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 二 節 軟件建模
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.掌握通過基本幾何體組合來構建復雜模型的設計思路。
2.能利用 Autodesk 123D Design 軟件將設計方案轉換成三維數字模型。
3.能通過優化三維數字模型來提升產品的品質或優化產品的功能。
4.掌握將三維數字模型轉換成相應二維機械加工圖的方法。
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:
掌握通過基本幾何體組合來構建復雜模型的設計思路。
能利用 Autodesk 123D Design 軟件將設計方案轉換成三維數字模型。
能通過優化三維數字模型來提升產品的品質或優化產品的功能。
掌握將三維數字模型轉換成相應二維機械加工圖的方法。
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 二 節 軟件建模。
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。可見三維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、認識建模軟件
Autodesk 123D Design是一款界面簡潔、操作簡單、容易上手的三維建模軟件，它提供了一些簡單的幾何圖形，通過對這些簡單圖形的堆砌和編輯就可以生成復雜的形狀。這種建模方式就像是在搭積木，即使我們不是一個專業的三維建模工程師，也能隨心所欲地在123D Design里建模。下面讓我們一起來認識這款軟件吧。
安裝完軟件并啟動，軟件主界面的上方是主要工具欄，右側是導航欄，中間的藍色網格就是網格平臺（如圖3-8所示）（參見教材P38）
在“基本體” 菜單欄中，我們可以找到9種常規的立體形狀（長方體、球體、圓柱體、圓錐體、圓環體、楔形體、棱柱體、棱錐體、半球體）和4種平面圖形（矩形、圓、橢圓、多邊形）工具。
立即行動
請用“基本體”菜單中的工具，嘗試創建一些幾何體（如圖3-9所示）（參見教材P39）。
創建了幾何體后，只要選中它，用鼠標直接拖動或按方向鍵即可在工作臺上移動它（如圖3-10所示）（參見教材P39），也可以用“移動/旋轉” 工具進行移動。
立即行動
請你用“基本體” 中的工具菜單創建如圖3-11（參見教材P40）的幾何體，再試著把它們拼成如圖3-12（參見教材P40）的雪人三維數字模型。
雖然只用常規的幾何體拼裝而成的雪人不是那么惟妙惟肖，但是這種將復雜結構的模型分解成若干個比較簡單的部分，分析各部分的形狀、相對位置、組合形式及表面連接的關系的方法，在三維建模中很常用。
在常規圖形無法滿足建模的需要時，可以用“草圖” 菜單中的工具來繪制我們想要的形狀。這個菜單下面有13種工具：矩形、圓、橢圓、多邊形、多段線、樣條曲線、兩點圓弧、三點圓弧、圓角、修剪、延伸、偏移、投影（如圖3-13所示）（參見教材P40）。
“構造” 菜單可利用已有面或草圖生成新的物體，有拉伸、掃掠、旋轉、放樣等4種工具（如圖3-14所示）（參見教材P40）。
軟件的基本功能我們先介紹到這里，同學們可以自由發揮，嘗試設計一些模型。
立即行動
熟悉其他菜單中各種工具的作用。
探究
利用所學知識設計一個簡單的模型。
二、三維模型分析
設計模型前，應對模型有初步的構想，并對各部件的形狀、結構、組合形式等進行細致的分析，這將有利于我們順利、有序地建模。在設計過程中，還需要根據產品的用途，對模型做進一步的優化，美化其外觀或增強其實用功能，從而提升產品的品質。
案例
水杯是我們日常生活中常用的物品，水杯的創意設計也非常多。母親節快到了，李明同學想用三維打印技術為母親制作一個創意水杯，既能發揮創意，檢驗自己的學習效果，又能學以致用，適時表達對母親的感恩之情。
思考
水杯由什么形狀構成？如果將杯身替換為其他形狀的幾何體，是否可行？
可以將水杯看作一個掏空的圓柱和半個圓環（如圖3-15所示）（參見教材P41）。在軟件的“基本體” 菜單中，找到“圓柱體” 和“圓環體” 這兩個工具，并在工作臺上創建出這兩個幾何體（如圖3-16所示）（參見教材P41）。
剛創建出的幾何體需要通過移動或旋轉，才能使它們組合在一起。在“變換”
菜單中找到“移動/旋轉” 工具并選擇幾何體進行移動。
知識窗
移動或旋轉
當我們使用“移動/旋轉” 工具并選擇幾何體，會看到三個箭頭和三個圓圈，它們分別有什么作用？又該如何操作呢？
1. 移動：三個箭頭表示可分別向三個坐標軸（X軸、Y軸、Z軸）方向移動，可以單擊箭頭并移動鼠標完成平移。也可以單擊箭頭后輸入移動距離完成平移，距離可為負數，表示向箭頭的反方向移動（如圖3-17所示）（參見教材P42）。
2. 旋轉：三個圓圈表示分別繞三個坐標軸（X軸、Y軸、Z軸）旋轉，可以單擊圓圈并移動鼠標完成旋轉，也可以單擊箭頭后輸入旋轉角度完成旋轉（如圖3-18所示）（參見教材P42）。
