資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修11：產品三維設計與制造
第一章 三維打印原理
第一節 認識三維打印
教學設計
教學背景
三維打印是近年來受到人們廣泛關注的一項高新技術，被譽為開啟新工業革命的鑰匙，它的發明實現了人類的生產制造模式從等材、減材到增材的重大轉變。由于其獨特的優勢，三維打印技術經歷了30多年的發展仍方興未艾，新技術、新材料、新應用仍源源不斷問世，而且被廣泛應用于工業制造、航空航天、醫療教育、藝術設計等領域，這一切都展示了三維打印技術強大的生命力和難以估量的發展前景。
教學目標：
知識與技能目標:
1.了解三維打印技術的發展歷史。
2.感悟三維打印技術對自然和人類生產、生活方式產生的影響。
教學內容分析:
教材分四章：三維打印原理、三維產品技術分析、三維模型設計和三維打印技術應用。由淺入深，帶領同學們了解三維打印技術的產生和發展歷程，了解三維打印的基本原理、設備的結構和操作方法；熟悉不同材料和成型工藝的特點，能結合產品設計要求制訂合適的產品制作方案；學習三維建模，掌握三維模型設計的基本思路和方法；通過實踐操作教學，設計和制作出哨子、臺燈等立體模型。
學情分析:
學生對三維打印的了解認識有限，面對未來，他們需要學習有關三維打印的知識。
教材注重發展同學們的核心素養。通過了解三維打印的原理及其應用，感悟三維打印技術對人們生產、生活的影響。選取能突出反映三維打印特點的案例，通過對不同工藝的對比，讓同學們深刻體會三維打印技術和傳統制造技術的區別，幫助同學們樹立技術意識。所選案例貼近日常生活，方便同學們學以致用，在制訂方案的過程中，引導同學們從實際出發，具體問題具體分析，通過對比、權衡和優化得到最佳方案，以此培養工程思維。在實踐操作教學中，幫助同學們較全面地掌握三維打印的設計技巧和制作方法，引導同學們思考與探究，從而提高實踐能力和創新能力。
教學重難點:
了解三維打印技術的發展歷史。
感悟三維打印技術對自然和人類生產、生活方式產生的影響。
教學策略:
在教學過程中，注重對同學們科學態度、價值觀的引導和培養。本書設計的案例、實踐活動、思考、討論等欄目充分融合了科技與人文理念，如為體育老師制作哨子、為母親制作杯子、三維打印是否可取代傳統制造業、三維打印文物仿品可否代替真品進行展覽、三維打印器官的倫理思考等，引導同學們從社會、科技、人文等方面進行考慮，從而發展綜合素養。
運用三維打印技術，不用依賴機床和車間，也不用削、鉆、鑄等手段，只要借助一臺計算機和一臺三維打印機，我們就能變成產品的設計者、制造者。讓我們一起走進三維打印的世界，領略它的神奇與不凡；讓三維打印技術成為我們的好幫手，助我們實現腦海中奇妙的構想吧。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修11：產品三維設計與制造　第一章 三維打印原理　第一節 認識三維打印。
建設制造強國是我國實現高質量發展的重要戰略。三維打印技術屬于增材制造技術，至今才發展了30多年，卻使傳統制造業發生了翻天覆地的變化，實現了制造方式從等材、減材到增材的重大轉變，形成了一種全新的制造模式。
等材、減材、增材，同學們對這三個名詞可能不是很熟悉。舉個例子，打鐵匠將一塊金屬反復敲打、鍛造成工具或兵器，這塊金屬在制造前后體積、質量幾乎相等，這屬于等材制造；雕刻家把一塊巨型巖石反復雕刻打磨，鑿出許多碎石，巖石最后成為精美的雕塑，但體積、質量都減少了，這屬于減材制造。
什么是增材制造呢？三維打印技術是如何實現增材制造的？它又經歷了怎樣的發展歷程？讓我們通過本章的內容，一起來學習吧。
一、走進生活中的三維打印
近年來，“三維打印”一詞頻繁出現在我們的視野中，三維打印作為一種新的生產方式，由于其獨特的優點，受到越來越多行業的青睞，呈現出引領未來工業發展的趨勢。其技術和產品也在逐漸走進人們的視野，正悄然改變著人們的生產和生活方式。三維打印技術逐漸成為加快建設制造強國，推動新興產業發展的重要內容。
圖1-1（參見教材P2）是2017年一場以“水波”為主題的時裝秀中展示的三維打印服裝，衣服結構復雜、線條感流暢、科技感十足。
圖1-2（參見教材P2）是三維打印的巧克力，顏色豐富，造型精美，猶如一件藝術品。
2015年1月，一幢三維打印的5層樓房出現在蘇州（如圖1-3所示）（參見教材P2），該樓房的材料主要是通過回收城市固體垃圾，再經過輻射檢測、高溫鍛造等方法深化處理而獲得，樓房最后通過三維打印而建成，十分環保。
2018年3月，全球首款量產三維打印電動車LSEV在北京車展正式亮相（如圖1-4所示）（參見教材P3）。這款車的制造時間只需3天，除了底盤、座椅、輪胎、電動機、電池和玻璃等少數部件之外，其他所有的組件都是通過三維打印而成。該車的續航里程大約為150 km，最大速度為70 km/h。
三維打印技術不僅在衣食住行等方面改變著我們的生活，在醫學等領域也帶來了很多創新。
案例
