面向兒童創(chuàng)新教育的桌面3D打印機(jī)及服務(wù)平臺的設(shè)計研究

賈林玲 趙飛麒

摘 要：本文從對3D打印技術(shù)、桌面3D打印機(jī)及市場的分析開始，探討其在兒童創(chuàng)新教育領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。結(jié)合兒童創(chuàng)新教育理論，把兒童作為消費者進(jìn)行了深入的用戶分析。具體設(shè)計實踐中，將設(shè)計定位為桌面3D打印機(jī)與兒童3D創(chuàng)新教育平臺軟硬件結(jié)合的服務(wù)平臺設(shè)計。把創(chuàng)新理論應(yīng)用于設(shè)計服務(wù)領(lǐng)域，完成了桌面3D打印機(jī)的效果圖等方面的工作，同時也完成了兒童3D創(chuàng)新教育平臺網(wǎng)站的主體功能原型設(shè)計及最終的視覺表現(xiàn)設(shè)計。通過兩者的結(jié)合，力爭為快速成型技術(shù)的應(yīng)用與推廣開拓新的道路。

關(guān)鍵詞：兒童創(chuàng)新教育；桌面3D打印機(jī)；設(shè)計研究

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）12-0028-02

1 3D打印機(jī)產(chǎn)品現(xiàn)狀研究

當(dāng)國內(nèi)人們還不知道3D打印機(jī)術(shù)是什么的時候，3D技術(shù)在國外早已普及于各大工業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2009年全球打印市場的規(guī)模達(dá)10億美元，之后每年都以20%的幅度上漲，直至2013年，市場規(guī)模已高達(dá)40億美元。如此迅猛的勢頭，國內(nèi)市場卻寥寥無幾，其中美國占據(jù)了40%的比重，日本德國緊跟其后[1]。

3D技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展的比較晚，依然處于研究階段，目前3D打印技術(shù)已經(jīng)成熟的應(yīng)用到了工業(yè)制造的各種領(lǐng)域，但是他的局限性還是很大。設(shè)備成本高；打印原料成本高；打印精度低；打印速度慢；成品屬性相對于傳統(tǒng)的鑄造工藝來講，它的性能相差很大；操作技術(shù)難。

2 桌面3D打印機(jī)發(fā)展趨勢

雖然3D打印有很多問題，但它未來的發(fā)展會勢不可擋。接下來肯定就這些問題迎難而上，將此技術(shù)普及到各個領(lǐng)域及群眾生活中去。3D打印設(shè)備成本將會降低；材料會多樣性；質(zhì)量與速度也會提高。近來推出的低成本的桌面3D打印機(jī)，也將進(jìn)入家庭和學(xué)校，從而極大的激發(fā)個人的創(chuàng)造力和設(shè)計熱情。

3 桌面3D打印機(jī)在兒童創(chuàng)新教育中的可行性分析

兒童創(chuàng)新教育旨在培養(yǎng)孩子的創(chuàng)造潛能，其核心就是在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域培養(yǎng)中小學(xué)生在意識、情感、意志、思維、活動等方面具有求新的意識和相應(yīng)的能力，無論是對于新事物還是新思想，能夠找到合理的方法，把握正確的規(guī)律，形成新的知識體系。

依據(jù)兒童創(chuàng)新教育理論的相關(guān)研究，可以通過教學(xué)與實踐結(jié)合的模式，尋找到3D打印技術(shù)及相關(guān)平臺在教育應(yīng)用中的可行性模式。首先，可以通過3D打印技術(shù)結(jié)合相關(guān)美術(shù)、語文、數(shù)學(xué)、自然科學(xué)等課程知識，結(jié)合主題活動，進(jìn)行立體形態(tài)創(chuàng)造，或?qū)⒍S的圖片快速轉(zhuǎn)化為三維形態(tài)，也可以將相關(guān)藝術(shù)創(chuàng)作活動和教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，通過從創(chuàng)意到制作的過程，加強(qiáng)兒童的動手能力，體驗審美樂趣及創(chuàng)造的快樂性。同時通過實物作品加強(qiáng)創(chuàng)造的成就感[2]。其次，可以通過3D打印技術(shù)豐富教學(xué)手段，3D打印技術(shù)的快速成型特性，方便兒童全過程參與，便于在娛樂的過程中創(chuàng)造出輕松、愉快的創(chuàng)新環(huán)境，把注入式的知識學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)化為討論式、探索式的建構(gòu)知識方式。最終，可以通過3D打印技術(shù)及打印出的成品，幫助學(xué)生建構(gòu)和學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的小情境。以生動形象的作品，聯(lián)系現(xiàn)實的生活環(huán)境，模擬真實社會文化、生活樣貌，幫助學(xué)生理解教學(xué)目標(biāo)，最終能夠激發(fā)學(xué)生各種智力能力的提升[3]。

