资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修11：产品三维设计与制造
第三章 三维模型设计
第一节 认识三维建模
教学设计
教学背景
三维打印是近年来受到人们广泛关注的一项高新技术，被誉为开启新工业革命的钥匙，它的发明实现了人类的生产制造模式从等材、减材到增材的重大转变。由于其独特的优势，三维打印技术经历了30多年的发展仍方兴未艾，新技术、新材料、新应用仍源源不断问世，而且被广泛应用于工业制造、航空航天、医疗教育、艺术设计等领域，这一切都展示了三维打印技术强大的生命力和难以估量的发展前景。
教学目标：
知识与技能目标:
1.了解STL文件的特点。
2.了解获取三维数字模型的途径。
3.了解三维扫描技术在产品设计和制造中的作用。
教学内容分析:
教材分四章：三维打印原理、三维产品技术分析、三维模型设计和三维打印技术应用。由浅入深，带领同学们了解三维打印技术的产生和发展历程，了解三维打印的基本原理、设备的结构和操作方法；熟悉不同材料和成型工艺的特点，能结合产品设计要求制订合适的产品制作方案；学习三维建模，掌握三维模型设计的基本思路和方法；通过实践操作教学，设计和制作出哨子、台灯等立体模型。
学情分析:
学生对三维打印的了解认识有限，面对未来，他们需要学习有关三维打印的知识。
教材注重发展同学们的核心素养。通过了解三维打印的原理及其应用，感悟三维打印技术对人们生产、生活的影响。选取能突出反映三维打印特点的案例，通过对不同工艺的对比，让同学们深刻体会三维打印技术和传统制造技术的区别，帮助同学们树立技术意识。所选案例贴近日常生活，方便同学们学以致用，在制订方案的过程中，引导同学们从实际出发，具体问题具体分析，通过对比、权衡和优化得到最佳方案，以此培养工程思维。在实践操作教学中，帮助同学们较全面地掌握三维打印的设计技巧和制作方法，引导同学们思考与探究，从而提高实践能力和创新能力。
教学重难点:
了解STL文件的特点。
了解获取三维数字模型的途径。
了解三维扫描技术在产品设计和制造中的作用。
教学策略:
在教学过程中，注重对同学们科学态度、价值观的引导和培养。本书设计的案例、实践活动、思考、讨论等栏目充分融合了科技与人文理念，如为体育老师制作哨子、为母亲制作杯子、三维打印是否可取代传统制造业、三维打印文物仿品可否代替真品进行展览、三维打印器官的伦理思考等，引导同学们从社会、科技、人文等方面进行考虑，从而发展综合素养。
运用三维打印技术，不用依赖机床和车间，也不用削、钻、铸等手段，只要借助一台计算机和一台三维打印机，我们就能变成产品的设计者、制造者。让我们一起走进三维打印的世界，领略它的神奇与不凡；让三维打印技术成为我们的好帮手，助我们实现脑海中奇妙的构想吧。
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11：产品三维设计与制造　第三章 三维模型设计　第一节 认识三维建模。
三维数字模型是三维打印制作立体实物的基础，获取三维数字模型的方式有很多种，其中软件建模是最基础、最常用的，掌握了软件建模的方法，就能随心设计自己的创意模型了。但是三维打印机无法直接识别这个模型，还需要对三维数字模型进行切片，即将模型分成一层一层的截面，才能指导打印机进行逐层打印。可见三维数字模型的切片设置对打印十分重要，不仅关系到成型质量的好坏和打印效率的高低，甚至还关系到打印的成败。
本章我们将学习三维数字模型的设计及其切片处理，为自己动手制作三维产品打下基础、做足准备。
一、三维数字模型的文件格式
三维建模通俗来讲就是通过三维制作软件在虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型。
常用的三维建模软件可以帮助我们通过画图、运算等操作，将头脑中的产品构思以三维数字模型的形式呈现出来，它能准确地表达出模型的形态结构，形象直观地表达出设计意图。
案例
