在國小試行3D繪圖與3D列印課程-緣起

臺中市豐原區葫蘆墩國小 廖昭彥   bubble@tc.edu.tw

一、淺談3D繪圖與3D列印

1、3D繪圖

2、3D列印/3D打印/3DP(3D Printing)

二、3D列印的價值

三、導入3D繪圖與列印課程的願景

1、就從印玩具開始

2、為生活尋找問題解決方案

3、用技術去幫助有需要的人

四、在國小實施的形式與挑戰

1、設備與材料的投入

2、課程內容與時間的規劃

3、不以探討印表機技術為目的

4、學生的先備知識基礎

五、緣起小結

3D列印，一個近來經常被提及的議題，其實3D列印並不是近來的新技術、新原理，但是隨著3D印表機由工業擴及家用，連歐巴馬總統 2012 年 3 月宣布將在全美國成立 15 個製造創新研究院以推動美國邁向先進製造改革時都包含了3D列印的範疇，在軍事、航太、醫療、建築...等等難以數盡的領域中，3D列印都沒缺席，究竟是怎麼一回事？如果這是一項多領域應用的關鍵技術、如果這是足以被譽為第三次工業革命的躍進，那麼教育呢？筆者檢索臺灣博碩士論文知識加值系統發現，2013年開始至2014年發表了數十篇(後述)與3D列印相關的研究成果，然而直接用於教學相關的研究卻缺席了，我們的確應該來思考3D列印可以為教學帶來什麼？可以為孩子帶來什麼？或者說，可以用3D列印來進行什麼樣的教學？可行與否？以下筆者嘗試就個人觀察與觀點淺論。

一、淺談3D繪圖與3D列印

  1、3D繪圖

3D繪圖(3D Computer Graphics)，是電腦和特殊3D軟體幫助下創造的作品。一般來講，該術語可指代創造這些圖形的過程，或者3D電腦圖形技術的研究領域，及其相關技術。3D電腦圖形和2D電腦圖形的不同之處在於電腦記憶體儲存了幾何資料的3D表示，用於計算和繪製最終的2D圖像。一般來講，為3D電腦圖形準備幾何資料的3D建模的藝術和雕塑及照相類似，而2D電腦圖形的藝術和繪畫相似。但是，3D電腦圖形依賴於很多2D電腦圖形的相同演算法。電腦圖形軟體中，該區別有時很模糊：有些2D應用程式使用3D技術來達到特定效果，譬如燈光，而有些主要用於3D的應用程式採用2D的視覺技術。2D圖形可以看作3D圖形的子集。^[1]

由上述那不太容易講給小學生明白的敘述中，筆者必須過分的簡化一下，3D繪圖如果只看在電腦螢幕上的最終呈現，其結果仍然是2D，甚至有些學生容易將45度視角的平面繪圖與3D繪圖混淆(說來也的確有人將45度視角的平面繪圖稱呼為2.5D繪圖)，之所以如此應可歸咎於平面顯示器的限制，即便是3D繪圖仍是以平面圖形的方式呈現在螢幕上，不過如果講到「可以對物件任意旋轉而得到任意視角的平面圖型」這樣學生就對於3D繪圖具有基礎的認知概念了。

以往在小學課程中如果有接觸到電腦繪圖，不論是靜態畫作、動態畫作，不論是藝術創作或是問題解決的需要，通常是以2D繪圖為主要工具能力，而以自由軟體來說從最基本的小畫家、MyPaint、Inkscape，到功能完整的GIMP都是很常見的運用工具，但是以往的繪圖工具如果要帶入問題解決的思考，如：抽屜老是很凌亂，你何不設計自己的抽屜隔板？筆筒總是凌亂，你有沒有關於設計筆筒的好點子？此類的解決問題思維，在平面繪圖中很難創作解決問題的物件。即便不論是商業軟體3D Studio MAX、Maya3D、Solidworks或者免費軟體SketchUp、Meshmixer、Blender等，3D繪圖工具早就已經相當成熟，為什麼3D繪圖的領域還是被框在專業的領域當中，而不是誰都可以來玩玩的？我想很大的問題就在於實體化，沒有辦法透過簡單的方法將創作的物件實體化，就無法驗證是否得以進行問題解決，沒有辦法透過簡單的方法將創作的物件實體化就無法展現3D創作的迷人效果。

