3D打印集成系统课程指导纲要.docx
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3D打印集成系统课程指导纲要
云南省中小学3D打印集成系统
课程指导纲要(试用)
目录
第一部分前言1
一、基本理念1
二、课程性质2
三、设计思路3
(一)学段3
(二)目标4
(三)学习内容4
(四)实施建议5
第二部分课程目标6
第三部分课程设置8
一、认识3D打印9
(一)3D打印初识9
(二)3D打印材料9
(三)3D打印优势及其发展趋势9
二、三维扫描9
(一)硬件设备与扫描软件10
(二)人体扫描10
(三)脸部扫描10
(四)静物扫描11
三、三维模型编辑11
(一)三维变换11
(二)塑形工具11
(三)模型装饰12
(四)3D打印的前期准备12
四、3D打印12
(一)3D打印机12
(二)3D打印机软件13
(三)3D打印机校准13
(四)3D打印初体验13
五、创意设计与作品生成13
(一)初识Tinkercad14
(二)筷子的制作14
(三)小碗和餐盘的制作14
(四)杯子的制作14
(五)居家一角15
(六)创意设计15
六、课程的整合与拓展15
(一)学科整合的STEAM教育16
(二)创客教育(市场实践)16
(三)生活实践16
(四)教学应用16
第四部分课程实施建议17
一、教学建议17
(一)让学生在生动具体的情景中体验和学习3D课程17
(二)引导学生独立探索与合作交流17
(三)尊重学生的个体性差异,鼓励学生大胆创新18
(四)注重与日常生活及其它学科间的联系,提高解决问题的能力18
二、教法建议18
(一)任务驱动,做中教学18
三、教学设计19
(一)以教为主的教学设计19
(二)以学为主的教学设计19
四、评价建议19
(一)诊断性评价19
(二)过程性评价20
(三)形成性评价20
(四)综合性评价21
五、教材编写建议21
(一)选取现实生活或其它学科中的素材21
(二)教材内容呈现形式多样化22
(三)提供探索和交流的空间22
(四)关注各部分内容之间的联系和整合22
(五)教材内容应具有一定的弹性22
课程资源的开发与利用24
(一)实践活动材料24
(二)多媒体资源和网络资源24
(三)现实生活与其它学科的资源24
(四)图书资源25
(五)课外活动小组25
(六)3D打印企业资源25
参考文献26
第一部分前言
3D打印(3DP)即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
3D打印技术被称之为“第三次工业革命”,其最大的魅力在于为创意设计提供了无限的可能性。
将3D打印技术引入中小学课程,有助于培养学生的核心素养,提升学生的动手实践能力、创新能力以及提高学生的综合素质能力,为我国培养制造性人才奠定基础。
义务教育阶段的3D打印集成系统课程,其基本出发点是促进学生全面、持续、和谐的发展。
它不仅要考虑教师实地教学的特点,更应遵循学生学习的心理规律,强调从学生已有的生活经验出发,让学生亲身经历将实际问题抽象成模型并转化为实物的过程,进而使学生获得对3D打印技术理解和掌握的同时,在思维能力、情感态度和价值观等诸多方面得到提升和发展。
3D打印集成系统课程不仅仅是一门独立的课程,它还可以与其它学科的教学应用(如数学、地理、生物、化学等学科)或其它领域(STEAM教育、创客教育、生活实践)相互整合,以进一步优化3D打印集成系统课程及提升学科之间的教学效果。
一线教师在理论和实践两个层面上对3D打印技术概念的定义还不规范,在实际教学中其教学内容不统一,课程教学无评价标准,无法按统一的课程指导纲要开设3D打印集成系统课程,同时无法客观评价教学的质量和水平。
因此,通过查找资料和实地调研,我们整理制定了《云南省中小学3D打印集成系统课程指导纲要》。
