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
第三章 三維模型設計
第一節 認識三維建模
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STL文件的特點。
2.了解獲取三維數字模型的途徑。
3.了解三維掃描技術在產品設計和制造中的作用。
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STL文件的特點。
了解獲取三維數字模型的途徑。
了解三維掃描技術在產品設計和制造中的作用。
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　第三章 三維模型設計　第一節 認識三維建模。
三維數字模型是三維打印制作立體實物的基礎，獲取三維數字模型的方式有很多種，其中軟件建模是最基礎、最常用的，掌握了軟件建模的方法，就能隨心設計自己的創意模型了。但是三維打印機無法直接識別這個模型，還需要對三維數字模型進行切片，即將模型分成一層一層的截面，才能指導打印機進行逐層打印?？梢娙S數字模型的切片設置對打印十分重要，不僅關系到成型質量的好壞和打印效率的高低，甚至還關系到打印的成敗。
本章我們將學習三維數字模型的設計及其切片處理，為自己動手制作三維產品打下基礎、做足準備。
一、三維數字模型的文件格式
三維建模通俗來講就是通過三維制作軟件在虛擬三維空間構建出具有三維數據的模型。
常用的三維建模軟件可以幫助我們通過畫圖、運算等操作，將頭腦中的產品構思以三維數字模型的形式呈現出來，它能準確地表達出模型的形態結構，形象直觀地表達出設計意圖。
案例
趙強是一名自行車發燒友，不僅喜愛騎行運動，而且喜歡設計自行車。這幾天，他構思了一個創意設計，當他興致勃勃地拿著設計圖請工廠制作加工時，卻被告知需要規范的零件圖紙才行，他的設計圖對于車間工人來說，畫得“太抽象”了（如圖3-1所示）（參見教材P31）。而且，制造這種特殊形狀的零件，光開發模具就是一筆不小的費用，趙強頓時傻眼了。
正當趙強感到沮喪的時候，他聽說用三維打印技術可以定制個性化產品，制作復雜的結構，而且耗時短、成本低，但是三維打印首先需要有三維數字模型。趙強仿佛又看到了希望。
思考
1. 三維數字模型有固定的文件格式嗎？
2. 趙強如何才能把設計圖變成三維數字模型？
3. 若要將設計變成實物，趙強還需要學習哪些知識？
三維數字模型通常保存為 STL 格式的文件，這是一種用三角形面片表示物體外形的文件格式（如圖 3-2 所示）（參見教材P32）。STL 文件由大量的三角形面片組成，每個三角形面片的定義包括三角形各個頂點的三維坐標及三角形面片的法向量。
STL 文件代碼易讀、算法簡單，但只能描述三維物體的幾何信息，不涵蓋物體的材質、顏色等信息。
討論
STL文件是由大量的三角形面片組成的，但是三角形是平面圖形，如何用三角形面片來表示曲面的立體形狀呢？圖3-3（參見教材P32）是3個大小相同的球體的STL文件，請觀察三角形面片的數量與球體曲面呈現效果的關系。
STL 文件在創建、導出、轉換時可能會出錯，從而導致導入編輯或切片打印時失敗，需要通過軟件進行檢測修復。常見的 STL 文件錯誤類型（如圖 3-4 所示）（參見教材P33）如下。
（1）開放面：由于三角形面片丟失而引起，在模型表面有較大曲率的曲面相交時，容易出現丟失三角形面片而形成開放面。
（2）釘形：由于多出了一個與模型共享一條邊的孤立三角形面片而導致，這個三角形面片不能表示模型的形狀和體積。
（3）頂點錯位：由于三角形的邊沒有完全被兩個三角形面片共享而形成。
知識窗
三維打印技術應用的三維數字模型，除了STL外，還有OBJ、AMF、3MF等文件格式。
OBJ也是一種僅含有物體幾何信息，不涵蓋材質、顏色、動畫的文件格式，但OBJ主要應用于三維建模和動畫制作，適用于三維軟件之間的數據交換。
隨著軟件技術的進步，新的三維數字模型文件格式AMF誕生，這種文件格式在STL的基礎上做了改進，更加便于閱讀、編輯，能夠記錄物體的顏色、材料、內部結構等信息，不僅可以記錄單一材質，還可對不同部位指定不同材質。有類似功能的文件格式還有3MF，該格式2015年問世后，已得到多家軟件企業的支持。
可見，三維打印技術更新換代的不僅僅是工藝、材料，三維數字模型也在不斷朝著更細致、更逼真的方向發展。
二、三維數字模型的獲取方式
獲取三維數字模型的主要方式有以下3種。
思考
趙強的創意自行車設計（如圖3-5所示）（參見教材P33）還沒有和其他人分享交流過，在網絡上找不到相同的模型下載，更沒有現成的產品和零件供他進行三維掃描。你認為，趙強可以通過什么方式獲得創意自行車的三維數字模型？
1. 三維掃描
三維掃描技術是一種立體視覺測量技術，其原理和方 圖3-5 （參見教材P33）趙強構想的創意自行車設計法有很多。但其本質是一種長度測量，就像我們用尺子測量兩個點之間的距離一樣，如果我們知道了一個物體上所有的點到一個坐標系原點的距離，我們也就知道了這個物體的三維形狀。