當然，3D繪圖真的有很多專業知識，不過筆者站在教學推動的立場來看，空間邏輯的訓練與可以實踐問題解決導向的創作才是重點，精細部件或者巨大規模的作品則套句常用話語「交給專業的做」，因此筆者認為不是3D繪圖只能被歸納在專業的領域，問題在於能否被實體化，然而這個門檻即將被跨越，因為3D列印的時間空間成本正在飛快的下降，目前除了有如同線上沖洗照片般方便的雲端3D列印服務^[2][3][4]，教育單位也正在探索3D列印服務於校園中可能帶來的發展^[5]，筆者相信3D印表機進入生活中隨手可用的時代正在發生！有鑒於此，即便3D繪圖領域仍然專業是無庸置疑的，然而為孩子搭起3D繪圖能力與基礎概念的教學課程當有其進行評估的價值。

  2、3D列印/3D打印/3DP(3D Printing)

3D打印（英語：3D printing），又稱增材製造（Additive Manufacturing，AM），屬於快速成形技術的一種。它是一種以數字模型文件為基礎的直接製造技術，可以基本製造任意形狀三維實體。^[6] 其實這個近幾年來被頻繁提起的話題，筆者並不以為是什麼新穎的概念或者技術，這麼說吧，不過看著一個一個的部件就這樣從無到有的被「列印」出來，所以顯得這麼的令人驚訝，關鍵在於「列印」這個長久以來被認為就是「平面」的觀念。如果拋開列印等於平面，這個如此深刻的既有印象，再來看看3D列印的原理，也許多數的人就會「什麼阿~~原來就這麼一回事阿？」

圖一：以瓦楞板堆疊模型示意^[7]                        圖二：以保麗龍板堆疊模型示意^[8]

上面的圖一、圖二，這種小時候大家在美勞課、工藝課也許都玩過的創作，一點也不陌生對吧？就算沒有親自實做過，我想也不至於沒有看過才是吧？如果是這樣，為什麼還會覺得3D列印會是一個新穎的觀念呢？一點也不新穎。不過，就技術的發展的層面來說，3D列印真的是一個突破，因為這樣的技術降低了時間的成本、材料的成本，並且實現了更高的精確程度以及被完整複製的可行性。當然，此處筆者所指出的時間與材料成本所比較並不是工業化的開模製造，如果硬是要跟開模製造比較的話，以生產出第一個樣品為止，3DP仍然是更可行且經濟的做法。討論到此就好，材料強度、精細品質等等這種再更專業的內容已經超出筆者的知識背景，更超出了本篇想要討論的內容範圍。想談談在國小階段發展個主題課程來實施，初衷在學生的學習接受能力與創造能力，就別扯遠了。

所以，再回到這一段的主題，有了這種堆疊、切割、成型的概念，大概就對3DP原理有了基本的認識，要更廣泛一點的說，大到古老的埃及文明用巨石堆出的人面獅身像、金字塔，小到舉例的保麗龍板、瓦楞板堆疊模型作品，3DP與他們都是近似的原理「以多層疊加並固化來產生實體」，差別在於控制方法、材料。

早在1982年，日本名古屋市工業研究所首次公開實現實體模型的印製，但直到28年以後的2010年代，才出現了商業的3D打印機。 然而，最常被冠以發明「現代」3D打印機的人是查爾斯·W·赫爾（Chuck Hull）。^[9]