一、基本理念
义务教育阶段的3D打印集成系统课程,是实施素质教育和创新教育的重要途径之一。
3D打印集成系统课程学习是指在教学过程中以实践活动为载体,在教师指导下,创设虚拟模型并通过3D打印技术打印出实物的过程,让学生通过亲身实践获取直接经验,养成科学精神和科学态度,提高问题解决的能力。
它注重的是学生的兴趣、思维、知识、技能、情感、态度等全方位的发展,构建一种积极、主动探究的学习习惯、学习方式和开放的学习环境,培养学生的创新精神和实践能力。
1.以自主探究为核心-----无论是初中还是小学,都是从学生自身的学习生活和社会活动中,通过个体、小组、班集体亲历亲为去发现问题、提出问题和探究问题,引导学生积极自主地实践探究,体验、和享受创造过程中带来的乐趣,促进学生学习方式的转变。
2.以实践活动为载体-----实践活动是3D打印集成系统课程学习最基本的表现形态。
面向学生完整的生活领域,关注学生兴趣爱好和情感需要,为学生提供开放的个性发展空间,通过课内外组织广泛、灵活、形式多样的探究活动,形成“课堂教学活动化”的开放式活动课程。
3.以创新发展为目的------3D打印集成系统课程学习重在知识技能的应用和创新意识、创新精神、创新能力的培养。
通过学习、理解、应用到再创造,将概念性实物进行再创造,给模型增加额外功能。
从积累、进阶到提高,学生通过创造或再创造提升自己的创造性思维以及问题解决与创新能力素养。
4.以过程评价为尺度------评价的主要目的是为了全面了解学生的学习历程和改进教师的教学,应建立评价目标多元、评价方法多样的评价体系。
对3D打印集成系统课程学习的评价要关注学生学习的结果,更要关注他们学习的过程;要关注学生学习3D打印技术的掌握水平,更要关注他们在实践活动中所表现出来的情感与态度。
二、课程性质
义务教育阶段的3D打印集成系统课程以培养学生的核心素养为主要目标,以综合实践活动的一个学习领域作为课程形态的校本课程,旨在培养学生对3D打印集成系统应用的兴趣、求知欲和培养学生的创意思维。
3D打印集成系统课程不仅应使学生掌握基本的知识和技能,促进个性化发展,还要使学生学会运用3D打印技术增进交流与合作,勇于创新,形成解决实际问题的能力,形成与社会相适应的技术观、价值观与责任感,为适应社会的发展提供必要保证。
1.基础性
3D打印集成系统课程以培养学生的创意思维和核心素养为主要目标,要求学习者掌握3D打印技术的基础知识与基本技能,为其今后3D打印集成系统课程的知识与技能的持续学习与使用、其他学科的学习、终身学习和自身的全面发展奠定坚实基础。
2.实践性
3D打印集成系统课程是一门注重实践性的课程,学习者在学习3D打印集成系统课程时,不仅要掌握3D打印的基础知识和基本技能,学会应用软硬件工具获取或创设虚拟化的3D模型,并将虚拟化3D模型转变为3D实物作品,而且还要学会将3D打印技术的知识与技能内化,解决日常生活与学习中的实际问题。
3D打印技术知识与技能的学习表现为模拟和现实的实践探究活动,是一个动手与动脑相结合的活动过程,有利于培养学生学会学习的方法。
3.创造性
3D打印集成系统课程是一门注重培养学生创造性思维的课程。
3D模型的获取、编辑、加工、处理以及3D作品的评价、表达和交流的过程有大量需要分析、归纳、思索和探究的活动,它不仅涉及逻辑推理和试验,同时还是一个充满创造性思维的过程,能激发学生的创造欲望,培养学生的创新精神与创造能力。
倡导学生运用3D打印技术的思想与方法,创造性地分析、解决生活与学习中的问题,提高学生解决实际问题的能力。
4.综合性
3D打印集成系统课程不仅仅只是作为一门单独的校本课程,它还可以与其它基础学科(如数学、地理、生物、化学等学科)或其它领域(STEAM教育、创客教育、生活实践等)进行深度结合,课程内容丰富而广泛,具有较强的综合性。
5.开放性
