中小學3D打印實驗室

　　一、中小學建設3D打印實驗室的意義和價值

　　 科技創新教育是使整個教育過程被賦予人類科技創新活動的特征，并以此為教育基礎，達到培養科技創新人才和實現以人的全面發展為目的的教育，也被稱之為創客教育。

　　 3D打印技術作為一項對傳統制造業具有顛覆意義的技術，近年來在世界范圍內受到廣泛關注，我國政府出臺了《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016）》。此計劃將3D打印技術發展規劃提高到了國家戰略發展的高度，不僅強調了3D打印教育的推廣和普及，更強調了3D打印技術人才的培養。

　　 近日，教育部印發《普通高中課程方案和語文等學科課程標準(2017年版)》。在教學內容上，修訂后課程重視內容的與時俱進。它將黨的十八大、十九大提出的重要思想、重要觀點、重大判斷、重大舉措等，結合各學科的性質和特點，與課程內容有機融合。努力呈現政治、經濟、文化、科技等發展的新成就、新成果。在信息技術和通用技術課程要求中，學生將學習了解物聯網、人工智能、3D打印、機器人等新技術，同時還將培養學生的創客精神和創業能力。

　　二、3D打印實驗室建設內容

　　 （一）歷史、生物、地理、化學、物理等課程的一些原理圖、模型，都可以用3D打印的技術進行復現，學生還可以根據自己的理解，自己發明或者創造自己認為更加適用的教具，這樣可以使學生比較直觀地了解自己所學的課程。（比如青蛙解剖模型，學校如果要單獨買，可能比較麻煩，但是如果生物課老師打印出來一個模型講解，我想授課效果可能會好一些；）

　　 （二）學生學習三維建模，有很多簡單的設計軟件可以學習，例如一些列設計軟件（例如3D One），都可以很容易讓中小學生上手開始做模型設計，學生設計出來的東西如果能夠直接打印出來，對于提高學生的興趣愛好想必是大有幫助的。

　　 （三）3D打印技術的普及本身。就像上小學、初中學電腦一樣，可以開一門非常簡單的3D打印課程，介紹3D打印技術本身。針對小孩子，可以選擇一些簡單的模型作為課程的教具，成型時間都可以控制在半小時左右；

　　 （四）興趣小組以及電子制作比賽等。參加比賽用的道具用3D打印出來的和用紙糊出來的是完全不同的兩種實現效果，會有太多的想象空間可以供學生發揮，直接呼應了國家對于素質教育的要求。

　　三、3D打印實驗室建設要求

　　 3D打印實驗室和各學校的電子教室可通用，本著節省資源，合理利用現有資源的原則。所以，建議若已經興建過電子教室的學校，可在電子教室的基礎上進行加工，若滿足一下條件可直接開課，不需要重新建造。

　　 1、使用面積：60-100㎡

　　 2、空間位置：應保證最佳建筑朝向，室內避免直接陽光照射，主要采光面應位于學生作為左側。

　　 3、環保：教室內部裝飾應選用環保型材料，室內環境噪聲應低于55分貝，金屬制品和木制品制作實驗室可高玉此標準。新建、改建、擴建實驗室及附屬用房時，甲醛、笨、氯等有害氣體和放射性污染應符合相關標準中的限量值，對于在學生活動中可能產生的多余垃圾，要配置足夠的垃圾桶，垃圾應分類收集。

　　 4、溫度：室內可安裝空調，溫度宜控制在16℃-28℃。3D打印實驗室應保持室內溫度恒定。

　　 5、供電：用電負荷應留有余地，以滿足增加的現代化教學設備的需要；按規范敷設強、弱電，空調專線敷設，安裝漏電過載保護器和可靠的接地保護。

　　 6、綜合布線：按有關技術規范敷設強、弱電線。強電電源插座與照明電應分路設計、分別控制，用電負荷應留有余量，并安裝漏電、過載和觸電保護器，有可靠的接地保護措施。弱電應考慮冗余，在合適的位置配備足夠的網絡信息接口。