圖三：3D印表機示意

3D印表機(3D Printer)雖然有不同的等級、尺寸、結構、材料，而對其基本共同原理最簡單的理解就是「送入材料→加熱→噴嘴出料→堆疊成實體」。也許就這樣幾句話，似乎把這個技術發展簡化的太過份了？但是以筆者基於「為國小學生設計主題課程」的立場，初期並無意與學生一同深入「組裝印表機」、「調教印表機」之類的議題。更確切一點的說，工業用途的3DP發展從1980年代開始就已經存在，只不過那動輒天價的設備與複雜的操作，一直不是人人有機會接觸的，發展至21世紀的10年代，3DP的投入成本來到了可以邁入家用化的時代，筆者在教學立場認為對多數的人來說「應該帶來什麼創新應用」，重要的程度絕對更勝於「如何成為3D印表機的專家」。

以上，簡單的說，要讓學生瞭解3D列印是怎麼一回事、3D印表機的原理是什麼，並不是一件太抽象、太困難的事情。重要的是接下來應該思考，3D列印的價值是什麼？怎麼引導學生去思考3D列印可以做什麼？最後才是我們可預期或可能超乎預期的「學生會做出什麼？」。

二、3D列印的價值

如前所述，3DP進入生活隨手可得的運用是正在發生的事實，但是3DP接近三十年的發展中，前期多數的時間仍著重在工業上的運用，即便應用在少數的專業領域範疇，仍然有許多關鍵且引人注目的成果。例如醫療應用^[10][11]、航空工業與汽車工業特殊零件^[12]、甚至是食物^[13]...等等，業界的成就也引起了政府部門的重視，歐巴馬總統 2012 年 3 月宣布將在全國成立 15 個製造創新研究院，以縮短基礎研究與業界技術開發間之差距，其中包含的潛力領域包括：輕質材料、積層製造 (Additive Manufacturing or 3D Printing)、結合 Big data 之智慧製造等。^[14]由此可見3D列印技術的發展與其應用範疇的探索，被賦予極高的期望，更有喻之為「第三波工業革命的關鍵技術」之說。在我國，工業技術研究院也積極投入積層製造與雷射應用^[15]，究竟3D列印有著什麼樣的優勢？

• 降低產品打樣的成本：產品設計與開發，到了需要產出樣品的階段，開模即是一筆不容忽視的金額支付，透過3D列印，在大量生產之前可省下模具費用。
• 客製差異化的產品：例如醫療、精密機具(金屬3D列印^[16])，許多部件有其獨特用途，透過3D列印可以滿足各種差異化的實物滿足。
• 相同原理下多元材質的應用：雖然3D印表機家用化的過程多數人接觸到的是塑膠材質原料，然而其實金屬3D列印、生技3D列印也是科學家們力求發展的方向，不久的將來印車子、印教具、印食物先別覺得新奇，印出個可用的器官^[17]來也不無可能！
• 取代人力成本：以建築設技產業來說，傳統方式的建築模型的製作往往是極具時間與品質壓力，然而3D列印的精準、快速，對於人力與時間縮減將有莫大的助益。

圖四：工業用3D印表機示意^[18]                        圖五：家用3D印表機示意^[19]        

圖六：DeltaMaker  3DP示意^[20]                        圖七：RepRap 3DP示意^[21]

而自21世紀10年代至今短短數年的時間，價格親民的家用型3D印表機才大步向前的發展起來，因此3D列印走出了工業應用以後，走入學校、家庭這個過程，究竟其價值為何？可能的改變為合？這個問題其實還沒有完整或嚴謹的論述可供引用，今周刊曾為3D列印專文探討指出的趨勢：「製造業回流先進國家、機器即工廠 人人都是創業家、產品創新速度加快、少量多樣 個性化商品更為風行、門檻降低 創意設計才是王道、３Ｄ醫療為健康帶來新革命^[22]」，即使是以財經雜誌的角度提出看法，我們仍可站在教育的角度重新思考，況且已有許多熱情的玩家社群投入探索，我們都期盼著藉著眾人之力激盪出新的火花與實用策略。

