资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修9：创造力开发与技术发明
第三章 创新工具与创客文化
第 二 节 创新工具的使用
教学设计
教学背景
清代文学家王国维在《人间词话》写道：“古今之成大事业、大学问者，必经过三种之境界：‘昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路’，此第一境也。‘衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴’，此第二境也。‘众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处’，此第三境也。” 原本这三首词写的是儿女私情，王国维却用创造性思维的方法，在古人的知名词作品中巧妙地摘引出这几段名句借用来讲做学问的三种境界，不但一语中的，讲得非常透彻，而且让人印象十分深刻。
创造力开发过程是技术发明人的创造性思维过程，也是一种做学问的探索过程，其思维方法在很大程度上与王国维归纳总结出来的“成大事业、大学问者，必经过三种之境界”有一致性，也给选修这门课的同学指出了学习方法。
通用技术是以设计学习、操作学习为主要特征的基础教育课程，技术设计的学习贯穿于整个技术学习的过程。技术的本质在于创造，在通用技术系统课程里专门设置是一门以创造为核心的课程，其目的就是有效地培养学生的创造力与想象力，培养其创造性思维能力， 从而学好通用技术的各项课程。
教学目标：
知识与技能目标:
1.学习三维打印机、激光打印机、数控机床的工作原理和加工特点。
2.了解创新工具的应用范围。
教学内容分析:
本书第三章则介绍了创新工具和创客文化。通过常用工具的引入，理解创新工具的丰富性和发展性。通过本章的学习，学生将回顾在进行创新作品制作时经常会使用的常用工具，懂得如何利用三维打印机、激光切割机和数控机床等创新工具进行创造性设计的物化实现的基本途径。创客与创客文化是新生事物，创客活动离不开创新和创造性制作。本章中还介绍了创客文化及其对社会进步的影响，从而让学生知晓众创空间的基本概念及其存在的多种形态，能够对创客制作实际效果进行创造性效果和实现路径的具体分析，懂得如何像一个真正的创客那样进行创造。
本书第四章的主题是发明成果与专利。通过案例的引入，让学生能够对创造成果进行实事求是的评价，懂得优化的路径。通过对本章的学习，学生将理解保护知识产权的重要性，在保护自己的创造性成果的同时也懂得尊重他人的劳动成果，并能够通过网络查询有关专利技术的资料，学会专利的申请方法和基本流程。
学情分析:
学生对技术与创造力开发的了解认识有限，面对未来，他们需要学习有关技术与创造力开发的知识。
了解发明创造的必要条件，使学生能够有意识地运用创造性思维体验发明创造的过程，形成积极的创造意向和兴趣，培养良好的批判性思维和创造性思维等思维品质。
教学重难点:
学习三维打印机、激光打印机、数控机床的工作原理和加工特点。
了解创新工具的应用范围。
教学策略:
栏目“思考”“讨论”“探究”“知识窗”“设计与实践”等，要求学生开动脑筋，相互启发，把自己代入情景之中，感受技术与创造的魅力。同时也让学生养成良好的思维习惯，能够对身边的事物进行判断和分析，设想有无改善和提高的可能性。技术的发展推动了社会的发展，在“大众创业、万众创新”的今天，更需要提升和发挥我们的创造力，希望通过本书能够让学生理解技术，热爱创造，拥有属于自己的设计和作品。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修9：创造力开发与技术发明　第三章 创新工具与创客文化　第 二 节 创新工具的使用。
现今的世界处在一个充满创新的时代，我国也正在打造万众创新的全新局面。创新是世界各国追求的目标，创客就应运而生。创客就是创新者，适宜的环境下创客云集并畅所欲言，新的创意不断涌现，这种人人追求创新的文化氛围形成了创客文化。创新需要具有一定的物化能力，认识和使用创新工具是其中必须经历的过程。本章我们来认识常见的物化加工工具和一些创新工具，同时了解创客及创客文化。
一、三维打印机
案例
三维打印实现C919大飞机的高精密零件制造
作为机翼的关键部件，C919大飞机的中央翼缘条长达3米，是大型钛合金结构件，以常规工艺无法制造出来。我国科研人员利用的“激光立体成形”的三维打印技术，成功地完成了生产制造任务，其各项性能全部满足C919大飞机的设计要求，优于用传统加工技术生产出来的效果。