赵强是一名自行车发烧友，不仅喜爱骑行运动，而且喜欢设计自行车。这几天，他构思了一个创意设计，当他兴致勃勃地拿着设计图请工厂制作加工时，却被告知需要规范的零件图纸才行，他的设计图对于车间工人来说，画得“太抽象”了（如图3-1所示）（参见教材P31）。而且，制造这种特殊形状的零件，光开发模具就是一笔不小的费用，赵强顿时傻眼了。
正当赵强感到沮丧的时候，他听说用三维打印技术可以定制个性化产品，制作复杂的结构，而且耗时短、成本低，但是三维打印首先需要有三维数字模型。赵强仿佛又看到了希望。
思考
1. 三维数字模型有固定的文件格式吗？
2. 赵强如何才能把设计图变成三维数字模型？
3. 若要将设计变成实物，赵强还需要学习哪些知识？
三维数字模型通常保存为 STL 格式的文件，这是一种用三角形面片表示物体外形的文件格式（如图 3-2 所示）（参见教材P32）。STL 文件由大量的三角形面片组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个顶点的三维坐标及三角形面片的法向量。
STL 文件代码易读、算法简单，但只能描述三维物体的几何信息，不涵盖物体的材质、颜色等信息。
讨论
STL文件是由大量的三角形面片组成的，但是三角形是平面图形，如何用三角形面片来表示曲面的立体形状呢？图3-3（参见教材P32）是3个大小相同的球体的STL文件，请观察三角形面片的数量与球体曲面呈现效果的关系。
STL 文件在创建、导出、转换时可能会出错，从而导致导入编辑或切片打印时失败，需要通过软件进行检测修复。常见的 STL 文件错误类型（如图 3-4 所示）（参见教材P33）如下。
（1）开放面：由于三角形面片丢失而引起，在模型表面有较大曲率的曲面相交时，容易出现丢失三角形面片而形成开放面。
（2）钉形：由于多出了一个与模型共享一条边的孤立三角形面片而导致，这个三角形面片不能表示模型的形状和体积。
（3）顶点错位：由于三角形的边没有完全被两个三角形面片共享而形成。
知识窗
三维打印技术应用的三维数字模型，除了STL外，还有OBJ、AMF、3MF等文件格式。
OBJ也是一种仅含有物体几何信息，不涵盖材质、颜色、动画的文件格式，但OBJ主要应用于三维建模和动画制作，适用于三维软件之间的数据交换。
随着软件技术的进步，新的三维数字模型文件格式AMF诞生，这种文件格式在STL的基础上做了改进，更加便于阅读、编辑，能够记录物体的颜色、材料、内部结构等信息，不仅可以记录单一材质，还可对不同部位指定不同材质。有类似功能的文件格式还有3MF，该格式2015年问世后，已得到多家软件企业的支持。
可见，三维打印技术更新换代的不仅仅是工艺、材料，三维数字模型也在不断朝着更细致、更逼真的方向发展。
二、三维数字模型的获取方式
获取三维数字模型的主要方式有以下3种。
思考
赵强的创意自行车设计（如图3-5所示）（参见教材P33）还没有和其他人分享交流过，在网络上找不到相同的模型下载，更没有现成的产品和零件供他进行三维扫描。你认为，赵强可以通过什么方式获得创意自行车的三维数字模型？
1. 三维扫描
三维扫描技术是一种立体视觉测量技术，其原理和方 图3-5 （参见教材P33）赵强构想的创意自行车设计法有很多。但其本质是一种长度测量，就像我们用尺子测量两个点之间的距离一样，如果我们知道了一个物体上所有的点到一个坐标系原点的距离，我们也就知道了这个物体的三维形状。
三维激光扫描仪是三维扫描常见的工具之一，它将激光（线或者阵列）投射到物体表面，随后根据反射光判断物体的位置。三维扫描是一种快捷的建模方式，但需通过改变被测物体的位置，从不同角度进行扫描，才能获取全面的信息。
案例
用三维扫描保护文物
所有的历史文物和遗迹都是前人智慧的结晶，加大文物和文化遗产保护力度，加强历史文化保护传承，才能更好的铸就社会主义文化新辉煌。
在文物保护工作中，经常需要对文物进行测绘，但是实际操作中，手工测绘可能出现数据偏差、细节遗漏，甚至对文物表面造成破坏。三维扫描技术则很好地解决了这一问题，它可以在非接触的条件下无损伤、准确地获取文物的尺寸、模型，因此在文物测绘和文物修复领域具有强大的优势。