3D打印集成系统课程是一门开放性的课程。
其开放性主要表现为课程在学习内容、活动形式、实践与评价等方面应该给教师、学生提供选择的机会和创新的空间,使课程可以在最大程度上满足不同地区、不同经验背景的学生学习的需要。
三、设计思路
(一)学段
为了体现云南省义务教育阶段3D打印集成系统课程的整体性,《云南省义务教育3D打印集成系统课程指导纲要》(以下简称《指导纲要》)通盘考虑了义务教育阶段的课程内容;本指导纲要适用于小学高年级和初中一、二年级,同时,根据学生发展的生理和心理特征以及学校自身的软硬件条件,各中小学可根据自身学校的教学安排进行实地教学。
本指导纲要建议将3D打印集成系统课程作为一门校本课程,课时总共为15个课时,一个学期内完成本门课程,每周以1至2课时为宜,学生人数以15-25人为宜,具体的课程内容课时安排详见表3-1内容结构表。
(二)目标
《指导纲要》的目标是面向全体适用学生,并面向学生完整的学习和生活领域,采用兴趣活动课程形态、项目设计类课程形态,利用课内课外各种途径,在教师的指导下,通过学生的自主参与、激发创意、实践体验,促使学生学习方法、知识能力、情感态度与价值观诸方面获得可持续性发展。
(三)学习内容
《指导纲要》安排了“认识3D打印”“三维扫描”“三维模型编辑”“3D打印”“创意设计与作品生成”“课程的整合与拓展”六个学习领域。
课程内容的学习,强调学生的实践活动,发展学生的科技与信息素养、审美与文化素养、学会学习能力、问题解决与创新能力、知识迁移与应用能力。
科技与信息素养主要表现在:
认识3D打印,了解3D打印的基本原理,能进行三维扫描,设计并编辑三维模型及完成3D打印。
审美与文化素养表现在:
能对已设计的三维模型、3D打印作品进行指导纲要性评判,能结合传统文化与外来文化,制造出具有文化特色的3D打印作品。
学会学习能力表现在:
能对3D打印集成系统课程产生浓厚的学习兴趣,培养良好的学习习惯,使用科学的学习方法对课程内容进行自主性学习。
问题解决与创新能力表现在:
面对新问题时,能主动尝试运用所学知识和方法寻求解决问题的策略及方法;能通过观察、实践、类比等途径,在创造出3D打印产品的同时进行再创造。
知识迁移与应用能力:
能将3D打印与其它学科或其它领域相结合,利用3D打印技术提升其它学科的教学效果和进一步优化3D打印集成系统课程。
(四)实施建议
《指导纲要》针对教学教法、教学设计、评价、教材编写、课程资源的开发与利用提出了建议,供有关人员参考,以保证《指导纲要》的顺利实施。
第二部分课程目标
义务教育阶段3D打印集成系统课程的总目标是培养和提升学生的3D打印集成系统课程核心素养。
本指导纲要中,学生的3D打印集成系统课程核心素养主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、社会责任这四项要点。
信息意识表现在:
其一,在信息感知方面,学生能对3D打印技术发展变化过程具备一定的感知性和敏锐力;其二,在信息应用层面,学生能根据3D打印集成系统课程的需要主动的获取、加工、表达、交流信息;其三,在信息评判方面,学生能对3D打印集成系统课程中获取的信息进行标准性评判,如信息来源、内容、表达目的等。
计算思维表现在:
学生能利用计算媒体表达自己和展现自己,将头脑中的虚拟创意形象化,创建3D模型,对所创建的3D模型进行分析和优化。
数字化学习和创新表现在:
强调学生能了解或掌握3D打印技术的定义、原理、方法,以及3D打印工具、技术的基本操作与应用;能利用信息技术工具获取、编辑3D模型的能力;能对3D打印活动的过程、方法、结果进行评价的能力;能通过3D打印设计操作或应用过程,通过线上线下发表观点、交流思想、开展合作以及利用3D打印技术解决学习和生活中实际问题;能利用3D打印软硬件工具创造性地完成项目,形成创新性作品并养成数字化创造的习惯。