◆ 提示：移動或旋轉物體時，改變視圖觀察角度有助于我們更準確地操作。
經過移動和旋轉組合成的杯子模型如圖3-19（參見教材P43）所示，此時這兩個圖形實際上是相交的，圓環體的一半嵌入了圓柱體當中。
接下來做出盛水的杯身，把圓柱體中間掏空。在軟件的“修改” 菜單中找到“抽殼” 工具，單擊圓柱體的頂面來掏空圓柱體，可以設置方向和厚度參數。
然后做出水杯的把手。用“合并” 菜單中的“合并” 工具，把杯身和圓環體合并成一個整體，選擇杯身內部的半圓環，將其刪除（如圖3-20所示）（參見教材P43）。
這樣我們就完成了一個普通水杯的造型。同學們不妨展開想象，把水杯的這兩個部件換成不同的形狀，看看能設計出多少種創意水杯。
思考
這個水杯模型有哪些地方可以優化？請你列舉出來。
立即行動
運用前面介紹的幾種建模功能，設計一個勺子的模型。
三、實踐案例：設計創意水杯模型
產品的結構形狀，不一定都是十分規則的。若“基本體”菜單中沒有所需要的圖形工具，我們又該如何創建幾何體呢？
這里以設計一個心形水杯為例，來一起學習更多的建模技巧。
常見的幾何體中沒有心形圖案，我們需要用“草圖” 菜單中的“樣條曲線”
工具繪制半個心形，用“多段線” 工具繪制心形的中心線。
◆ 功能提示：可以繪制一個草圖圓作為繪制心形圖案的尺寸參考，幫助我們控制水杯的尺寸大小。畫出半邊心形后，單擊這條曲線，在彈出的設置欄里找到“鏡像”功能選項。點擊“鏡像線”，然后選擇中心線作為鏡像操作的軸線，即可得到完整的心形（如圖3-21所示）（參見教材P44）。
接下來，刪除心形圖案的中心線，在“構造” 菜單中找到“拉伸” 工具，把平面的心形圖形拉伸為幾何體。拉伸高度可以根據我們的需要自行調整，運用“抽殼” 工具，掏空幾何體中心，形成杯身（如圖3-22所示）（參見教材P44）。
然后運用學習過的操作方法，構建一個圓環體，通過“移動/旋轉” 工具調整圓環把手的位置。再通過合并，將杯身和把手合為一體。最后將在杯身里面的圓環部分選中后刪除（如圖3-23所示）（參見教材P45）。
當前水杯的邊角為直角，既不美觀，又可能會劃傷皮膚，接下來，我們需要對水杯模型進行優化。在“修改” 菜單中找到“圓角” 工具，對杯子的杯口和杯底進行處理（如圖3-24所示）（參見教材P45）。
我們還可以選中物體，在下方的功能欄中打開“材質”功能。對水杯進行渲染，選擇你喜歡的材質和顏色（如圖3-25所示）（參見教材P45）。
最后，請同學們檢查自己的設計是否符合預期，確認無誤后將三維模型保存并導出為STL格式文件。
思考
除了對水杯的邊角做圓角處理，還有沒有哪些地方可以優化？
三維建模可以為三維打印提供模板文件，但如果決定了不采用三維打印進行制造，怎么把零件的三維數字模型轉換成二維機械加工圖呢？
對于123D Design軟件中的三維數字模型（如圖3-26所示）（參見教材P46），我們可以在菜單中找到“導出為2D文件”的選項，選擇導出的文件格式后（如圖3-27所示）（參見教材P46），選取三維數字模型的一個平面，再點擊彈出的 圖標即可導出垂直于該平面視角的模型輪廓圖。
由于123D Design屬于入門級的三維建模軟件，某些功能尚不完善。根據以上步驟導出的二維機械加工圖中，缺少了一些關鍵要素。借助專業的三維建模軟件如SolidWorks，則可以將三維數字模型（如圖3-28所示）（參見教材P46）轉化為具有尺寸標注和三視圖的二維工程圖（如圖3-29所示）（參見教材P46），再加上零件材質、幾何公差、表面粗糙度等參數，便可得到一份完整的二維機械加工圖了。
借助三維建模軟件，我們還可以對三維數字模型進行測量和測試。利用123D Design軟件的測量功能，我們可以獲取所選部分的距離、角度、面積、體積等數據。利用SolidWorks軟件，對三維數字模型進行干涉檢查測試能幫助我們查看多個三維打印組裝部件的擺放位置是否有重疊（如圖3-30、圖3-31所示）（參見教材P47）。
SolidWorks軟件的其他測試功能還有運動仿真（如圖3-32所示）（參見教材P47）、力學仿真（如圖3-33所示）（參見教材P47）、流體仿真（如圖3-34所示）（參見教材P47）等，將三維數字模型配置到我們定義的環境和條件中，可以對其使用狀態進行模擬測試。
此外，當我們打開網絡下載或其他軟件構建的三維數字模型時，可能會提示STL文件存在錯誤，這可能是因為三維數字模型存在孔洞、縫隙、邊界重疊等錯誤。大部分的三維建模軟件可以幫我們進行自動修復，如3D Builder軟件就具有檢測和修復STL文件的功能。
課后作業
習 題
1. 如圖所示，設計一個筆筒的三維數字模型。
2. 軟件建模的過程是具有探索性的，你在建模過程中遇到了哪些問題？你是如何解決這些問題的？
板書設計
第三章 三維模型設計
第 二 節 軟件建模
一、認識建模軟件
二、三維模型分析
三、實踐案例：設計創意水杯模型
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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