資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修9：創(chuàng)造力開發(fā)與技術發(fā)明
第三章 創(chuàng)新工具與創(chuàng)客文化
第 二 節(jié) 創(chuàng)新工具的使用
教學設計
教學背景
清代文學家王國維在《人間詞話》寫道：“古今之成大事業(yè)、大學問者，必經(jīng)過三種之境界：‘昨夜西風凋碧樹，獨上高樓，望盡天涯路’，此第一境也。‘衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴’，此第二境也。‘眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處’，此第三境也。” 原本這三首詞寫的是兒女私情，王國維卻用創(chuàng)造性思維的方法，在古人的知名詞作品中巧妙地摘引出這幾段名句借用來講做學問的三種境界，不但一語中的，講得非常透徹，而且讓人印象十分深刻。
創(chuàng)造力開發(fā)過程是技術發(fā)明人的創(chuàng)造性思維過程，也是一種做學問的探索過程，其思維方法在很大程度上與王國維歸納總結(jié)出來的“成大事業(yè)、大學問者，必經(jīng)過三種之境界”有一致性，也給選修這門課的同學指出了學習方法。
通用技術是以設計學習、操作學習為主要特征的基礎教育課程，技術設計的學習貫穿于整個技術學習的過程。技術的本質(zhì)在于創(chuàng)造，在通用技術系統(tǒng)課程里專門設置是一門以創(chuàng)造為核心的課程，其目的就是有效地培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力與想象力，培養(yǎng)其創(chuàng)造性思維能力， 從而學好通用技術的各項課程。
教學目標：
知識與技能目標:
1.學習三維打印機、激光打印機、數(shù)控機床的工作原理和加工特點。
2.了解創(chuàng)新工具的應用范圍。
教學內(nèi)容分析:
本書第三章則介紹了創(chuàng)新工具和創(chuàng)客文化。通過常用工具的引入，理解創(chuàng)新工具的豐富性和發(fā)展性。通過本章的學習，學生將回顧在進行創(chuàng)新作品制作時經(jīng)常會使用的常用工具，懂得如何利用三維打印機、激光切割機和數(shù)控機床等創(chuàng)新工具進行創(chuàng)造性設計的物化實現(xiàn)的基本途徑。創(chuàng)客與創(chuàng)客文化是新生事物，創(chuàng)客活動離不開創(chuàng)新和創(chuàng)造性制作。本章中還介紹了創(chuàng)客文化及其對社會進步的影響，從而讓學生知曉眾創(chuàng)空間的基本概念及其存在的多種形態(tài)，能夠?qū)?chuàng)客制作實際效果進行創(chuàng)造性效果和實現(xiàn)路徑的具體分析，懂得如何像一個真正的創(chuàng)客那樣進行創(chuàng)造。
本書第四章的主題是發(fā)明成果與專利。通過案例的引入，讓學生能夠?qū)?chuàng)造成果進行實事求是的評價，懂得優(yōu)化的路徑。通過對本章的學習，學生將理解保護知識產(chǎn)權的重要性，在保護自己的創(chuàng)造性成果的同時也懂得尊重他人的勞動成果，并能夠通過網(wǎng)絡查詢有關專利技術的資料，學會專利的申請方法和基本流程。
學情分析:
學生對技術與創(chuàng)造力開發(fā)的了解認識有限，面對未來，他們需要學習有關技術與創(chuàng)造力開發(fā)的知識。
了解發(fā)明創(chuàng)造的必要條件，使學生能夠有意識地運用創(chuàng)造性思維體驗發(fā)明創(chuàng)造的過程，形成積極的創(chuàng)造意向和興趣，培養(yǎng)良好的批判性思維和創(chuàng)造性思維等思維品質(zhì)。
教學重難點:
學習三維打印機、激光打印機、數(shù)控機床的工作原理和加工特點。
了解創(chuàng)新工具的應用范圍。
教學策略:
欄目“思考”“討論”“探究”“知識窗”“設計與實踐”等，要求學生開動腦筋，相互啟發(fā)，把自己代入情景之中，感受技術與創(chuàng)造的魅力。同時也讓學生養(yǎng)成良好的思維習慣，能夠?qū)ι磉叺氖挛镞M行判斷和分析，設想有無改善和提高的可能性。技術的發(fā)展推動了社會的發(fā)展，在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的今天，更需要提升和發(fā)揮我們的創(chuàng)造力，希望通過本書能夠讓學生理解技術，熱愛創(chuàng)造，擁有屬于自己的設計和作品。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產(chǎn)品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節(jié)課我們學習《通用技術》選擇性必修9：創(chuàng)造力開發(fā)與技術發(fā)明　第三章 創(chuàng)新工具與創(chuàng)客文化　第 二 節(jié) 創(chuàng)新工具的使用。
現(xiàn)今的世界處在一個充滿創(chuàng)新的時代，我國也正在打造萬眾創(chuàng)新的全新局面。創(chuàng)新是世界各國追求的目標，創(chuàng)客就應運而生。創(chuàng)客就是創(chuàng)新者，適宜的環(huán)境下創(chuàng)客云集并暢所欲言，新的創(chuàng)意不斷涌現(xiàn)，這種人人追求創(chuàng)新的文化氛圍形成了創(chuàng)客文化。創(chuàng)新需要具有一定的物化能力，認識和使用創(chuàng)新工具是其中必須經(jīng)歷的過程。本章我們來認識常見的物化加工工具和一些創(chuàng)新工具，同時了解創(chuàng)客及創(chuàng)客文化。
一、三維打印機
案例
三維打印實現(xiàn)C919大飛機的高精密零件制造
作為機翼的關鍵部件，C919大飛機的中央翼緣條長達3米，是大型鈦合金結(jié)構件，以常規(guī)工藝無法制造出來。我國科研人員利用的“激光立體成形”的三維打印技術，成功地完成了生產(chǎn)制造任務，其各項性能全部滿足C919大飛機的設計要求，優(yōu)于用傳統(tǒng)加工技術生產(chǎn)出來的效果。
三維打印機通常又叫3D打印機。三維打印機可以加工任意形狀的工件，有加工精度較高、節(jié)省材料等優(yōu)點。可以用作三維打印的材料有很多，三維打印機通過對這些材料的微小顆粒的任意組合，打印出特定形狀和大小的物體。現(xiàn)今三維打印技術的發(fā)展，從打印塑料小零件到打印大型產(chǎn)品，使得復雜作品更為簡捷，尤其是制作結(jié)構復雜多變的、任何曲面的作品。
以下我們來看如何進行設計，并通過三維打印機完成制作。
常用的三維建模軟件有很多，既有功能強大的如3D Studio Max、Maya、SolidWorks、AutoCAD等專業(yè)級的軟件，也有123D Design、3D one、SketchUp等入門級的軟件。123DDesign是一款免費的三維 CAD工具，它操作簡單、使用方便，適合一般用戶使用。圖3-3（參見教材P43）為軟件的主界面。
1．繪制模型底座
模型底座的繪制，可以使用“基本體” 下的“長方體” 工具。點擊選擇“長方體”工具（圖3-4）（參見教材P43）。將鼠標移動到工作臺，在界面底部的長方體參數(shù)窗口分別輸入長300、寬200、高20，按回車鍵，即生成如圖3-5（參見教材P43）所示的底座。
提示：鼠標進入工作臺時，先不要點擊鼠標，此時光標在輸入框內(nèi)，直接輸入數(shù)字即可，按Tab鍵可以跳轉(zhuǎn)到下一個輸入框。
2．繪制圓柱體
圓柱體的繪制，可以使用“基本體” 下面的“圓柱體” 工具。點擊選擇“圓柱體”工具（如圖3-6）（參見教材P44）。將鼠標移至工作臺，界面底部出現(xiàn)圓柱體參數(shù)窗口，分別輸入半徑50、高度100，按回車鍵，即生成如圖3-7（參見教材P44）所示的圓柱體。
3．圓柱體的定位
下面需要將圓柱體放在底座的中心位置。圓柱體的移動，可以使用“變換” 下的“對齊” 工具。點擊選擇“對齊”工具（圖3-8）（參見教材P44） 。選擇圓柱體，按住Ctrl鍵不放，再選擇底座，此時軟件會自動出現(xiàn)可對齊的工作區(qū)，以及 X、Y、Z 軸向的左中右、前中后、上中下的對齊標點（圖3-9）（參見教材P45）。當鼠標指向?qū)R標點時，標點會變紅，分別點擊對齊的中點，將圓柱體移動到底座的正中心（圖3-10）（參見教材P45）。
