在國小試行3D繪圖與3D列印課程-省思

臺中市豐原區葫蘆墩國小 廖昭彥   bubble@tc.edu.tw

一、教學省思

1、課程內容

學生對於3D列印議題趨勢的瞭解是零碎的片段

學生對於3D繪圖與3D列印的生活應用具有高度興趣

學生對於3D繪圖與列印具有足夠的學習與操作能力

小組合作任務解決有效提升3D設計能力

3D繪圖與3D列印的課程導入,充足的設備與時間仍是關鍵

2、教學工具

不同的3D設計工具適時混用

維持3D印表機可印的妥善狀態

列印實作時的安全提示很重要

二、建議

1、透過課程規劃,對新興科技議題有正確的認識觀

2、多元工具並用,使創作過程與學習成效事半功倍

3、首要創造思考,機械與技術能力不應是學習阻礙

4、小組合作挑戰,營造積極氣氛並與同儕溝通精進

5、連結日常生活,培養覺察生活問題與其解決能力


話說...

話說,從「在國小試行3D繪圖與3D列印課程-緣起」(2015/05) 到 「在國小試行3D繪圖與3D列印課程-過程」(2015/11) ,每天就這樣業務、課務、進修、承辦活動等等的疲於奔命,一轉眼,想要針對這個議題寫點個人看法的念頭,已經一年過去了,很多事情沒有一鼓作氣,除了可能失去動力,更大的風險其實是,有些沒有完整記錄的觀察與想法,可能就這樣隨時光流逝了... @@  趁著學期結束,瘋狂研習授課前的短短空檔,來看看能喚醒多少當時的記憶  ^^;;

這次以社團的形式嘗試在國小進行3D繪圖與3D列印課程的過程,雖然事前還準備了「3D繪圖與3D列印課程學習問卷」(詳見「在國小試行3D繪圖與3D列印課程-過程:附件一 」),可是卻因為開課時間的關係,詢問度頗高報名人數較少,樣本數只有十幾份就不針對這份問卷進行統計,改以教學札記與學生的學習筆記作為探討的依據。雖然因為樣本數太低而有統計效力有限的問題,不過我仍認為應該敘明,樣本學生的問卷前後測事實上在四個向度 「A 學習成效(3D繪圖與列印認識)、B 認識觀、C 問題解決態度、D 問題解決能力」中,對於「A 學習成效(3D繪圖與列印認識)」、「C 問題解決態度」、「D 問題解決能力」這三個向度都是具有提升的,至於「B 認識觀」這個向度的差異較小,根據教學過程的觀察以及教學札記的紀錄,筆者認為應該與學生對於新興科技的認識都有充分的管道有關,雖然學生所接觸的訊息有可能是對於新興科技的片面認識(之後會討論到),但是學生填答問卷的過程中很會「自認為」有所了解而影響了填答的準確性。

以下分別就「課程內容」與「教學工具」提出一些討論與看法。

一、教學省思

1、課程內容

筆者於前篇「緣起」就已經提出導入課程的願景可以分成三個階段:「就從印玩具開始」、「為生活尋找問題解決方案」、「用技術去幫助有需要的人」。在「過程」這篇文章中,列出了課程安排是從3D列印的發展談起。接著進行的是能力訓練,這個部分包含了如何進行3D建模(3D繪圖)、切片、列印實務...等。筆者在觀察學生的學習過程後記錄教學札記,輔以學生的學習筆記歸納以下幾點對於課程內容的省思:

從課程的一開始,介紹3D列印這個議題,學生大多表示聽過、知道這個新興科技,或者這個議題,然而透過「3D繪圖與平面繪圖的差異?」「什麼是3D列印的原理?」「3D列印有哪些已經發展的應用?」幾個簡單的問題與學生互動問答,不難發現學生對於議題的知識來源多是新聞標題、社群網站的片段消息,能夠對列印原理、繪圖與切片等做出的描述相當有限,甚至也有學生僅僅是看過新聞媒體的報導,便認為對於3D列印這個議題是瞭解的。

課程從3D列印這項議題的時事開始,接著簡介3D繪圖、列印原理、認識3D印表機等等段落,學生都具有高度的興趣,筆者嘗試在課程中不針對印表機的構造直接說明,而讓學生嘗試觀察、討論、上網找資料等等方法,發現學生因為具有高度的興趣與好奇心,很快就可以透過各種方法建構起對於3D列印原理或者3D印表機功能構造的知識,筆者只需要對於仍有疑問之處給予提示或者解答,最後再進行一段統整思考的活動,學生都能對於這個段落的學習活動充分的理解,也能夠積極的記錄所學習到的內容(如學生個人筆記 note_i_08)。此外,對於生活的應用,學生們展現了高昂的興致與想像力,因此對於後續的教學活動都能保持高度的學習興趣。