三、導入3D繪圖與列印課程的願景

        前文探討了3D繪圖的概念、3DP的發展與價值，但仍是諸多內容仍是以商業發展的角度來看待，筆者以「3D列印」作為關鍵詞於臺灣博碩士論文知識加值系統進行標題與關鍵字查詢，結果僅得出43筆相關資料 ( 如附件ㄧ)，而其中2013年有2件研究論文與3D列印相關，2014年增加為36件，2015年至筆者的查詢日(2015/05/28)為止共有4件，筆者預期在即將到來的碩博士生畢業季也將會再添許多研究成果。而針對這43筆研究粗探，與教育或教學直接相關的僅有2件。其ㄧ「3D 列印教具導入科學教育應用之探討 ─以奈米科教為例」授權條件需到2017年才開放電子全文，而從摘要來看係利用3D 列印技術製作奈米教具模組進行教學，也就是並非直接用到3D列印教學活動。其二「虛擬教材結合實體教具之虛實整合教學研究 ─以風光互補發電系統為例」也是使用3D列印教具作為研究工具，也不是筆者本篇想要探討的範疇。再看由臺灣博碩士論文知識加值系統產生的知識地圖，牽涉的也都不是教育領域。因此，更讓筆者確定探討3D繪圖與列印課程之可行與否、價值為何是有其必要的。

圖八：以「3D列印」檢索臺灣博碩士論文知識加值系統之知識地圖

以筆者關注3DP發展並且從教育工作者的角度來看，個人提出幾點關於導入3D繪圖與列印課程的看法。

  1、就從印玩具開始

        香港理工大學設計學院客席講師Graham Leach認為，3D打印社群需要一個真正的使命，要為社會帶來貢獻及幫助有需要的人，並坦言: No More Toys！^[23]個人認為先要引用這段文字來衝突我所提出的觀點，以免遭斷章取義後的補充論述。Graham Leach所指出的觀點筆者當然是贊同的，但是觀點的情境不同。以目前3D印表機購入門檻之低，難免有人基於新鮮、好奇購入，在尚未深入思考3D印表機可以做什麼之前，下載他人繪製的模型玩具列印，既可自娛也可娛人也實屬難免，但長久以往，如果此類的社群仍然停留在交流模型玩具列印的層次，當然也就落入了Graham Leach想要點出的「 No More Toys！」情境。

        圖九：3D列印 LEGO-like 玩具人示意

        反觀，以筆者思考的角度來看，想要在小學當中試行3D繪圖與列印的課程，不從小模型玩具切入，反而顯得不太合理了！因為一個教學活動首重學習者的學習動機，這般可說是技能與生活經驗能夠快速連結的學習主題。上圖，隨意印了個小LEGO-like人偶，學生們看到之後多半露出「我也想要一個」的神情！玩具，就是一個可以快速引起學習動機的選擇。

  2、為生活尋找問題解決方案

但前述的「就從印玩具開始」這只能是個開端，萬萬不可以此作為課程的目標。從列印3D模型做為入門磚以後，接續基礎的3D繪圖(建模)能力培養、3D列印實作，進而可以設計情境來探討3D列印的問題解決，例如：智慧型手機普及的年代，小學生課後時間滑來滑去的現象也不令人訝異，如何設計個更符合自己需求或者更個人化的手機支撐架？或者例如：心愛的小玩具玩壞掉了，我有沒有辦法透過3D繪圖與列印修復它？

        圖十：真的是筆者的女兒玩壞的玩具示意 XD

不僅僅從3D列印本身為出發，在教學中也有許多可以設計連結的情境，例如：

• 美術課進行黏土雕塑，如果需要特殊功能或者造行的雕塑工具，我們能不能自己設計、列印？
• 自然課要進行實驗、量測，除了現有的操作器具，我們能不能自己改良設計？
• 數學課正在進行幾何教學，印出自己設計的幾何圖形，對空間概念的建構是否更有幫助？
• 社會課正在進行居住空間關懷，試著以居住鄉里為主，觀察並實作出古蹟建築？