從上述分析可以獲得桌面3D打印機(jī)在兒童創(chuàng)新教育中應(yīng)用的可行性及應(yīng)用方式的信息，在下面的研究中將以此作為出發(fā)點進(jìn)行設(shè)計研究，具體的內(nèi)容包括桌面3D打印機(jī)產(chǎn)品設(shè)計研究和桌面3D打印機(jī)配套網(wǎng)站設(shè)計與建設(shè)。

4 桌面3D打印機(jī)設(shè)計

4.1 功能定位

桌面3D打印機(jī)與兒童創(chuàng)新教育結(jié)合，不僅是為兒童創(chuàng)新教育開發(fā)了一種新的渠道，同時也在嘗試3D打印技術(shù)的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化道路。

主要功能是為兒童創(chuàng)新教育提供輔助性手段，通過軟硬件結(jié)合的方式，擴(kuò)大產(chǎn)品的應(yīng)用范疇，通過提升性價比的方式，相對降低產(chǎn)品價格。同時根據(jù)小學(xué)生不同階段特點，通過產(chǎn)品配置方式、使用方式及配套軟件服務(wù)加以區(qū)別。

4.2 設(shè)計定位

以軟硬件結(jié)合的方式完成設(shè)計任務(wù)，將整個設(shè)計定位為包括桌面3D打印機(jī)產(chǎn)品和兒童3D創(chuàng)新教育網(wǎng)站軟硬件相結(jié)合，具有簡潔、情感化、科技感等特征的系統(tǒng)設(shè)計。

整體外罩：盡量整體化，采用全封閉打印方式，在實際與心理上都體現(xiàn)出安全性，使兒童樂于接近，而家長教師也放心讓孩子使用。

門：與外罩相配合的門，可以形成產(chǎn)品造型的整體性，設(shè)計除了造型感覺，同時也要考慮門的人機(jī)尺寸。門的尺寸要考慮打印產(chǎn)品的最大尺寸及兒童手臂活動范圍，最主要的考慮是方便使用者取放打印好的物品。

觀察窗：加大觀察窗的尺寸，嘗試成型平臺四周全部使用觀察窗，方便兒童多人及多角度觀看打印過程。

數(shù)字控制面板：一體式數(shù)字控制面板，硬界面設(shè)計主要考慮其觀看的角度，設(shè)計成可翻起及旋轉(zhuǎn)，可以方便多人一起操作。分離式數(shù)字控制面板考慮手持式為主，硬界面應(yīng)考慮手持產(chǎn)品的舒適度。軟界面設(shè)計主要兒童的視覺與操作習(xí)慣。

4.3 展示

根據(jù)前面分析的使用情境，選擇了下面的方案，使用計算機(jī)輔助軟件進(jìn)行的效果圖表現(xiàn)設(shè)計如圖1。

5 針對兒童創(chuàng)新教育的桌面3D打印機(jī)配套網(wǎng)站設(shè)計與建設(shè)

設(shè)計與建設(shè)一個能夠涵蓋相關(guān)問題的服務(wù)平臺，是在兒童創(chuàng)新教育領(lǐng)域推廣和應(yīng)用快速成型技術(shù)的重要支撐。與桌面3D打印機(jī)配套的兒童創(chuàng)新教育網(wǎng)站，可以視為驗證產(chǎn)品功能系統(tǒng)的產(chǎn)品應(yīng)用系統(tǒng)。網(wǎng)站的設(shè)計與建設(shè)主要涉及到三方面的內(nèi)容，一是建設(shè)目標(biāo)與需求的描述，二是基本功能模塊與系統(tǒng)模塊的架構(gòu)設(shè)計，三是功能的視覺化表現(xiàn)。

5.1 目標(biāo)與需求描述

為兒童提供娛樂學(xué)習(xí)一體化的互動交流平臺。運(yùn)用平面設(shè)計軟件、三維建模軟件、3D打印技術(shù)的等先進(jìn)手段，為兒童創(chuàng)新教育提供新的思路與方法，網(wǎng)站確定命名為“3D創(chuàng)新教育平臺”。網(wǎng)站設(shè)計的目標(biāo)包含：趣味性與知識性；情境性與參與性；通用性與個性化。

5.2 功能系統(tǒng)模塊設(shè)計分析

5.2.1 用戶分類

網(wǎng)站用戶可以分為三類：管理員、組織者、參與者。

管理員：負(fù)責(zé)創(chuàng)新平臺新聞動態(tài)以及通知的發(fā)布；上傳3D打印技術(shù)資料、操作學(xué)習(xí)視頻或文檔、建模軟件及其他應(yīng)用軟件；管理更新模型庫；

