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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)中會涉及到許多超出學(xué)生認(rèn)知的跨學(xué)科知識，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??；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，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際教學(xué)中會出現(xiàn)一些問題。在3D建模過程中會涉及到超出小學(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)計制作

“花瓶”通常會作為3D打印課程中第一個模型來進(jìn)行教學(xué)，制作的首選方法為草圖繪制（半個軸截面）、旋轉(zhuǎn)、抽殼三個步驟，一般教師在上課的過程中會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軸截面的意義所在，同時也會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

在立體幾何中，截面是指用一個平面去截一個幾何體（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、圓臺的軸的截面，分別稱為圓柱、圓錐、圓臺的軸截面，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，此時所得到的平面就是二分之一軸截面。設(shè)計完成，經(jīng)切片后打印，由一個完整的花瓶模型、兩個二分之一花瓶模型、兩個四分之一花瓶模型組成的 “軸截面”教具就設(shè)計制作完成了（圖1）。

圖1 花瓶“軸截面”教具

（二）“旋轉(zhuǎn)”教具的設(shè)計

在三維設(shè)計軟件中， “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體。平面草圖輪廓必須是旋轉(zhuǎn)實體截面圖的一半。

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），同時根據(jù)花瓶軸截面的底邊制作一個頂面帶有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個花瓶半個軸截面模型，完成旋轉(zhuǎn)模型的制作（圖2-3）。

圖2 “旋轉(zhuǎn)”教具

設(shè)計完成，經(jīng)切片后打印，由一個旋轉(zhuǎn)底座模型、20個二分之一軸截面模型組成的“旋轉(zhuǎn)”教具就設(shè)計制作完成了。

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步驟輕松完成時都是持懷疑態(tài)度的。

（一）“三思考”助理解

此時應(yīng)不急于讓學(xué)生實踐操作，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，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)生會模仿老師的操作獲取花瓶的半個軸截面（圖3-3）。

圖3 花瓶“軸截面”教具

完成花瓶的軸截面草圖（半個）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，再圍起來就是一個立體，是否可以使用這樣的方法？學(xué)生的這個發(fā)現(xiàn)確實實現(xiàn)了讓一個平面變成了立體，但在三維設(shè)計中卻行不通，此時教師在課堂上順勢呈現(xiàn)了“旋轉(zhuǎn)截面”教具（圖4-1）并演示了整個旋轉(zhuǎn)的過程，將單個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)”教具模型實物

經(jīng)過上述三次分析思考后，學(xué)生對整個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的堅信，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情被充分調(diào)動，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入實踐操作環(huán)節(jié)，教學(xué)效果明顯提升。

（二）“三實踐”助操作

1.實踐一：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。可通過設(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?？稍诰W(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，曲線第一個點(diǎn)和花瓶上口直線右邊端點(diǎn)重合，最后一個點(diǎn)和花瓶下底口直線右邊端點(diǎn)重合，而且不能交叉，二分之一個截面的繪制完成（圖5）。

圖5 花瓶半個截面

2．實踐二: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.實踐三:實心變空心

抽殼—是將實體零件的內(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。