三维打印机通常又叫3D打印机。三维打印机可以加工任意形状的工件，有加工精度较高、节省材料等优点。可以用作三维打印的材料有很多，三维打印机通过对这些材料的微小颗粒的任意组合，打印出特定形状和大小的物体。现今三维打印技术的发展，从打印塑料小零件到打印大型产品，使得复杂作品更为简捷，尤其是制作结构复杂多变的、任何曲面的作品。
以下我们来看如何进行设计，并通过三维打印机完成制作。
常用的三维建模软件有很多，既有功能强大的如3D Studio Max、Maya、SolidWorks、AutoCAD等专业级的软件，也有123D Design、3D one、SketchUp等入门级的软件。123DDesign是一款免费的三维 CAD工具，它操作简单、使用方便，适合一般用户使用。图3-3（参见教材P43）为软件的主界面。
1．绘制模型底座
模型底座的绘制，可以使用“基本体” 下的“长方体” 工具。点击选择“长方体”工具（图3-4）（参见教材P43）。将鼠标移动到工作台，在界面底部的长方体参数窗口分别输入长300、宽200、高20，按回车键，即生成如图3-5（参见教材P43）所示的底座。
提示：鼠标进入工作台时，先不要点击鼠标，此时光标在输入框内，直接输入数字即可，按Tab键可以跳转到下一个输入框。
2．绘制圆柱体
圆柱体的绘制，可以使用“基本体” 下面的“圆柱体” 工具。点击选择“圆柱体”工具（如图3-6）（参见教材P44）。将鼠标移至工作台，界面底部出现圆柱体参数窗口，分别输入半径50、高度100，按回车键，即生成如图3-7（参见教材P44）所示的圆柱体。
3．圆柱体的定位
下面需要将圆柱体放在底座的中心位置。圆柱体的移动，可以使用“变换” 下的“对齐” 工具。点击选择“对齐”工具（图3-8）（参见教材P44） 。选择圆柱体，按住Ctrl键不放，再选择底座，此时软件会自动出现可对齐的工作区，以及 X、Y、Z 轴向的左中右、前中后、上中下的对齐标点（图3-9）（参见教材P45）。当鼠标指向对齐标点时，标点会变红，分别点击对齐的中点，将圆柱体移动到底座的正中心（图3-10）（参见教材P45）。
4．检查并导出文件
为了方便检查，可以通过工具栏中的“开启/关闭网格可见性” 关闭网格（图3-11）。通过按住鼠标右键或转动右上角的视图立方体 ，可以从不同的角度检查模
型。必要时，还可以使用“测量” 工具对模型进行检查。确认无误后，我们通过菜单栏的“导出为3D文件”，选择“STL”，即可将模型保存为stl格式的文件（图3-12）（参见教材P45）。
5．打印模型
将SD卡插入三维打印机中，打开目标gcode文件，三维打印机会自动执行命令加热打印平台和喷头。待打印平台和喷头升温至设定值后， 三维打印机开始打印（图3-13）（参见教材P46）。
打印完毕利用铲刀卸下模型（图3-14）（参见教材P46）。
注意：喷头升温和打印期间不能触碰打印喷头，防止烫伤。
数控加工制作完毕后，部分工件还需要进行后期处理，完成去除定位连接部件、二次加工、表面处理、装配等工序。
去除定位连接部件：三维打印的支撑部件、激光切割的连接处都属于定位连接部件，定位连接部件起到稳定工件的作用，防止由于机械碰撞工件或者操作震动等因素导致工件加工精度发生偏差。在数控加工完毕后需用工具去除定位连接部件，仅保留数控加工工件主体。
二次加工：在数控加工无法处理的情况下，工件从数控设备取出后，通过使用锯、钻、锉刀、攻丝、套丝等工具对工件进行再加工，使工件符合设计目的和使用要求。
表面处理：表面处理的目的是满足人们对产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特殊功能要求。表面处理可以是对工件表面进行清洁、清扫、去毛刺、去油污、去氧化皮等简单操作，也可以是机械打磨、化学处理、表面热处理、喷涂表面等复杂工序。
装配：数控机床生产的工件为某个产品的零件或部件，按照规定的技术要求，将若干个零件接合成部件或将若干个零件和部件接合成产品的劳动过程，称为装配。装配往往是数字化设计与制造的最后步骤，同时也能检验工件是否合格。
思考
1．三维打印与传统的图文打印有哪些共同点和区别？
2．三维打印机可以制作哪些传统工具无法制作的作品？
讨论