諸如此類的例子不勝枚舉，筆者嚮往的發展是，當3D繪圖與列印的能力在教學者與學習者之間變成隨手可用的能力，我們追求的不是工藝或藝術等級的精確，而是連結學習情境、生活情境，那麼學生將不再只是依賴老師提供材料、老師將不再只是依賴教科書出版商提供教具，學習活動也將不再只是所有的人拿著相同的器具複製相同的操作過程產生相同的結果。

為生活尋找問題解決方案的情境，依照學生的能力，可以是由教學者設計情境，也可以由學生自行連結生活經驗，更高的層次是發覺問題並提出問題解決的規劃，此時教學者需要的能力則是在過程中給予3D繪圖與列印的技術支持與支援。

  3、用技術去幫助有需要的人

從前述的動機開始，接著培養的是3D繪圖與列印的基本能力，然而筆者認為最終的目的則是種下「用技術去幫助有需要的人」這樣的態度，而這樣的態度需要能力。這時候再回頭來看前段提到Graham Leach所指出的觀點，這才是筆者之所以先引用來製造衝突卻又表明認同的思維。技術的發展日新月異，現在我們所陪伴著學習的孩子未來將面臨的世界則是難以預料，教育的核心價值在於孩子的能力與態度，有好的態度去運用能力，有好的能力去支持態度，不論是嶄新的科技、古老的技能，從關心自身的生活開始往關懷他人的層面去延伸，我相信這是教育工作者共同的信念與願景。

四、在國小實施的形式與挑戰

        綜合前述，從3D繪圖的概念、3DP的發展與價值，到導入3D繪圖與列印課程的願景，對資訊科技的發展提出些在教學中運用的想法也許不難，但是對於實際運行來說，仍然可能有許多等待克服的問題，以下是筆者對於嘗試在國小階段實施前預先提出的觀點。

  1、設備與材料的投入

        開始規劃之前的第一個挑戰便是設備與材料，以3D繪圖來說軟硬體條件非常容易滿足，個人電腦搭配免費的3D繪圖軟體、3D列印切片軟體，投入成本為零。而3D印表機則是相對頭疼的地方，觀察這些年來的發展，雖然早期工業機器、商業機器獨大那高不可攀的時代已經過去，不過Open Source的DIY 3D印表機仍在萬元之列，加上ABS、PLA材料這些耗材，除非是尋求專案協助，否則光是幾位老師有心恐怕也不容易推動，所謂巧婦難為無米之炊即是如此吧！第一個關卡有賴主管的支持與投入資源，而筆者則先以個人準備 RepRap 3DP 進行嘗試。

  2、課程內容與時間的規劃

對於課程內容與時間規劃，其實與前段提到的軟硬體設備有相當大的相依性，軟體的選擇影響學生學習成效，越是功能強大或複雜的軟體可能相對需要更長的時間來培養操作能力，然而在前段筆者也提出了個人認為軟體的選擇不以藝術或工藝的高度需求，空間邏輯與問題解決的培養才是個人著重之處，因此幾經比較選擇的是操作工具相對簡單的 SketchUp Make，這是一套免費的 3D 繪圖軟體，另外搭配同樣是可以免費取得的 Cura 切片軟體。

有了硬體與軟體，接著就是內容與時間的規劃。學習3D繪圖軟體對於電腦的操作、幾何圖形認識、邏輯能力需要有一定的基本能力，對象選定在國小高年級實施應是較中低年級更為適合。時間的規劃是傷腦筋了點，以目前國小彈性課程中實施電腦課每周一節課的時間，40分鐘x20週的教學時間，一學期應當可以建立3D繪圖的基本能力並且產出檔案作品，可是再加上切片與3D列印將檔案作品實體化恐怕是難以達成，更遑論前面大提統整其他領域課程、連結生活問題解決了。

        圖十ㄧ：Cura 切片軟體畫面示意

如圖十一所示，以切片軟體估算一下，僅是一個幾公分大小的小盒子，就需要使用一節課(40分鐘)的列印時間，這還不包含學生的創作物件可能因為3D列印考量不足而失敗的重複時間，畢竟3D繪圖是可以天馬行空任意揮灑的，實際進行3D列印的時候還要考量機器本身可使用的最小單位、可支撐的最大角度等等，即使一個班級估算未滿最高人數，平均二十幾個人來說，一台印表機是難以滿足正式課程當中有時間壓力的列印需求的。往後如果新的列印機種能在列印速度上長足提升，或者印表機準備率可以到  3 人/台，也許在一至兩個學期的課程時間中可以實施。