三維激光掃描儀是三維掃描常見的工具之一，它將激光（線或者陣列）投射到物體表面，隨后根據反射光判斷物體的位置。三維掃描是一種快捷的建模方式，但需通過改變被測物體的位置，從不同角度進行掃描，才能獲取全面的信息。
案例
用三維掃描保護文物
所有的歷史文物和遺跡都是前人智慧的結晶，加大文物和文化遺產保護力度，加強歷史文化保護傳承，才能更好的鑄就社會主義文化新輝煌。
在文物保護工作中，經常需要對文物進行測繪，但是實際操作中，手工測繪可能出現數據偏差、細節遺漏，甚至對文物表面造成破壞。三維掃描技術則很好地解決了這一問題，它可以在非接觸的條件下無損傷、準確地獲取文物的尺寸、模型，因此在文物測繪和文物修復領域具有強大的優勢。
三維掃描技術還可以應用于文物模型制作（如圖3-6所示）（參見教材P34），雖然復制后的文物只能算“贗品”，但對游客的參觀體驗幾乎沒有影響。三維掃描技術應用于修繕設計，可協調建筑形式、空間格局、材質色澤、構筑細部等，不僅能更好地秉承歷史原物的獨特風格，還能強調歷史建筑的原真性。
討論
隨著各國之間的交流日益密切，國家之間常常會舉辦文物展覽活動，以增進文化交流。但是歷年來，在海外展出和運輸途中不慎損壞文物的事情偶有發生。你認為，三維打印的文物仿品可以代替文物真品在各國進行展覽嗎？為什么？
知識窗
三維掃描建模的局限性
在進行三維掃描建模時，通常需要對一個物體進行兩個或兩個以上角度的掃描，再把掃描數據進行拼接，才能獲得實物的三維數字模型。而且掃描對象如果存在空心結構或孔洞結構，其內部的結構特征是掃描儀難以采集到的。
探究
如何將你的手機變成三維掃描儀？
立即行動
請用三維掃描的方式獲取一個瓶子的三維數字模型。
2. 網絡下載
目前網絡上有很多三維數字模型庫，這些網絡模型庫一般都有豐富的模型，其中有不少是可免費下載的。當我們需要建模時，可以嘗試在模型庫網站中尋找合適的模型下載，這是獲取三維數字模型最簡單的方式。
例如，在一個模型網站中輸入關鍵詞“機器人”進行搜索，就會出來如圖3-7（參見教材P35）所示的機器人模型，這時你就可以選擇一個喜歡的模型進行下載了。
討論
你覺得，在開放共享的網絡模型庫中，會隱藏有非法、不良的模型信息嗎？網站應該如何規范模型的上傳與下載行為呢？我們作為守法公民，如果面對非法模型，應該怎么做？
知識窗
網絡下載模型的局限性
網絡模型庫有很多，而且里面的模型都是現成的，但在實際應用中，我們通常要經過多次的檢索才能找到理想的模型，也可能始終找不到和設想完全一致的模型，這時就要通過三維建模軟件對模型進行編輯修改再使用。
立即行動
請從網絡模型庫中下載一個哨子的三維數字模型。
3. 軟件建模
軟件建模，即用三維建模軟件在計算機的虛擬空間構建出三維數字模型。由于三維掃描建模和網絡下載模型都有一定的局限性，所以，通過軟件來建模雖然不像前面兩種方法那樣快速簡便，但卻是最基本和最常用的方法，也是全面掌握三維打印技術的必要步驟。
三維建模軟件的種類有很多，有簡單容易上手的入門級軟件，也有功能強大的專業級軟件（如表3-1所示）。
表3-1 常見的三維建模軟件
軟件名稱 適用范圍
Rhinoceros，AutoCAD 常規建模設計
SolidWorks，UG 工業建模設計
Sculptris，ZBrush 藝術建模設計
3DTin，TinkerCAD 在線建模
3D One，IME3D 簡易三維建模
通過簡易的三維建模軟件，我們就可以利用一些基本的幾何元素（如立方體、球體、圓錐體等），進行一系列的幾何操作（如平移、旋轉、拉伸及布爾運算等），構建出復雜的立體形狀。
課后作業
習 題
某醫院的整形美容科借助三維打印技術，協助醫生進行病例講解或與患者溝通，他們是這么做的：利用三維掃描技術獲取患者面部的幾何信息，并生成三維數字模型，再導入三維建模軟件，根據整形方案對模型進行調整，最后把調整前后的兩個模型打印出來，讓患者直觀地看到整形方案實施的預期效果；還可以等康復后再次掃描，對比手術效果是否達到預期。這種“先進”的溝通方式深受醫生和患者的歡迎。
有一天，一名拿不定主意的患者希望醫生可以在醫院的數據庫中調出另一名患者的術后效果模型，看看他人的整形效果，給自己作為參考，但是遭到了醫生的拒絕。
你認為，為什么醫生拒絕了這名患者的請求？當我們對某一產品進行三維掃描時，應該注意哪些問題？或者當我們的產品被三維掃描時，應當如何維護自身的權益？
板書設計
第三章 三維模型設計
第一節 認識三維建模
一、三維數字模型的文件格式
二、三維數字模型的獲取方式
1. 三維掃描
2. 網絡下載
3. 軟件建模
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

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