结合三维打印机的技术特点，讨论三维打印机还可能用于哪些场合。
三维打印机可以制造出传统方法难以制造的产品，但加工速度较慢，适合打印的材料有限，常用于模型的制作。
二、激光切割机
案例
激光切割技术加工定制零件
图3-15（参见教材P47）是一件碳钢板加工的部件。碳钢硬度较高，如用切割、冲压等加工需用到许多种加工设备、多种加工方法才能完成，加工难度比较大，且完成的精度也会存在一定差距。若用激光切割设备加工制作，只需要将此物品的设计数据输入激光切割设备，此后的步骤由机器自动完成，加工速度快，而且完成的作品与设计稿的一致性非常高。
高铁、火箭、飞机等设备所需材料的强度、硬度等参数要求较高，而且多为非标准形状，但它们又需要非常高的加工精度，而且需要快速加工大量的产品来满足市场需求，另外还要考虑材料成本、时间成本和环保等因素。
激光切割机的出现，对于特殊的高硬度材料及特殊形状产品的切割加工是一个巨大的进步。激光切割机是用计算机程序控制激光设备，用激光可以聚集为高能极细激光束的特性，高精度地切割硬质材料，甚至可以切割自然界硬度最高的钻石。激光切割技术还可以用于激光精细雕刻，可以在金属或其他硬质材料表面快速雕刻文字或复杂的图案。
激光切割技术目前也有一定的局限性，现通常运用于厚度有限的金属板材的切割上。
下面我们以用KT板制作遥控纸飞机为例介绍激光切割机的使用。
1．设置软件的工作台网格参数
工件尺寸较大时，可以调整123D Design的工作台网格参数（每个网格的尺寸为5mm×5mm）。点击软件右上角的 ，选择“偏好”（图3-16）（参见教材P48）。在弹出的对话框中的“单位和网格”选项卡下进行相应的设置（图3-17）（参见教材P48）。
提示：软件中可以设置长度单位，默认是毫米。
2．绘制工件的结构图
工件布局图可以利用“草图” 菜单下的“多线段” 工具进行绘制。选择“多线段”工具（图3-18）（参见教材P48），根据尺寸画出目标工件的结构图（图3-19）（参见教材P48）。
思考
图3-19（参见教材P48）的布局符合生产的要求吗？有无优化的空间？
3．对结构图进行拼版
如果按照图3-19（参见教材P48）所示的结构图进行切割，会产生较多的余料。为了节省材料，可以通过拼版使切割方案用料最少。通过拼版，可以得到图3-20（参见教材P49）所示的加工图，这样能大大减少原材料的用量，对控制成本和减少对环境的污染有重要意义。
4．检查并导出文件
最后，还需要对加工图进行检查，除了分析确认其合理性之外，还应该检查各切边的尺寸是否符合预期。
确认无误后，将目标工件导出并保存为dxf格式（图3-21）（参见教材P49）。
在转码软件RDWorks中导入目标工件的dxf文件（图3-22）（参见教材P50）。
导入完毕后，工作界面上出现目标工件图（图3-23）（参见教材P50）。
调整工件位置，在图3-24（参见教材P50）的红色圈处填入90，按回车键，将目标工件沿顺时针方向旋转90°，使工件切割路径全部落入激光切割机的工作区域内（图3-24、图3-25）（参见教材P51）。
双击图3-26（参见教材P51）中红色箭头所指的“激光切割”后弹出参数界面，调节切割速度和工作功率以控制切割效果。
运行计算机数控仿真，检验工作路径是否正常（图3-27）（参见教材P51）。
在软件右侧的“数据加工”面板点击“保存为脱机文件”，将文件重命名并以rd格式保存到U盘内（图3-28）（参见教材P52）。
将文件通过U盘导入到激光切割机内存，放入待切割材料，利用边框键测试材料放置位置是否正确（图3-29）（参见教材P52）。
盖上保护盖，检查水泵、气泵是否正常工作，打开激光开关，启动激光切割（图3-30）（参见教材P52）。
激光切割机开始沿预设路径进行切割作业，切割完毕后，激光切割头回到定位点，打开保护盖，取出目标工件（图3-31）（参见教材P53）。
将工件进行组合并安装上电子零件，一部KT板遥控纸飞机就完成了（图3-32）（参见教材P53）。
思考
哪些材料产品适合激光切割机来加工？
讨论
1．结合激光切割的技术特点，讨论还有哪些使用激光的工具。
2．激光还能运用于哪些领域？
三、数控机床
案例
用数控机床来制作复杂结构的零件
图3-33（参见教材P54）是一个合金加工的设备配件。合金的种类很多，材质比较特殊，用途十分广泛，但加工难度比较大。此配件形状特殊，孔洞的加工精度要求非常高，一般的加工工具无法完成加工，需要有高精度的控制技术及特殊切削刀具的数控机床才能完成。