社会责任表现在:
强调理解3D打印技术的技术思想,在应用3D打印技术的过程中,形成与社会相适应的技术观、价值观和责任感,对道德、伦理、文化产生感悟与内化,积极、负责、安全、健康地使用3D打印技术。
为了更加清晰的阐述3D打印集成系统课程,培养和提升学生的3D打印课程核心素养以及为制定必需的课程计划提供指导,指导纲要特此使用行为和内容这两个维度来表述目标。
表2-13D打印集成系统课程目标
目标的行为方面
1.理解重要的事实和原理
2.应用原理的能力
3.创造与再创造
4.自我评价
5.广泛而成熟的兴趣
6.社会态度
目标内容
1.认识3D打印
√
√
√
√
2.三维扫描
√
√
√
√
√
3.三维模型编辑
√
√
√
√
√
√
4.3D打印
√
√
√
√
√
5.创意设计与作品生成
√
√
√
√
√
√
6.课程的整合与拓展
√
√
√
√
√
√
第三部分课程设置
本部分分别阐述认识3D打印、三维扫描、三维模型编辑、3D打印、创意设计与作品生成、课程的整合与拓展六个领域的内容指导纲要。
“认识3D打印”的内容包括3D打印初识、3D打印材料、3D打印优势及其发展趋势,可以帮助学生对3D打印有个初步的认识,激发学生的学习兴趣。
“三维扫描”的内容主要涉及三维扫描的硬件设备与扫描软件、人体扫描、脸部扫描、静物扫描,可以帮助学生将现实物品扫描到电脑中,激发学生们的好奇心。
“三维模型编辑”的内容主要涉及三维变换、塑形工具、模型装饰、3D打印的前期准备,它主要是为三维模型进行加工改造,培养学生们的动手实践能力及创造能力。
“3D打印”的内容主要涉及3D打印机、3D打印机软件、3D打印机校准、3D打印机体验,它主要是通过让学生学会使用3D打印软件以及对3D打印机进行校准,用3D打印机打印出成品,它通过使用3D打印机打印出学生前面已设计或编辑好的三维模型,以提高学生的自我成就感并加深对三维扫描、三维模型编辑两块教学内容的理解,体现各部分内容之间的联系。
“创意设计与作品生成”的内容包括初识Tinkercad、筷子的制作、小碗和餐盘的制作、杯子的制作、居家一角、创意设计,它通过对3D模型进行各式各样的设计,无中生有,以培养学生的创新思维。
“课程的整合与拓展”的内容涉及学科整合的STEAM教育、创客教育(市场实践)、生活实践、教学应用,拓宽3D打印课程的横向发展。
表3-1内容结构表
认识3D打印(1课时)
3D打印初识、3D打印材料、3D打印优势及其发展趋势
三维扫描(2课时)
硬件设备与扫描软件、人体扫描、脸部扫描、静物扫描
三维模型编辑(2课时)
三维变换、塑形工具、模型装饰、3D打印的前期准备
3D打印(2课时)
3D打印机、3D打印机软件、3D打印机校准、3D打印机体验
创意设计与作品生成
(6课时)
初识Tinkercad、筷子的制作、小碗和餐盘的制作、杯子的制作、居家一角、创意设计
课程的整合与拓展
(2课时)
学科整合的STEAM教育、创客教育(市场实践)、生活实践、
教学应用
一、认识3D打印
在本学习单元中,学生将初步认识3D打印,了解3D打印的发展史、概念及基本原理,熟悉3D打印材料,体会3D打印优势及了解3D打印技术发展趋势。
在教学中,应注重结合3D打印机、3D模型进行讲解,通过实物讲解,让学生形成对3D打印机及3D模型整体性的感知以及激发学生的学习兴趣。
(一)3D打印初识
1.了解3D打印的发展历史。
2.认识3D打印机的基本构造,了解3D打印机各个元件的作用。
3.能阐述什么是3D打印。
4.了解3D打印机(FDM:
熔融沉积型)的基本工作原理。
(二)3D打印材料
认识几种成熟的3D打印材料,并能说出材料所属类别。
(三)3D打印优势及其发展趋势
1.通过丰富的实例,了解3D打印技术在相关领域中的应用以及对我们生活有哪些影响。
2.能通过和传统加工技术相比阐明3D打印技术的优势。