( 學生個人筆記 note_i_08 )

除了概念性的內容,在實作的階段主要有「3D繪圖」、「切片運算」、「3D列印」等學習內容,如同前述,因為對於可以與生活經驗或者所需進行連結,因此不論是在「自由創作」階段或者「任務問題解決」階段,學生同樣具有相當主動積極的學習態度,並且在教學札記當中也記錄了觀察學生的活動時留下的深刻印象。

學生設計的作品,繪圖準確度很高,而且空間概念很好。不論是插榫或者收納加蓋的內徑縮減,經過討論後都可以做出正確的設計,可見國小高年級孩子的發展已經足以的學習。( 教學札記 t_0714 )

( 課程紀錄 DSC_8433 )                                ( 課程紀錄 DSC_8461 )

( 課程紀錄 DSC_8918 )                                ( 課程紀錄 DSC_8907 )

有了基本的能力之後,便可以進行創作的嘗試。然而創作過程的循序漸進是從自由創作。這個過程,每個學生的目標是分歧的,實際觀察學生的創作,通常會是個人感興趣的東西,例如:收藏盒、平板架、公仔...等。

( 課程紀錄 DSC_8976 )                                ( 課程紀錄 DSC_8992 )

( 課程紀錄 DSC_9027 )                                ( 課程紀錄 DSC_9031 )

有了對於個人興趣的自由創作經驗或是援用他人創作的模型檔案進行切片與列印的經驗之後,筆者試著引導進入問題解決任務的階段,其實相對於自由創作的階段,在任務解決的階段反而是較為受限的。在這個階段裏面,筆者設計了一個「造橋鋪路」的任務(詳:在國小試行3D繪圖與3D列印課程-過程),學生採用分組合作競賽的模式,觀察發現:

分組合作有效激勵學生們在挑戰問題解決的過程能夠貢獻各自的想法,並且透過溝通討論的過程,找出最為可行的解決方法。實際觀察小組成員進行「造橋鋪路」這個任務挑戰的過程,的確可以發現這樣的策略是相當有意義的。例如:

觀察到學生分組進行橋梁設計的時候,小組成員間對於橋梁的設計有正向的交流討論,有成員重視是否容易繪製、有成員重視橋梁美觀會影響競賽。

設計討論的階段偶有意見分歧,有小組甚至產生「競圖」的概念。

有小組學生上網查詢各種橋樑建築照片,提出討論進而凝聚共識。

( 教學札記 t_0715 )

學生似乎從來沒有使用電子游標尺,組員測量任務關卡的數據時,能夠互相提醒何時該使用內徑測量、何時該使用外徑測量,對於測量的結果也會互相重複測量檢驗,好現象。(教學札記 t_0715)

從設計圖到3D繪圖的過程,有學生能提出懸空而無法列印的質疑,因為課程時間有限對「支撐」的做法描述的較少,學生討論出拆解部件的列印方法,Good job。( 教學札記 t_0716 )

透過札記的檢視,筆者認為這一次參加課程的學生,在小組合作挑戰任務的過程中,對於小組合作進行學習任務有著相當水準的表現,透過溝通達成共識、透過溝通提升學習,這些特質都在歷程中嶄露無遺。

( 小組任務挑戰網路票選活動 https://www.facebook.com/bubble.liao/posts/10203264033921030 )

如前文探討( 詳見:在國小試行3D繪圖與3D列印課程-緣起  四、在國小實施的形式與挑戰),筆者進行這次的教學實驗時僅有一部3D列印設備可供使用,因此設計問題解決任務時採以小組合作的形式,一方面也是為了避免等待列印時間過程而成為教學的障礙,但是在教學札記中發現列印時間過程仍然是3D繪圖與3D列印課程可行性的重要關鍵。

從第四天開始,學生已經有了初步的3D繪圖成果進行列印,雖然社團只有上午課程,但是課後仍然花上整個下午的時間幫助來不及列印的學生列印作品...累人阿。( 教學札記 t_0709 )

(課程紀錄 DSC_8627 )

課後留下幫學生列印作品,最怕的就是這種....因為設計的與切片的時候沒有發現接合點的問題而列印失敗,消耗的列印線材其次,最可怕的是印了幾個小時之後卻失敗了.....學生沒能現場看到列印失敗的問題,還得由老師修改設計重新切片列印.....。( 教學札記 t_0710 )

已經進入到第二週的課程了,為了滿足學生對於創作的熱忱,盡力讓每一個學生只要能畫出完整的作品都能印出來帶回去,可是實在是太消耗時間了......明年要是沒辦法增加設備或者增加時間,真的不能這樣玩了...。( 教學札記 t_0713 )