4．檢查并導出文件
為了方便檢查，可以通過工具欄中的“開啟/關閉網(wǎng)格可見性” 關閉網(wǎng)格（圖3-11）。通過按住鼠標右鍵或轉(zhuǎn)動右上角的視圖立方體 ，可以從不同的角度檢查模
型。必要時，還可以使用“測量” 工具對模型進行檢查。確認無誤后，我們通過菜單欄的“導出為3D文件”，選擇“STL”，即可將模型保存為stl格式的文件（圖3-12）（參見教材P45）。
5．打印模型
將SD卡插入三維打印機中，打開目標gcode文件，三維打印機會自動執(zhí)行命令加熱打印平臺和噴頭。待打印平臺和噴頭升溫至設定值后， 三維打印機開始打印（圖3-13）（參見教材P46）。
打印完畢利用鏟刀卸下模型（圖3-14）（參見教材P46）。
注意：噴頭升溫和打印期間不能觸碰打印噴頭，防止燙傷。
數(shù)控加工制作完畢后，部分工件還需要進行后期處理，完成去除定位連接部件、二次加工、表面處理、裝配等工序。
去除定位連接部件：三維打印的支撐部件、激光切割的連接處都屬于定位連接部件，定位連接部件起到穩(wěn)定工件的作用，防止由于機械碰撞工件或者操作震動等因素導致工件加工精度發(fā)生偏差。在數(shù)控加工完畢后需用工具去除定位連接部件，僅保留數(shù)控加工工件主體。
二次加工：在數(shù)控加工無法處理的情況下，工件從數(shù)控設備取出后，通過使用鋸、鉆、銼刀、攻絲、套絲等工具對工件進行再加工，使工件符合設計目的和使用要求。
表面處理：表面處理的目的是滿足人們對產(chǎn)品的耐蝕性、耐磨性、裝飾或其他特殊功能要求。表面處理可以是對工件表面進行清潔、清掃、去毛刺、去油污、去氧化皮等簡單操作，也可以是機械打磨、化學處理、表面熱處理、噴涂表面等復雜工序。
裝配：數(shù)控機床生產(chǎn)的工件為某個產(chǎn)品的零件或部件，按照規(guī)定的技術要求，將若干個零件接合成部件或?qū)⑷舾蓚€零件和部件接合成產(chǎn)品的勞動過程，稱為裝配。裝配往往是數(shù)字化設計與制造的最后步驟，同時也能檢驗工件是否合格。
思考
1．三維打印與傳統(tǒng)的圖文打印有哪些共同點和區(qū)別？
2．三維打印機可以制作哪些傳統(tǒng)工具無法制作的作品？
討論
結(jié)合三維打印機的技術特點，討論三維打印機還可能用于哪些場合。
三維打印機可以制造出傳統(tǒng)方法難以制造的產(chǎn)品，但加工速度較慢，適合打印的材料有限，常用于模型的制作。
二、激光切割機
案例
激光切割技術加工定制零件
圖3-15（參見教材P47）是一件碳鋼板加工的部件。碳鋼硬度較高，如用切割、沖壓等加工需用到許多種加工設備、多種加工方法才能完成，加工難度比較大，且完成的精度也會存在一定差距。若用激光切割設備加工制作，只需要將此物品的設計數(shù)據(jù)輸入激光切割設備，此后的步驟由機器自動完成，加工速度快，而且完成的作品與設計稿的一致性非常高。
高鐵、火箭、飛機等設備所需材料的強度、硬度等參數(shù)要求較高，而且多為非標準形狀，但它們又需要非常高的加工精度，而且需要快速加工大量的產(chǎn)品來滿足市場需求，另外還要考慮材料成本、時間成本和環(huán)保等因素。
激光切割機的出現(xiàn)，對于特殊的高硬度材料及特殊形狀產(chǎn)品的切割加工是一個巨大的進步。激光切割機是用計算機程序控制激光設備，用激光可以聚集為高能極細激光束的特性，高精度地切割硬質(zhì)材料，甚至可以切割自然界硬度最高的鉆石。激光切割技術還可以用于激光精細雕刻，可以在金屬或其他硬質(zhì)材料表面快速雕刻文字或復雜的圖案。
激光切割技術目前也有一定的局限性，現(xiàn)通常運用于厚度有限的金屬板材的切割上。
下面我們以用KT板制作遙控紙飛機為例介紹激光切割機的使用。
1．設置軟件的工作臺網(wǎng)格參數(shù)
工件尺寸較大時，可以調(diào)整123D Design的工作臺網(wǎng)格參數(shù)（每個網(wǎng)格的尺寸為5mm×5mm）。點擊軟件右上角的 ，選擇“偏好”（圖3-16）（參見教材P48）。在彈出的對話框中的“單位和網(wǎng)格”選項卡下進行相應的設置（圖3-17）（參見教材P48）。
提示：軟件中可以設置長度單位，默認是毫米。
2．繪制工件的結(jié)構圖