組織者：發(fā)布單項創(chuàng)新教育活動通知；管理活動進(jìn)程；收集、管理、指導(dǎo)及評價作品；發(fā)放實物作品；

參與者：查閱信息；搜索內(nèi)容；學(xué)習(xí)、交流技術(shù)技法；打印或設(shè)計定做產(chǎn)品；提問或回答問題。

5.2.2 網(wǎng)站功能系統(tǒng)模塊

（1）信息功能模塊：發(fā)布各種活動、新聞、產(chǎn)品、作品、用戶互動等信息。（2）3D模型庫模塊：分為系統(tǒng)模型庫與用戶模型庫。

系統(tǒng)模型庫：網(wǎng)站為用戶提供的3D打印素材系統(tǒng)模型庫設(shè)計了兩種分類方式，首先，將模型按照認(rèn)知難易程度分為初級、中級、高級。初級模型庫提供簡單的單體模型打印服務(wù)；中級可提供配合課文、故事情節(jié)的系統(tǒng)化模型，由多個模型組件組成具有現(xiàn)實情境特征的場景；高級模型庫提供具有一定結(jié)構(gòu)功能、組合性的模型，可以與理科類課程結(jié)合。其次，按照物品的自然類別劃分，這是一個可以不斷增加的分類方式，主要的特點是分類簡單易懂，容易使用戶快速找到自己想要的形象。分類有：動物、植物、人物、建筑、家具、生活用品、家用電器、交通工具、武器、機(jī)械、人文創(chuàng)意等類別。

用戶模型庫：用來展示用戶自己設(shè)計建造的模型。模型下方設(shè)置投票鍵，模型排列方式設(shè)定三種，人氣（瀏覽量）、發(fā)布時間、評分（得票數(shù)）作為次序依據(jù)。

活動功能模塊：發(fā)布主題活動信息，會員活動信息等。

學(xué)習(xí)功能模塊：分3D教材庫與網(wǎng)上教程兩個板塊，3D教材庫主要是與小學(xué)課程相結(jié)合的相關(guān)知識，網(wǎng)上教程主要提供建模、3D技術(shù)等學(xué)習(xí)資料。

下載功能模塊：提供各種相關(guān)軟件的下載。

產(chǎn)品介紹模塊：介紹桌面3D打印機(jī)產(chǎn)品技術(shù)、使用方式、動態(tài)、市場等情況，以及打印耗材種類、色彩等。

互動交流模塊：上傳及下載模型功能；問答功能，可以向網(wǎng)站管理人員及其他使用者提問，也可以自由回答他人問題。

搜索功能模塊：用戶可以通過搜索快速定位所需資源，并自動保存搜索記錄，以便再次查看。

積分功能模塊：網(wǎng)站各種互動活動，例如上傳模型、提問或回答問題、評價作品等，都給予一定的積分獎勵，積分可兌換虛擬物品（榮譽(yù)徽章等）、網(wǎng)站特權(quán)或?qū)嵨铼剟?，以提高用戶參與的積極性。

5.3 網(wǎng)站界面設(shè)計研究

3D創(chuàng)新教育平臺主要的用戶群體是6-13歲兒童，確定的網(wǎng)站整體界面風(fēng)格如下：

（1）簡潔明了。簡潔明了的設(shè)計有利于兒童專注于內(nèi)容的解讀。設(shè)計中注意其秩序感，讓人產(chǎn)生統(tǒng)一感，色彩上采用藍(lán)綠等冷色調(diào)，不僅能表現(xiàn)科技感主題，同時也可以讓人產(chǎn)生寧靜淡定的心理感受。（2）科技與情感化設(shè)計結(jié)合。3D打印技術(shù)對兒童來說，是陌生的技術(shù)，但是當(dāng)兒童看到打印的過程時，又會感覺到神奇。情感化設(shè)計的加入，使兒童在滿足好奇心的同時，又如同找到了一個大家庭。（3）個性化風(fēng)格。在整體簡潔明了的風(fēng)格中，不能忽視增加一些個性化元素，可以加入一些對比元素，產(chǎn)生視覺的跳躍，給人一種意想不到的驚喜感。

6 結(jié)語

本文以服務(wù)兒童創(chuàng)新教育為出發(fā)點，從設(shè)計理論基礎(chǔ)、設(shè)計思維研究入手，對桌面3D打印機(jī)設(shè)計的過程及方法進(jìn)行了全面的研究，并且在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了針對兒童創(chuàng)新教育的桌面3D打印機(jī)產(chǎn)品設(shè)計及服務(wù)設(shè)計的體系框架。

參考文獻(xiàn)

[1]王忠宏.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟(jì)縱橫，2013，（01）：90-93.

[2]童宇陽.3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2013，（12）：16-19.

[3]花燕鋒.3D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究[J].中小學(xué)電教，2014，（06）：16-19.