3.结合3D打印技术在现实生活中的应用,了解其今后的发展趋势。
二、三维扫描
在本单元学习中,学生将了解三维扫描各组成部分,认识三维扫描各硬件设备以及学会对硬件设备进行简单连接,学会三维扫描软件的安装及掌握进行人体扫描、脸部扫描、静物扫描的方法。
在教学中,应首先关注学生参与活动的情况,引导学生积极观察与操作,主动与同伴合作,积极与他人交流,使学生获得对三维扫描的直观经验以及增强合作意识。
(一)硬件设备与扫描软件
1.结合具体情境,识别三维扫描仪及各镜头的作用,了解扫描范围的概念。
2.认识升降支架套件及转盘套件,并能说出升降支架和转盘的作用。
3.在教师指导下,能对三维扫描仪的硬件设备进行简单的连接和安装。
4.学会点云三维扫描软件的正确安装。
5.能够独立操作打开点云三维扫描软件和设备。
6.熟悉点云三维扫描软件界面,了解各工具按钮及其功能。
7.掌握切换扫描模式,能在人体扫描、脸部扫描两种扫描方式之间进行自如的切换。
(二)人体扫描
1.熟练掌握调整扫描仪和被扫描者的位置及距离,并预览扫描视图中的人体头部,将距离调整到适当位置。
2.掌握扫描全身人像的方法步骤。
3.学会查看人像模型,对人像模型进行移动、旋转、放大缩小操作,待扫描效果满意后保存数据并识别最终数据的文件类型。
4.经历观察、操作等实践活动,在合作与交流的过程中,获得良好的直观经验和情感体验。
(三)脸部扫描
1.掌握脸部扫描中的直接扫描和录像模式扫描这两种扫描方式的方法步骤,学会识别这两种扫描方式的异同点并根据自己的实际需要选择一种扫描方式。
2.学会查看脸部模型,对脸部模型进行色彩调整、移动、旋转、放大缩小操作,待扫描效果满意后保存数据。
3.经历观察、操作等实践活动,在合作与交流的过程中,获得良好的直观经验和情感体验。
(四)静物扫描
1.能根据被扫描物体的形状、表面特征、高度等,选择合适的扫描模式(“Face”扫描或“Body”扫描)和扫描方式(直接扫描或录像模式扫描)进行扫描。
2.学会查看静物模型,对静物模型进行色彩调整、移动、旋转、放大缩小操作,待扫描效果满意后保存数据。
3.经历观察、操作等实践活动,在合作与交流的过程中,获得良好的直观经验和情感体验。
三、三维模型编辑
在本学习单元中,学生将初识三维模型编辑软件(Meshmixer)并了解其各个选项的功能,学会三维模型编辑软件(Meshmixer)的使用步骤和方法,学会人像处理的几种基本方法及最终导出三维打印的STL文件。
在教学中,在讲解三维模型编辑软件(Meshmixer)及其具体应用时应结合具体实例进行讲解,同时应注重与上一单元学习内容之间的联系,如对已扫描完成的人像模型进行编辑,以呈现学习内容的连接性、顺序性等,便于学生更好的学习新内容。
(一)三维变换
1.学会打开三维模型编辑软件(Meshmixer)并导入软件自带模型。
2.了解三维模型编辑软件(Meshmixer)界面及各个选项的功能。
3.能够使用鼠标从各个角度观察模型,并能够正确的使用变形工具对模型进行变换。
4.学会保存文件并识别已保存文件的格式。
(二)塑形工具
1.学会在三维模型编辑软件(Meshmixer)中导入外部已扫描的.asc文件并使用检查器修复模型中的错误。
2.能够使用视图工具对模型进行变形,并把模型移动到打印机床里。
3.能根据自身喜好,使用塑形工具对模型进行塑造并进行保存。
(三)模型装饰
1.学会在三维模型编辑软件(Meshmixer)中进行减小网格操作。
2.熟练操作选择工具,在套索选择模式下,能圈选模型当中的某一部分作为元件并存入“我的零件”模型库中。
3.学会在三维模型编辑软件(Meshmixer)“我的零件”中导出元件并与另一模型进行有趣的结合,观察模型,调整结合体至满意效果后保存。
4.能根据自己的喜好,给模型装饰成不同的造型。
(四)3D打印的前期准备