考量至此，筆者已然轉向非正式課程時間以社團形式進行嘗試，其優點為：

• 時間可以連續：不受每週一節課的限制，實際教學經驗顯示，三節連續課程(40分鐘*3)的學習效果，絕對是高於三節不連續課程的，特別是每一節課之間還相隔一週之久。
• 人數可以限制：前述人機比例影響能否將設計作品實體化的問題，透過以社團方式實施可以在印表機數量固定的情況下，減少招收人數達到提高人機比例，以此作為列印時間、硬體投入成本、課程時間取得可實施條件的控制因素。

至此，似乎已經初步找出了3D繪圖與列印主題課程實施的方向與機會，接下來則是依前文的探討進行教學設計，並且，若要推廣，還需要教師能力足夠支撐課程中的技術需求，筆者聯想到十二年國教課程綱要調整的內涵中對於操作學習的重視，不論是此篇探討的3D繪圖列印之於生活解決，或是新課程綱要對操作學習的重視，想必接下來數年間教師教學改變以及主管單位對教師的職前、在職訓練，非得要謹慎規劃才行。

  3、不以探討印表機技術為目的

        依照前述觀點，筆者認為以國小學生為對象探討3D繪圖與列印實作的教學活動，並不應以探討印表機技術作為目的，第一點理由即是對於控制原理的背景知識不足，3D印表機不僅僅是機械原理，其控制器、切片參數、印表機調教等等問題，對於國小學生來說遠超過其既有的背景知識，過高的認知負荷反而是學習意願與成效的負面因素。其次，前述的知識應屬於專業領域，對於義務教育階段來說，學生該學習的不是成為一個專業玩家，而是透過學習活動作深層的反思，如同前述提到的，從好玩到問題解決到運用能力與技術去幫助有需要的人。因此，3D繪圖與列印可以將想像與創作實體化，即是筆者認為的技術與能力價值，追求藝術創作或者工業級別的精準程度並不在筆者認定3D繪圖與列印進入教學活動的宗旨之內，也許，那是多年以後少數孩子選擇的道路，但不是現階段的目的。

  4、學生的先備知識基礎

        以3D繪圖與列印進行問題解決，學生需要經歷的學習過程，技術能力應有3D繪圖、切片運算、輸出成品。情意認知能力應有發現問題、探討解決策略、創造解決方法、驗證與修正。以這樣的條件看來，筆者認為在國小階段試行具有相當的挑戰，然而孩子的潛力不應限制在大人的認知之內，就如前所述，直接使用3D繪圖與列印進行規劃的教學活動目前仍沒有學術研究上的相關論述，探討其可行性正是價值所在。學生的先備知識固然重要，教學者的教學情境設計與引導，也可作為學生發展必要的技術能力、情意認知能力的鷹架。

五、緣起小結

        筆者由3D繪圖與列印這股看似突然間興起的風潮說起，淺談發展的背景與基本的內涵，實則想提出的是，教學活動在Dewey倡導做中學(實踐中學習)至今近百年，又回到了重視動手操作過程中可以培養的能力，然而這股被譽為第三次工業革命的力量幾乎是在眾多領域當中都不缺席的發展議題，卻唯獨在教育上、在教學中尚未有研究或學者指出可行性、價值，甚至是願景與挑戰為何，是以決定展開相關的資料收集並歸納個人的觀點，接續亦將嘗試驗證所歸納的觀點或反思指出個人的誤謬之處。

( 續：在國小試行3D繪圖與3D列印課程-過程 )

附件ㄧ：以「3D列印」作為關鍵詞於臺灣博碩士論文知識加值系統進行標題與關鍵字查詢(日期2015/05/28)