　　四、3D打印實驗室布局方案

　　1、三維設計及數據處理區

　　 不同年齡的學生選用合適的三維設計軟件，在計算機上進行創作，不需要復雜的處理過程及技術，重在藝術創作和模型復原，并且可進行類似泥塑、手工拼插、簡單設計、通過照片生成三維數據等操作，趣味性強，操作簡單，學生易上手；學生可把建好的模型在電腦中進行切片處理，自主創作三維作品，如三維人物設計、汽車模型、未來建筑等，可直接生成3D打印通用格式STL文件。

　　2、VR三維設計區

　　 學生戴上VR頭盔，使用VR手柄，在VR世界中，通過拼裝、噴槍、雕刻等方法進行3D設計，降低3D建模的使用門檻，學生可快速上手3D建模；學生在VR世界中設計3D模型，無需編程，學生在3D設計完畢后，將自己傳送至自己的作品中（建筑、橋梁、地質結構等），身臨其境地進行預覽的同時可一鍵導出為兼容3D打印機的格式進行3D打??；并且可讓多名學生在同一VR空間中聯機協作，增強團隊合作能力，可將創造3D模型的不同組成部分復制、粘貼，并保存以備后用。

　　3、3D打印體驗區

　　 配備桌面級3D打印設備，旨在讓每一個學生自由創作，通過3D打印機打印出成品來，學生與3D打印親密接觸，人人動手，個個參與。

　　4、后期處理及手工制作區

　　將打印出作品進行后續處理，噴繪上色處理，讓學生了解生產制造工藝，了解3D打印制造在新產品開發中的價值，同時可以將3D打印的作品進行個性化設計和制作，將多個3D打印作品進行手工創作，融入諸多的場景和元素，打造全新的作品。

　　5、3D作品展示區

　　在3D打印實驗室內部設置墻壁展架，或融于教室及走廊、學校公共區域 ，展示學生3D打印作品，也可配液晶屏或投影循環播放學生3D設計作品。

　　五、3D打印創客課程體系

　　 3D打印所打印出的不是平面的圖案，而是一個三維的物體。它是一種數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。我們課程體系主要針對于初學者設計，主要圍繞以下幾個方面展開：

　　 （一）三維設計、建模

　　打印之前，首先要利用計算機軟件對打印目標進行三維設計及建模，然后將構建好的模型文件通過外部物理連接導入到3D打印機內。

　　 （二）切片處理、打印

　　打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。

　　 （三）后期處理、融入入創意

　　3D打印機完成工作后，取出物體，做后期處理，比如，在打印一些懸空結構的時候，需要有個支撐結構頂起來，然后才可以打印懸空上面的部分。所以，對于這部分多余的支撐需要去掉，做后期處理。其次，有時候3D打印出來的物品表面會比較粗糙，需要拋光。還有，一般3D打印機只可以打印單種顏色，有的時候需要對打印出來的物件進行上色，例如ABS塑料、光敏樹脂、尼龍、金屬等，注意不同材料需要使用不一樣的顏料。

　　六、3D打印實驗室方案價值

　　 （一）3D打印學習可以使學生完全參與到課堂中，在教學中扮演主導角色

　　3D打印課堂在教學形式上多體現為學生設計打印模型并進行打印操作，占據課堂的主導地位，然而老師僅起到輔助、答疑的作用，這樣大大提高了學生學習的主動性。

　　 （二）3D打印學習可以培養學生的想象力和創造力

　　3D打印學習中，學生依照自己的想法設計、構建三維模型，從而提高學生的想象力和創造力。

　　 （三）3D打印課程可以提高學生的團隊協作能力和溝通表達能力

　　在課堂中，學生可以通過團隊協作的方式展開學習，形成團隊協作的概念，同時提高溝通能力。