1.掌握在三维模型编辑软件(Meshmixer)中对模型进行平面切割操作。
2.学会调整打印模型的尺寸大小和进行最小壁厚修复操作。
3.能将模型导出为供打印机使用的STL格式文件。
四、3D打印
在本学习单元中,学生将进一步认识3D打印机的组成以及使用时需要注意的事项,理解3D打印机(FDM:
熔融沉积型)的工作原理,学会独自安装及使用3D打印软件,掌握3D打印机的校准、打印等操作。
在教学中,应注重学生的实地演练及操作,教师在课堂中可采取学生小组合作形式,时刻关注学生的活动状态,引导学生积极观察与操作,主动与同伴交流合作。
此外,应时刻注意一些注意事项和安全问题,并确认需打印3D模型的合理性。
(一)3D打印机
1.熟悉3D打印机的组成部分,了解各个组成部分的功能,识记使用相关设备及实际操作3D打印机时的注意事项。
2.学会3D打印机硬件设备的简单连接。
3.能够简要阐述3D打印机(FDM:
熔融沉积型)的工作原理。
4.了解3D打印机常用的打印材料PLA(聚乳酸)。
(二)3D打印机软件
1.学会安装3D打印机软件及注册打印机程序。
2.熟悉3D打印机软件界面,了解3D打印机软件常用选项的功能及位置。
3.能够区分打印支撑中无支撑、外部支撑、内外支撑的三种支撑方式。
(三)3D打印机校准
1.了解3D打印机校准的基本原理。
2.掌握3D打印机的校准方法,学会校准3D打印平台,能独立完成3D打印机设备校准操作。
(四)3D打印初体验
1.学会打印材料的进丝、退丝操作。
2.能在3D打印机软件中导入模型,通过旋转或移动调整模型至合适位置,进行缩放得到合适的大小并生成路径。
3.掌握3D打印技术中的在线打印和离线打印两种打印操作以及比较两种打印方式的优缺点。
4.能够打印出上一单元设计、制作的人像模型。
5.通过3D打印过程,掌握打印技巧和注意事项,体会技术的局限性可能导致的打印失败,并与组内成员或其它小组成员进行沟通交流,发表心得体会。
五、创意设计与作品生成
在本学习单元中,学生将学习创意设计软件(Tinkercad),利用这个软件学习制作3D打印模型。
本单元将以“家中的餐具”和“居家一角”作为本次项目设计的主题为依托,对此项目进行设计和实施。
在初步掌握创意设计软件(Tinkercad)后,学生可以发散思维,制作出更多精致的模型。
在教学中,应注意创设教学情境,应通过照片、图片、实物或模型先向学生介绍简单餐具和居家一角的结构或概念,以便于学生更好的理解学习内容。
在学生初步掌握创意设计软件(Tinkercad)后,应注意引导学生发散思维制作出自己喜爱的模型,以培养学生的创造力和问题解决能力。
(一)初识Tinkercad
1.学会打开创意设计软件(Tinkercad),了解Tinkercad界面窗口及各个窗口中工具或选项的功能。
2.学会在创意设计软件(Tinkercad)中导入立体图形,通过使用鼠标从各个角度观察立体图形,掌握改变立体图形长宽高、材质等操作的方法。
3.结合所学内容,比较创意设计软件(Tinkercad)与三维模型编辑软件(Meshmixer)的异同之处。
(二)筷子的制作
1.学会在创意设计软件(Tinkercad)中导入圆等平面图形,并对平面图形进行调整、移动等操作,如调整圆的半径等。
2.掌握用放样工具制作一支筷子的步骤和方法,利用复制粘贴操作,移动筷子至适当位置后进行保存。
3.结合生活实际,学会使用草图和放样功能,制作出其它物体。
(三)小碗和餐盘的制作
1.能在模型库中导入半球体等模型。
2.学会使用旋转和抽壳功能将半球体转化为小碗,并适当调整小碗的厚度。
3.联系前面所学内容,学会使用放样和抽壳功能制作餐盘,并变换餐盘的材质颜色。
4.学会在餐盘上刻出精致的
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