而實際運行課程之後發現,即使已經將十餘位學生分為三組進行任務挑戰,可是不論是在個人自由創作的階段、或者是小組任務挑戰的階段,列印的時間一直都是課程相當困擾的部分,如果有足夠的設備和足夠的時間讓學生列印,學生對於自己所設計的圖稿一層一層的堆疊出實際物品的過程必然會更加感動。

階段

教學主題

內容

就從印玩具開始

模型列印/自由創作

◎ 3D列印的發展與時事,引起動機。

◎ 3D列印原理、3D印表機構造初探。

◎ 繪圖與切片入門,模型列印。

◎ 自由創作與列印。

為生活尋找問題解決方案

問題解決任務

◎ 由教學者擬定問題情境。

◎ 解決問題情境所賦予的任務。

◎ 創意與創造、精確繪圖與列印。

用技術去幫助有需要的人

自由創作

◎ 探討自身、生活情境、時事議題的需求。

選定問題提出解決策略。

◎ 運用技術對生活或對他人產生幫助。

表一:「3D繪圖與列印」課程實務

筆者認為,對於進行3D繪圖與3D列印的課程,若以先前文中所討論的階段與對應內容,可以參考如表一的課程實務階段,然而因為是第一次試行課程的關係,在時間規畫上僅能執行自由創作與問題解決任務兩個階段,探討議題並選定問題提出解決策略的階段尚無法包含在此次的課程內容之中,這是較為遺憾的部分,同時也呼應了前述有關於設備數量與課程時間所造成的阻礙。

2、教學工具

除了學生對於議題的高度學習動機以及3D繪圖很重要的空間概念在前述的教學內容段落所做歸納發現,對於教學過程中使用的工具與軟體也是筆者在進行試驗課程的觀察重點。規劃課程時,考量到3D繪圖軟體的操作介面與軟體取得難度,決定先採用SketchUp[1]免費版進行繪圖教學,其好處是學生除了在課堂中可以使用,回家也能夠自由下載安裝練習,並且,以3D繪圖軟體來說,SketchUp具有足夠使用的功能與簡易的操作介面,相當合適。除了SketchUp之外,在課程中也引入了 Tinkercad[2] 的線上3D設計服務,雖然沒有SketchUp的功能完整,也對於物件的繪製較缺少彈性,可是使用 Tinkercad 進行創作,可以使用物件群組(group)的方式,快速產生所需要的關節、卡榫等,解決初學者在設計物件活動關節時遭遇挫折的程度。最後,也想介紹 Sculptgl[3] 這種以捏黏土為概念的創作工具,評估學生雖然對於前述兩項工具的操作具有足夠的學習能力,但是熟練與發揮創意仍然是需要充分時間,因此沒有導入這項設計工具的使用,也就無法得知學生對於第三種工具的學習能力是否充足。除了軟體工具,硬體的學習工具則包含了切片軟體 Cura[4]、數位游標尺的使用、3D印表機的操作,對於教學中的工具使用,筆者歸納看法如下:

如前述,SketchUp、Tinkercad、Sculptgl(本次課程未使用)各有其特色與優點,筆者在學生進行自由創作或是問題解決的過程中發現,當學生使用SketchUp進行創作的時候,對於精準尺寸的繪圖具有較佳的表現,並且對於物件的推拉成形、曲面繪製等也較容易達成,但是使用Tinkercad進行創作的時候,則是因為有現成榫接物件的幫忙,讓設計活動關節變得更為簡易,至於Sculptgl雖然在這次的課程中沒有使用,但是工具使用類似黏土捏拉塑形的概念,讓製作例如公仔的不規則形狀形體更為簡單,因此,教學者不必以單一創作軟體為圭臬造成事倍功半的阻礙。

在十天的列印課程中,筆者盡量讓學生能夠動手操作包含切片與列印、剷取作品等步驟,但也曾經因為學生碰觸了限位器的固定夾,以及剷取作品的時候損傷了底座膠帶,以至於有數次重新校正印表機載台的機會,以課程使用的 i3 印表機而言,三點式的校準設計,對學生而言相當不容易完成校準,所以在維持印表機可印的妥善狀態,往往會花去不少時間。

線材斷線了,需要拆除散熱風扇與散熱片,得在印頭加熱的狀態下才能抽出斷在裡面的線材,感覺這個對小學生來說還是困難又危險。( 教學札記 t_0709 )

傷腦筋,今天學生不小心在觀察的時候碰到限位器,本想指導學生在解除步進器鎖定之後進行校準,但是學生並不容易完成。( 教學札記 t_0715 )

此外,課程中使用PLA線材也曾經因為斷線或者線材用盡而需要更換線材,筆者認為這些過程當然可以提供學生進一步學習3D印比教的基本維護知識,不過若要由學生負起維持可印狀態的責任,勢必耗去過多的時間。

