[摘要]學科教師在教學中使用3D打印的教具進行教學已很普遍，但在3D打印課程教學中使用3D打印教具教學卻是鳳毛麟角，尤其在3D打印教學中會涉及到許多超出學生認知的跨學科知識，筆者認為開發相應的3D打印教學教具是最好的方法，本文以“花瓶模型”教具為例闡述3D打印教具在教學中的開發與應用。
關鍵詞:3D打印；教具；開發；應用
近年來，3D打印技術在教育領域中的應用逐漸廣泛，眾多學科老師利用3D打印技術解決學科教學中的不足和缺憾，那么作為3D打印課程本身，如何設計開發教具讓學生更加直觀形象地學習3D建模知識，從而更好地服務于學科教學！
一、3D打印教學中存在的問題
在3D打印教學初期，一般是通過效仿的形式來培養學生3D模型制作的能力，然而這樣的形式在實際教學中會出現一些問題。在3D建模過程中會涉及到超出小學生認知的功能應用，例如截面、旋轉、布爾運算等，學生無法完全理解，從而導致后續應用中的偏差。作為3D打印課程同樣需要利于學生理解的教具的使用，然而這方面教具的匱乏，導致在3D打印教學中無法使學生精準應用。
二、“花瓶模型”教具的設計制作
“花瓶”通常會作為3D打印課程中第一個模型來進行教學，制作的首選方法為草圖繪制（半個軸截面）、旋轉、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，借助演示讓學生模仿，最后完成花瓶模型的教學，但對于學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”教具應運而生。
（一）“軸截面”教具的設計
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。設計完成，經切片后打印，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”教具就設計制作完成了（圖1）。
圖1 花瓶“軸截面”教具
（二）“旋轉”教具的設計
在三維設計軟件中， “旋轉”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）輪廓通過軸線旋轉一圈或一定角度形成實體。平面草圖輪廓必須是旋轉實體截面圖的一半。
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為2mm（圖2-1），同時根據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），最后復制19個花瓶半個軸截面模型，完成旋轉模型的制作（圖2-3）。
圖2 “旋轉”教具
設計完成，經切片后打印，由一個旋轉底座模型、20個二分之一軸截面模型組成的“旋轉”教具就設計制作完成了。
三、“花瓶模型”教具的教學應用
對于第一次接觸3D打印的學生來說，“花瓶”是非常神秘的，尤其是當教師提示花瓶可以用三個步驟輕松完成時都是持懷疑態度的。
（一）“三思考”助理解
此時應不急于讓學生實踐操作，而是借助學生的好奇心，在課堂上呈現花瓶“軸截面”教具中的成品花瓶（圖3-1），讓學生進入思考一：觀察花瓶，發現花瓶的造型特征。
經過思考、觀察，學生發現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。
在上述發現的基礎上引導學生進入第二次思考：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？
此問題對于小學生來說完全超出了他們的認識范圍，學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，可以邀請學生進行演示操作，學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，繼續引導學生進入第三次思考：如何讓花瓶的半個軸截面草圖由平面變立體呢？
此問題讓所有的學生都陷入了困境，在學生的已知認知中這是很難實現的，有學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？學生的這個發現確實實現了讓一個平面變成了立體，但在三維設計中卻行不通，此時教師在課堂上順勢呈現了“旋轉截面”教具（圖4-1）并演示了整個旋轉的過程，將單個的二分之一軸截面依次放入“旋轉底座”上的插槽中，當插槽插滿后，一個完整的花瓶（圖4-2）就呈現在學生眼前，學生在觀察的過程中加深了對“旋轉”的印象。
圖4 “旋轉”教具模型實物
經過上述三次分析思考后，學生對整個花瓶的建模原理和過程（截面、旋轉）有了初步的了解，從開始的懷疑到此時的堅信，學生的學習興趣和熱情被充分調動，在此基礎上引導學生進入實踐操作環節，教學效果明顯提升。
（二）“三實踐”助操作
1.實踐一：截面的繪制
直線命令—通過兩端點的設定，可以快速通過給定點繪制直線。可通過設定參數，改變直線尺寸。可在網格面上繪制，也可在造型平面上繪制;
通過點繪制曲線命令—可通過連續多點繪制曲線或直接輸入坐標得到曲線。可在網格面上繪制，也可在造型平面上繪制。
學生在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”→“通過點繪制曲線”按鈕繪制曲線，曲線第一個點和花瓶上口直線右邊端點重合，最后一個點和花瓶下底口直線右邊端點重合，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
旋轉命令—就是草圖通過軸線旋轉一圈或一定角度形成實體。
學生在3D One中完成“旋轉”的操作：鼠標單擊工具欄中的“特征造型”—“旋轉”命令，在“輪廓P”處用鼠標選擇剛才畫好的花瓶草圖，在“軸A”處用鼠標選擇花瓶草圖的高度直線，設置完成后鼠標單擊“√”按鈕完成“旋轉”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—是將實體零件的內部全部去掉，僅留下外殼，開放面為造型的開口面。
學生在3D One中完成“抽殼”的操作：鼠標單擊工具欄中的“特殊功能”—“抽殼”命令，在“造型S”處用鼠標選擇花瓶，將“厚度T”設置成-2，“開放面”用鼠標右鍵切換視圖，選擇花瓶的上口面，設置完成后鼠標單擊“√”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、結語
學生在筆者的引導下經過三思考、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。
3D打印創意設計課程作為當下學校熱門的拓展課程，參與學習的學生是不同學段、不同層次的，3D打印教學教具的設計與應用能有效地解決學生學習過程中涉及到的認知盲點，直觀地呈現3D建模的原理和過程。
由此可見3D打印教具在3D打印教學中同樣意義非凡，它同樣可以在課堂中激發學生的學習興趣，提升教學效果，讓神秘的3D打印學習不再神秘。
本文內容僅代表作者本人觀點，與i3DOne社區無關。
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更新時間：2020-12-14
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