三维扫描技术还可以应用于文物模型制作（如图3-6所示）（参见教材P34），虽然复制后的文物只能算“赝品”，但对游客的参观体验几乎没有影响。三维扫描技术应用于修缮设计，可协调建筑形式、空间格局、材质色泽、构筑细部等，不仅能更好地秉承历史原物的独特风格，还能强调历史建筑的原真性。
讨论
随着各国之间的交流日益密切，国家之间常常会举办文物展览活动，以增进文化交流。但是历年来，在海外展出和运输途中不慎损坏文物的事情偶有发生。你认为，三维打印的文物仿品可以代替文物真品在各国进行展览吗？为什么？
知识窗
三维扫描建模的局限性
在进行三维扫描建模时，通常需要对一个物体进行两个或两个以上角度的扫描，再把扫描数据进行拼接，才能获得实物的三维数字模型。而且扫描对象如果存在空心结构或孔洞结构，其内部的结构特征是扫描仪难以采集到的。
探究
如何将你的手机变成三维扫描仪？
立即行动
请用三维扫描的方式获取一个瓶子的三维数字模型。
2. 网络下载
目前网络上有很多三维数字模型库，这些网络模型库一般都有丰富的模型，其中有不少是可免费下载的。当我们需要建模时，可以尝试在模型库网站中寻找合适的模型下载，这是获取三维数字模型最简单的方式。
例如，在一个模型网站中输入关键词“机器人”进行搜索，就会出来如图3-7（参见教材P35）所示的机器人模型，这时你就可以选择一个喜欢的模型进行下载了。
讨论
你觉得，在开放共享的网络模型库中，会隐藏有非法、不良的模型信息吗？网站应该如何规范模型的上传与下载行为呢？我们作为守法公民，如果面对非法模型，应该怎么做？
知识窗
网络下载模型的局限性
网络模型库有很多，而且里面的模型都是现成的，但在实际应用中，我们通常要经过多次的检索才能找到理想的模型，也可能始终找不到和设想完全一致的模型，这时就要通过三维建模软件对模型进行编辑修改再使用。
立即行动
请从网络模型库中下载一个哨子的三维数字模型。
3. 软件建模
软件建模，即用三维建模软件在计算机的虚拟空间构建出三维数字模型。由于三维扫描建模和网络下载模型都有一定的局限性，所以，通过软件来建模虽然不像前面两种方法那样快速简便，但却是最基本和最常用的方法，也是全面掌握三维打印技术的必要步骤。
三维建模软件的种类有很多，有简单容易上手的入门级软件，也有功能强大的专业级软件（如表3-1所示）。
表3-1 常见的三维建模软件
软件名称 适用范围
Rhinoceros，AutoCAD 常规建模设计
SolidWorks，UG 工业建模设计
Sculptris，ZBrush 艺术建模设计
3DTin，TinkerCAD 在线建模
3D One，IME3D 简易三维建模
通过简易的三维建模软件，我们就可以利用一些基本的几何元素（如立方体、球体、圆锥体等），进行一系列的几何操作（如平移、旋转、拉伸及布尔运算等），构建出复杂的立体形状。
课后作业
习 题
某医院的整形美容科借助三维打印技术，协助医生进行病例讲解或与患者沟通，他们是这么做的：利用三维扫描技术获取患者面部的几何信息，并生成三维数字模型，再导入三维建模软件，根据整形方案对模型进行调整，最后把调整前后的两个模型打印出来，让患者直观地看到整形方案实施的预期效果；还可以等康复后再次扫描，对比手术效果是否达到预期。这种“先进”的沟通方式深受医生和患者的欢迎。
有一天，一名拿不定主意的患者希望医生可以在医院的数据库中调出另一名患者的术后效果模型，看看他人的整形效果，给自己作为参考，但是遭到了医生的拒绝。
你认为，为什么医生拒绝了这名患者的请求？当我们对某一产品进行三维扫描时，应该注意哪些问题？或者当我们的产品被三维扫描时，应当如何维护自身的权益？
板书设计
第三章 三维模型设计
第一节 认识三维建模
一、三维数字模型的文件格式
二、三维数字模型的获取方式
1. 三维扫描
2. 网络下载
3. 软件建模
通用技术
选择性必修11：产品三维设计与制造
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：黄文华 欧阳汉斌
本册副主编：李鉴轶 关颖健
编 写 人 员：利时雨 戴振宁 李永欣 谢普生
广东教育出版社
广东科技出版社

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