如前述,列印之後的作品,筆者盡量讓學生有機會可以親自將他從印表機載台上面取下來,但是因為使用的鏟刀若有不慎可能會造成受傷,而且 i3 開源印表機噴頭裸露,動輒接近攝氏200度的高溫,這些因素都造成上課老師的壓力與擔憂,因此列印過程中時時叮嚀學生正確的使用方法相當重要。

一場歷時十個半天課程的3D繪圖與列印社團課程,學生們興致勃勃也滿意的完成了自己的個人創作與小組任務挑戰,在這個過程中不只是學生們進行學習,筆者更是以教學者的身分進行了比起學生更多的學習,從「緣起」探討3D繪圖與3D列印的可能,到「過程」中與學生們教學相長並且持續修正觀點與教學方法,最後則是以這篇「省思」對於整個課程進行回顧與思緒的整理,這是一個豐富有趣且收穫滿滿的過程,不論對學生,還是對教學者而言。

二、建議

        綜合前述,筆者對於在國小進行3D繪圖與3D列印的教學應用提出以下建議:

1、透過課程規劃,對新興科技議題有正確的認識觀

雖然拜現代科技所賜,學生在小學階段就已經學會了各種通訊軟體與社群網站的使用,但是各種社群轉載內容或者新聞媒體報導未必完整詳盡,甚至正確,因此對於各種新興科技議題進行教學,不宜設想學生有充足且正確的先備知識,透過從時事到理論到實務的完整課程規劃,方能使學生建立正確的認識觀。

2、多元工具並用,使創作過程與學習成效事半功倍

進行學習與問題解決的過程,鼓勵學生接觸多元的創作工具,如前所述,使用精確的繪圖工具、利用物件元件協助創作、使用塑形工具精緻作品等等,在不同的需求應用不同的工具,可以讓學習與創作達到事半功倍的效果,因次,教學者應該引導學生接觸各種創作特質的軟體,也具有選擇創作工具的判斷能力。

3、首要創造思考,機械與技術能力不應是學習阻礙

如前文提到,Donnelly(2010)[5]與Ingmire(2015)[6]關注學生在PBL學習活動「learning by doing」的工具對於學習的連結,若以這種精神在「在國小試行3D繪圖與3D列印課程」教學中的另一層意義應該是,教學者應思考進行新興科技議題學習活動著重為何?筆者認為不應該讓機械的數量、列印技術等成為學習的阻礙,因此若僅能為「創造思考」與「技術能力」擇一先後,則對議題有正確的認識關並且激發創意將是在初探階段應該著重的面向。

4、小組合作挑戰,營造積極氣氛並與同儕溝通精進

小組合作學習有效激勵學生們在挑戰問題解決的過程能夠貢獻各自的想法,並且透過溝通討論的過程,找出最為可行的解決方法。根據實施的經驗的確可以發現這樣的策略是相當有意義的,

5、連結日常生活,培養覺察生活問題與其解決能力

就如筆者於課程內容省思中所提及的,這次因為實施的時間不足,因此無法導入第三階段自由創作,探討自身、生活情境、時事議題的需求,進而擬定問題與提出解決策略,最後更要運用技術對生活或對他人產生幫助,這將會是學生一輩子受用不盡的態度與能力,日後若有機會再做嘗試,值得期待學生在這個階段能有什麼表現。

除了對於整個試行課程的省思與建議,其實進行這類需要教學設備(3D印表機)來將創意發想推進成為實務創作的新興議題教學活動,終究設備還是重要的關鍵,日後設備的普及不再是實施的困境時,期待能對於在國小試行3D繪圖與3D列印課程進行更多的規劃與嘗試,以找出推行的具體策略。



附件-學生個人筆記

( 學生個人筆記 note_j_13 )

( 學生個人筆記 note_i_13 )

(學生個人筆記 note_f_13 )


[1] (2013). SketchUp. Retrieved July 4, 2016, from https://www.sketchup.com/zh-TW.

[2] (2012). Tinkercad | Create 3D digital designs with online CAD. Retrieved July 4, 2016, from https://www.tinkercad.com/.

[3] (2013). SculptGL - A WebGL sculpting app. Retrieved July 4, 2016, from http://stephaneginier.com/sculptgl/.

[4] (2015). Cura 3D Printing Slicing Software - Ultimaker. Retrieved July 4, 2016, from https://ultimaker.com/en/products/cura-software.

[5] Donnelly, R. (2010). Interaction analysis in a ‘Learning by Doing’problem-based professional development context. Computers & Education, 55(3), 1357-1366.

[6] "Learning by doing helps students perform better in science ..." 2015. 25 Nov. 2015 <http://news.uchicago.edu/article/2015/04/29/learning-doing-helps-students-perform-better-science>