工件布局圖可以利用“草圖” 菜單下的“多線段” 工具進行繪制。選擇“多線段”工具（圖3-18）（參見教材P48），根據(jù)尺寸畫出目標工件的結(jié)構圖（圖3-19）（參見教材P48）。
思考
圖3-19（參見教材P48）的布局符合生產(chǎn)的要求嗎？有無優(yōu)化的空間？
3．對結(jié)構圖進行拼版
如果按照圖3-19（參見教材P48）所示的結(jié)構圖進行切割，會產(chǎn)生較多的余料。為了節(jié)省材料，可以通過拼版使切割方案用料最少。通過拼版，可以得到圖3-20（參見教材P49）所示的加工圖，這樣能大大減少原材料的用量，對控制成本和減少對環(huán)境的污染有重要意義。
4．檢查并導出文件
最后，還需要對加工圖進行檢查，除了分析確認其合理性之外，還應該檢查各切邊的尺寸是否符合預期。
確認無誤后，將目標工件導出并保存為dxf格式（圖3-21）（參見教材P49）。
在轉(zhuǎn)碼軟件RDWorks中導入目標工件的dxf文件（圖3-22）（參見教材P50）。
導入完畢后，工作界面上出現(xiàn)目標工件圖（圖3-23）（參見教材P50）。
調(diào)整工件位置，在圖3-24（參見教材P50）的紅色圈處填入90，按回車鍵，將目標工件沿順時針方向旋轉(zhuǎn)90°，使工件切割路徑全部落入激光切割機的工作區(qū)域內(nèi)（圖3-24、圖3-25）（參見教材P51）。
雙擊圖3-26（參見教材P51）中紅色箭頭所指的“激光切割”后彈出參數(shù)界面，調(diào)節(jié)切割速度和工作功率以控制切割效果。
運行計算機數(shù)控仿真，檢驗工作路徑是否正常（圖3-27）（參見教材P51）。
在軟件右側(cè)的“數(shù)據(jù)加工”面板點擊“保存為脫機文件”，將文件重命名并以rd格式保存到U盤內(nèi)（圖3-28）（參見教材P52）。
將文件通過U盤導入到激光切割機內(nèi)存，放入待切割材料，利用邊框鍵測試材料放置位置是否正確（圖3-29）（參見教材P52）。
蓋上保護蓋，檢查水泵、氣泵是否正常工作，打開激光開關，啟動激光切割（圖3-30）（參見教材P52）。
激光切割機開始沿預設路徑進行切割作業(yè)，切割完畢后，激光切割頭回到定位點，打開保護蓋，取出目標工件（圖3-31）（參見教材P53）。
將工件進行組合并安裝上電子零件，一部KT板遙控紙飛機就完成了（圖3-32）（參見教材P53）。
思考
哪些材料產(chǎn)品適合激光切割機來加工？
討論
1．結(jié)合激光切割的技術特點，討論還有哪些使用激光的工具。
2．激光還能運用于哪些領域？
三、數(shù)控機床
案例
用數(shù)控機床來制作復雜結(jié)構的零件
圖3-33（參見教材P54）是一個合金加工的設備配件。合金的種類很多，材質(zhì)比較特殊，用途十分廣泛，但加工難度比較大。此配件形狀特殊，孔洞的加工精度要求非常高，一般的加工工具無法完成加工，需要有高精度的控制技術及特殊切削刀具的數(shù)控機床才能完成。
數(shù)控機床集成了信息加工處理、自動控制、傳感等多種技術，是對所需加工部件高度自動化、智能化進行加工的設備，是加工技術的巨大飛躍。
機床是工業(yè)之母，是指大部分機器設備可以由機床生產(chǎn)出來，雖然現(xiàn)代創(chuàng)新工具層出不窮，但現(xiàn)在大量的設備部件還是由機床生產(chǎn)的，尤其是現(xiàn)代化的數(shù)控機床。數(shù)控機床可以加工非常復雜的工件，加工精度和速度很高，幾乎可以加工各種材料，在工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用，是目前數(shù)字加工工具中使用最為廣泛的工業(yè)制造工具之一，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，數(shù)控機床將逐步取代原有的普通機床。數(shù)控機床也是無人車間、無人工廠的主要加工設備，是現(xiàn)代制造業(yè)不可或缺的創(chuàng)新工具。
雖然數(shù)控機床加工精度高，但其設備成本較高，維護成本也較高。
下面以利用數(shù)字化設計制造消防水管連接用的法蘭為例，介紹相關的軟件操作及數(shù)控機床的使用。
1．繪制同心圓