2014年，4歲的小程因為交通意外，被迫截掉了左手的5根手指和半個手掌。如果安裝義肢則需要花費數萬元，而且隨著小程長大，后期義肢還需要多次更換。正當并不富裕的一家人一籌莫展時，小程的爸爸聽聞國外有一名失去前臂的患兒成功地安裝上了三維打印的義肢，花費只需要幾千元，而且義肢的三維數字模型已經在互聯網上分享，可免費下載。
小程的爸爸尋訪到武漢協和醫院，該醫院為小程量身打造并安裝了三維打印義肢（如圖1-5所示）（參見教材P3），安裝完成后，只經過十幾分鐘的調試，小程就可以用義肢拿起葡萄和水杯，效果非常好（如圖1-6所示）（參見教材P3）。
討論
1. 你了解的三維打印產品還有哪些？
2. 用三維打印制造義肢，造福截肢患兒的案例，體現了三維打印技術的哪些特點？
二、三維打印的發展歷史
三維打印作為一種先進的制造技術，其實并不是近幾年才發明的新科技。早在19世紀末，人們在研究照相雕塑和地貌成形技術時，就萌生了三維打印增材制造的想法。到了20世紀80年代，三維打印技術有了雛形。隨后，三維打印技術進入快速發展時期，如今，已被廣泛應用于工業制造、航空航天、醫療教育、藝術設計等領域。因此有人說三維打印是“19世紀的思想，20世紀的技術，21世紀的市場”。那么，三維打印經歷了怎樣的發展歷程呢？
1984年，利用計算機數字文件制作三維立體模型的構想首次被提出。
1987年，世界上第一臺三維打印機問世。這臺機器基于光固化立體成型技術（StereoLithography Apparatus，SLA），型號為SLA-1，當時還不是叫作三維打印機，而是叫作快速成型機器（如圖1-7所示）（參見教材P4）。
1988年，將熱塑性材料熔化再重新冷卻塑形的熔融沉積成型技術（Fused DepositionModeling，FDM）問世。
1989年，用激光束高溫燒結粉末原料使其成型固化的激光選區燒結技術（SelectiveLaser Sintering，SLS）問世。
1996年，型號為“Z402”的快速成型機器第一次用上了“三維打印機”的名字。
2006年，智能打印RepRap開放源碼項目啟動，該項目是為了開發一種能進行自我復制的三維打印機，即用三維打印機來制作三維打印機自身的零部件。2008年推出的第一臺基于RepRap的三維打印機，可以打印約50%的自身部件（如圖1-8所示）（參見教材P4）。
思考
你認為RepRap項目能實現三維打印機的完全自我復制嗎？
2009年，北京航空航天大學利用激光快速成型技術制造出大型客機的主風擋窗框（如圖1-9所示）（參見教材P5），成本僅為模具制造的10%。
2013 年，國外企業研制出名為“3Doodler”的三維打印筆，該筆可以通過手持的方式繪制、堆疊，形成立體產品（如圖 1-10 所示）（參見教材P5）。
知識窗
三維打印筆可以算得上是微型三維打印機了，實際上，它是一支可以在空氣中“書寫”的筆，這很容易讓人聯想到神筆馬良的故事。筆中裝的“墨水”是聚乳酸或聚己內酯塑料，“書寫”時材料在筆中被加熱熔化后擠出，然后在空氣中迅速冷卻，最后固化成穩定的狀態。
值得注意的是，三維打印筆屬于小型電器，使用時會產生高溫，操作時要小心謹慎。
案例
不安全的三維打印
國外有人利用三維打印技術制作了一把手槍（如圖1-11所示）（參見教材P5），并將手槍的設計圖上傳至互聯網與公眾共享。普通民眾根據設計圖，利用三維打印機即可在短時間內制作出一把可以發射小口徑子彈且足以致命的手槍。
只要擁有一臺三維打印機，就可以輕易地制造出槍支，而且塑料材質的手槍無法被金屬探測器檢測出。這些用聚合物材料制作的武器也很容易在幾分鐘之內被熔化，并抹去所有的犯罪證據。這對當前槍支管理的相關法律提出了挑戰，未免讓人對三維打印技術產生擔憂。
討論
三維打印技術的應用也具有兩面性，如何才能防止三維打印技術被非法使用？
2013年，北京大學第三醫院骨科研發出的幾十個三維打印的脊柱外科植入物（如圖1-12所示）（參見教材P6），已應用于多例植入置換手術，臨床應用效果良好。
2015年，一家運動服飾公司推出了一款三維打印的運動鞋，運動鞋的鞋墊是多孔狀的結構（如圖1-13所示）（參見教材P6），有良好的緩沖避震作用，穿著更加舒適。
探究
請同學們以3～5人為一組，通過參觀展覽、查閱資料、上網搜索等方式，調研有關三維打印技術發展歷史和行業應用的信息，將其分類整理，并寫出調研報告。
課后作業
習 題
英國《經濟學人》雜志提道：“偉大發明所能帶來的影響，在當時那個年代都是難以預測的，1450年的印刷術如此，1750年的蒸汽機如此，1950年的晶體管也是如此。我們仍然無法預測，三維打印將在漫長的時光里如何改變世界?！蹦阏J為三維打印技術對人類歷史的進程會造成怎樣的影響？
板書設計
第一章 三維打印原理
第一節 認識三維打印
一、走進生活中的三維打印
二、三維打印的發展歷史
通用技術
選擇性必修11：產品三維設計與制造
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：黃文華 歐陽漢斌
本冊副主編：李鑒軼 關穎健
編 寫 人 員：利時雨 戴振寧 李永欣 謝普生
廣東教育出版社
廣東科技出版社

展開更多......

收起↑