花瓶的造型特征。

經(jīng)過思考、觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)花瓶瓶口和瓶底是圓形的、花瓶是空心的且瓶口有一個(gè)開口等造型特征。

在上述發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入第二次思考：花瓶制作的第一步是繪制花瓶二分之一軸截面草圖，那如何得到花瓶的軸截面？

此問題對于小學(xué)生來說完全超出了他們的認(rèn)識(shí)范圍，學(xué)生根本無法思考和回答教師的問題，那么此刻教師在課堂上呈現(xiàn)花瓶“軸截面”教具中的兩個(gè)二分之一花瓶（圖3-2），用刀模擬經(jīng)過花瓶底面圓直徑切開，切開后得到平面就是花瓶的軸截面，通過這樣的操作演示，學(xué)生輕松地了解了軸截面的知識(shí)，而后要得到二分之一軸截面，可以邀請學(xué)生進(jìn)行演示操作，學(xué)生會(huì)模仿老師的操作獲取花瓶的半個(gè)軸截面（圖3-3）。

圖3 花瓶“軸截面”教具

完成花瓶的軸截面草圖（半個(gè)）的分析和思考后，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入第三次思考：如何讓花瓶的半個(gè)軸截面草圖由平面變立體呢？

此問題讓所有的學(xué)生都陷入了困境，在學(xué)生的已知認(rèn)知中這是很難實(shí)現(xiàn)的，有學(xué)生提出用一張長方形的紙，三等分折一下，再圍起來就是一個(gè)立體，是否可以使用這樣的方法？學(xué)生的這個(gè)發(fā)現(xiàn)確實(shí)實(shí)現(xiàn)了讓一個(gè)平面變成了立體，但在三維設(shè)計(jì)中卻行不通，此時(shí)教師在課堂上順勢呈現(xiàn)了“旋轉(zhuǎn)截面”教具（圖4-1）并演示了整個(gè)旋轉(zhuǎn)的過程，將單個(gè)的二分之一軸截面依次放入“旋轉(zhuǎn)底座”上的插槽中，當(dāng)插槽插滿后，一個(gè)完整的花瓶（圖4-2）就呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，學(xué)生在觀察的過程中加深了對“旋轉(zhuǎn)”的印象。

圖4 “旋轉(zhuǎn)”教具模型實(shí)物

經(jīng)過上述三次分析思考后，學(xué)生對整個(gè)花瓶的建模原理和過程（截面、旋轉(zhuǎn)）有了初步的了解，從開始的懷疑到此時(shí)的堅(jiān)信，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情被充分調(diào)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，教學(xué)效果明顯提升。

（二）“三實(shí)踐”助操作

1.實(shí)踐一：截面的繪制

直線命令—通過兩端點(diǎn)的設(shè)定，可以快速通過給定點(diǎn)繪制直線?？赏ㄟ^設(shè)定參數(shù)，改變直線尺寸?？稍诰W(wǎng)格面上繪制，也可在造型平面上繪制;

通過點(diǎn)繪制曲線命令—可通過連續(xù)多點(diǎn)繪制曲線或直接輸入坐標(biāo)得到曲線。可在網(wǎng)格面上繪制，也可在造型平面上繪制。

學(xué)生在3D One中完成二分之一個(gè)截面的繪制：單擊工具欄中的“草圖繪制”→“直線”按鈕，在網(wǎng)格面中繪制花瓶的口和底。再單擊工具欄中的“草圖繪制”→“通過點(diǎn)繪制曲線”按鈕繪制曲線，曲線第一個(gè)點(diǎn)和花瓶上口直線右邊端點(diǎn)重合，最后一個(gè)點(diǎn)和花瓶下底口直線右邊端點(diǎn)重合，而且不能交叉，二分之一個(gè)截面的繪制完成（圖5）。

圖5 花瓶半個(gè)截面

2．實(shí)踐二:平面變立體

旋轉(zhuǎn)命令—就是草圖通過軸線旋轉(zhuǎn)一圈或一定角度形成實(shí)體。

學(xué)生在3D One中完成“旋轉(zhuǎn)”的操作：鼠標(biāo)單擊工具欄中的“特征造型”—“旋轉(zhuǎn)”命令，在“輪廓P”處用鼠標(biāo)選擇剛才畫好的花瓶草圖，在“軸A”處用鼠標(biāo)選擇花瓶草圖的高度直線，設(shè)置完成后鼠標(biāo)單擊“√”按鈕完成“旋轉(zhuǎn)”命令，花瓶的立體造型完成（圖6）。

圖6 花瓶立體造型

3.實(shí)踐三:實(shí)心變空心

抽殼—是將實(shí)體零件的內(nèi)部全部去掉，僅留下外殼，開放面為造型的開口面。

學(xué)生在3D One中完成“抽殼”的操作：鼠標(biāo)單擊工具欄中的“特殊功能”—“抽殼”命令，在“造型S”處用鼠標(biāo)選擇花瓶，將“厚度T”設(shè)置成-2，“開放面”用鼠標(biāo)右鍵切換視圖，選擇花瓶的上口面，設(shè)置完成后鼠標(biāo)單擊“√”按鈕完成“抽殼”命令,花瓶實(shí)心變空心完成（圖7）。

圖7 花瓶抽殼

四、結(jié)語

學(xué)生在筆者的引導(dǎo)下經(jīng)過三思考、三實(shí)踐既完成了花瓶的建模，又掌握了其建模原理。為今后類似建模拓展奠定了基礎(chǔ)。

3D打印創(chuàng)意設(shè)計(jì)課程作為當(dāng)下學(xué)校熱門的拓展課程，參與學(xué)習(xí)的學(xué)生是不同學(xué)段、不同層次的，3D打印教學(xué)教具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用能有效地解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中涉及到的認(rèn)知盲點(diǎn)，直觀地呈現(xiàn)3D建模的原理和過程。

由此可見3D打印教具在3D打印教學(xué)中同樣意義非凡，它同樣可以在課堂中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果，讓神秘的3D打印學(xué)習(xí)不再神秘。