這里使用123D Design設計目標工件，先利用“草圖” 菜單下的“草圖圓” 工具（圖3-34）（參見教材P54）分別創(chuàng)建直徑為20mm、80mm、86mm、90mm、120mm、140mm的同心圓（圖3-35，其中直徑為120mm的圓為參考圓）（參見教材P55）。
提示：用“草圖圓”工具連續(xù)創(chuàng)建圓時，在輸入框輸入直徑后，按回車鍵，單擊鼠標左鍵，再將鼠標移動到圓心處繼續(xù)創(chuàng)建圓。
2．在參考圓上平均分布小圓
在工作臺上創(chuàng)建一個直徑為6mm的小圓（圖3-36）（參見教材P55）。然后將小圓移動到參考圓的圓弧上，當小圓的圓心剛好停放在圓弧上時，會出現(xiàn)一個十字圖標（圖3-37）（參見教材P55）。
提示：也可以直接在參考圓的圓弧上畫小圓，當鼠標放在圓弧上，會出現(xiàn)十字形圖標，此時畫小圓，可省去移動的步驟。
點擊選中小圓，在彈出的菜單中選擇“環(huán)形陣列” 工具（圖3-38）（參見教材P56），點擊后出現(xiàn)如圖3-39（參見教材P56）所示的彈出菜單，點擊 ，再點擊參考圓的圓心。接著，在環(huán)繞數(shù)量的設置對話框輸入數(shù)值，按回車鍵即可（圖3-40）（參見教材P56）。
3．刪除參考圓
刪掉參考圓，工件線切割加工圖即繪制完成（圖3-41）（參見教材P56）。
4．檢查并導出文件
對加工圖的各部位的尺寸進行檢查，確認無誤后導出dxf格式文件（圖3-42）（參見教材P56）。
將目標dxf文件導入到編程軟件JDPaint中（圖3-43）（參見教材P57），設置使用刀具、行進路徑、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，以eng文件格式進行保存。
運行計算機數(shù)控仿真，程序會根據(jù)設定好的刀具路徑進行模擬仿真加工。此過程用于檢查工作過程是否有誤（圖3-44）（參見教材P57）。
利用轉(zhuǎn)換軟件將刀具路徑轉(zhuǎn)化為機器可識讀的nc格式文件（圖3-45）（參見教材P58）。
開機設定機床原點，在工作臺固定加工原料，并水平放置。調(diào)用nc文件，按下啟動加工按鈕，數(shù)控機床開始進行加工（圖3-46）（參見教材P58）。
加工完成后取出工件。消防水管連接用的法蘭就被制造出來了（圖3-47）（參見教材P58）。
思考
1．數(shù)控機床可以替代產(chǎn)品加工的哪些人工過程？
2．數(shù)控機床與傳統(tǒng)機床最大的區(qū)別在哪里？
討論
1．結(jié)合數(shù)控機床的技術特點，討論數(shù)控機床還可能用于哪些場合。
2．列舉數(shù)控機床可以快速制作哪些產(chǎn)品。
課后作業(yè)
習 題
設計制作一個車輛故障警示牌。
使用本節(jié)中的多種工具來制造本案例作品，利用新材料，如有機玻璃、PVC板、三維打印材料、金屬等，結(jié)合新工藝進行創(chuàng)新設計來制作一個功能實用的車輛故障警示牌。
設計方案如下：
設計一個可折疊的三腳架，三腳架豎立打開時顯示紅色的立體的三腳架主體，可放在有故障的汽車尾部，提示后面過來的汽車注意避讓。三腳架平時可折疊收起放在汽車后備箱內(nèi)，使用時可以快速打開。
本作品還可以增加很多實用的創(chuàng)意，如：底座增加配重或延長抓地吸盤，防止被風吹倒；增加反光膜，容易被看到；增加閃光燈，夜間容易被發(fā)現(xiàn)等。
板書設計
第三章 創(chuàng)新工具與創(chuàng)客文化
第 二 節(jié) 創(chuàng)新工具的使用
一、三維打印機
二、激光打印機
三、數(shù)控機床
教學反思
通用技術
選擇性必修9：創(chuàng)造力開發(fā)與技術發(fā)明
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發(fā)
副 主 編：李 榕 周衛(wèi)星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：肖 萍
編 寫 人 員：陳曉民 顧文揚 陳 威 趙忠華
宋向明 梁劍文
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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