数控机床集成了信息加工处理、自动控制、传感等多种技术，是对所需加工部件高度自动化、智能化进行加工的设备，是加工技术的巨大飞跃。
机床是工业之母，是指大部分机器设备可以由机床生产出来，虽然现代创新工具层出不穷，但现在大量的设备部件还是由机床生产的，尤其是现代化的数控机床。数控机床可以加工非常复杂的工件，加工精度和速度很高，几乎可以加工各种材料，在工业生产上广泛使用，是目前数字加工工具中使用最为广泛的工业制造工具之一，随着生产的发展，数控机床将逐步取代原有的普通机床。数控机床也是无人车间、无人工厂的主要加工设备，是现代制造业不可或缺的创新工具。
虽然数控机床加工精度高，但其设备成本较高，维护成本也较高。
下面以利用数字化设计制造消防水管连接用的法兰为例，介绍相关的软件操作及数控机床的使用。
1．绘制同心圆
这里使用123D Design设计目标工件，先利用“草图” 菜单下的“草图圆” 工具（图3-34）（参见教材P54）分别创建直径为20mm、80mm、86mm、90mm、120mm、140mm的同心圆（图3-35，其中直径为120mm的圆为参考圆）（参见教材P55）。
提示：用“草图圆”工具连续创建圆时，在输入框输入直径后，按回车键，单击鼠标左键，再将鼠标移动到圆心处继续创建圆。
2．在参考圆上平均分布小圆
在工作台上创建一个直径为6mm的小圆（图3-36）（参见教材P55）。然后将小圆移动到参考圆的圆弧上，当小圆的圆心刚好停放在圆弧上时，会出现一个十字图标（图3-37）（参见教材P55）。
提示：也可以直接在参考圆的圆弧上画小圆，当鼠标放在圆弧上，会出现十字形图标，此时画小圆，可省去移动的步骤。
点击选中小圆，在弹出的菜单中选择“环形阵列” 工具（图3-38）（参见教材P56），点击后出现如图3-39（参见教材P56）所示的弹出菜单，点击 ，再点击参考圆的圆心。接着，在环绕数量的设置对话框输入数值，按回车键即可（图3-40）（参见教材P56）。
3．删除参考圆
删掉参考圆，工件线切割加工图即绘制完成（图3-41）（参见教材P56）。
4．检查并导出文件
对加工图的各部位的尺寸进行检查，确认无误后导出dxf格式文件（图3-42）（参见教材P56）。
将目标dxf文件导入到编程软件JDPaint中（图3-43）（参见教材P57），设置使用刀具、行进路径、转速等参数，以eng文件格式进行保存。
运行计算机数控仿真，程序会根据设定好的刀具路径进行模拟仿真加工。此过程用于检查工作过程是否有误（图3-44）（参见教材P57）。
利用转换软件将刀具路径转化为机器可识读的nc格式文件（图3-45）（参见教材P58）。
开机设定机床原点，在工作台固定加工原料，并水平放置。调用nc文件，按下启动加工按钮，数控机床开始进行加工（图3-46）（参见教材P58）。
加工完成后取出工件。消防水管连接用的法兰就被制造出来了（图3-47）（参见教材P58）。
思考
1．数控机床可以替代产品加工的哪些人工过程？
2．数控机床与传统机床最大的区别在哪里？
讨论
1．结合数控机床的技术特点，讨论数控机床还可能用于哪些场合。
2．列举数控机床可以快速制作哪些产品。
课后作业
习 题
设计制作一个车辆故障警示牌。
使用本节中的多种工具来制造本案例作品，利用新材料，如有机玻璃、PVC板、三维打印材料、金属等，结合新工艺进行创新设计来制作一个功能实用的车辆故障警示牌。
设计方案如下：
设计一个可折叠的三脚架，三脚架竖立打开时显示红色的立体的三脚架主体，可放在有故障的汽车尾部，提示后面过来的汽车注意避让。三脚架平时可折叠收起放在汽车后备箱内，使用时可以快速打开。
本作品还可以增加很多实用的创意，如：底座增加配重或延长抓地吸盘，防止被风吹倒；增加反光膜，容易被看到；增加闪光灯，夜间容易被发现等。
板书设计
第三章 创新工具与创客文化
第 二 节 创新工具的使用
一、三维打印机
二、激光打印机
三、数控机床
教学反思
通用技术
选择性必修9：创造力开发与技术发明
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：肖 萍
编 写 人 员：陈晓民 顾文扬 陈 威 赵忠华
宋向明 梁剑文
广东教育出版社
广东科技出版社

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