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 二 节 软件建模
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.掌握通过基本几何体组合来构建复杂模型的设计思路。
2.能利用 Autodesk 123D Design 软件将设计方案转换成三维数字模型。
3.能通过优化三维数字模型来提升产品的品质或优化产品的功能。
4.掌握将三维数字模型转换成相应二维机械加工图的方法。
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:
掌握通过基本几何体组合来构建复杂模型的设计思路。
能利用 Autodesk 123D Design 软件将设计方案转换成三维数字模型。
能通过优化三维数字模型来提升产品的品质或优化产品的功能。
掌握将三维数字模型转换成相应二维机械加工图的方法。
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 二 节 软件建模。
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、认识建模软件
Autodesk 123D Design是一款界面简洁、操作简单、容易上手的三维建模软件，它提供了一些简单的几何图形，通过对这些简单图形的堆砌和编辑就可以生成复杂的形状。这种建模方式就像是在搭积木，即使我们不是一个专业的三维建模工程师，也能随心所欲地在123D Design里建模。下面让我们一起来认识这款软件吧。
安装完软件并启动，软件主界面的上方是主要工具栏，右侧是导航栏，中间的蓝色网格就是网格平台（如图3-8所示）（参见教材P38）
在“基本体” 菜单栏中，我们可以找到9种常规的立体形状（长方体、球体、圆柱体、圆锥体、圆环体、楔形体、棱柱体、棱锥体、半球体）和4种平面图形（矩形、圆、椭圆、多边形）工具。
立即行动
请用“基本体”菜单中的工具，尝试创建一些几何体（如图3-9所示）（参见教材P39）。
创建了几何体后，只要选中它，用鼠标直接拖动或按方向键即可在工作台上移动它（如图3-10所示）（参见教材P39），也可以用“移动/旋转” 工具进行移动。
立即行动
请你用“基本体” 中的工具菜单创建如图3-11（参见教材P40）的几何体，再试着把它们拼成如图3-12（参见教材P40）的雪人三维数字模型。
虽然只用常规的几何体拼装而成的雪人不是那么惟妙惟肖，但是这种将复杂结构的模型分解成若干个比较简单的部分，分析各部分的形状、相对位置、组合形式及表面连接的关系的方法，在三维建模中很常用。
在常规图形无法满足建模的需要时，可以用“草图” 菜单中的工具来绘制我们想要的形状。这个菜单下面有13种工具：矩形、圆、椭圆、多边形、多段线、样条曲线、两点圆弧、三点圆弧、圆角、修剪、延伸、偏移、投影（如图3-13所示）（参见教材P40）。
“构造” 菜单可利用已有面或草图生成新的物体，有拉伸、扫掠、旋转、放样等4种工具（如图3-14所示）（参见教材P40）。
软件的基本功能我们先介绍到这里，同学们可以自由发挥，尝试设计一些模型。
立即行动
熟悉其他菜单中各种工具的作用。
探究
利用所学知识设计一个简单的模型。
二、三维模型分析
设计模型前，应对模型有初步的构想，并对各部件的形状、结构、组合形式等进行细致的分析，这将有利于我们顺利、有序地建模。在设计过程中，还需要根据产品的用途，对模型做进一步的优化，美化其外观或增强其实用功能，从而提升产品的品质。
案例
水杯是我们日常生活中常用的物品，水杯的创意设计也非常多。母亲节快到了，李明同学想用三维打印技术为母亲制作一个创意水杯，既能发挥创意，检验自己的学习效果，又能学以致用，适时表达对母亲的感恩之情。
思考
水杯由什么形状构成？如果将杯身替换为其他形状的几何体，是否可行？
可以将水杯看作一个掏空的圆柱和半个圆环（如图3-15所示）（参见教材P41）。在软件的“基本体” 菜单中，找到“圆柱体” 和“圆环体” 这两个工具，并在工作台上创建出这两个几何体（如图3-16所示）（参见教材P41）。
刚创建出的几何体需要通过移动或旋转，才能使它们组合在一起。在“变换”
菜单中找到“移动/旋转” 工具并选择几何体进行移动。
知识窗
移动或旋转
当我们使用“移动/旋转” 工具并选择几何体，会看到三个箭头和三个圆圈，它们分别有什么作用？又该如何操作呢？
1. 移动：三个箭头表示可分别向三个坐标轴（X轴、Y轴、Z轴）方向移动，可以单击箭头并移动鼠标完成平移。也可以单击箭头后输入移动距离完成平移，距离可为负数，表示向箭头的反方向移动（如图3-17所示）（参见教材P42）。
2. 旋转：三个圆圈表示分别绕三个坐标轴（X轴、Y轴、Z轴）旋转，可以单击圆圈并移动鼠标完成旋转，也可以单击箭头后输入旋转角度完成旋转（如图3-18所示）（参见教材P42）。
◆ 提示：移动或旋转物体时，改变视图观察角度有助于我们更准确地操作。
经过移动和旋转组合成的杯子模型如图3-19（参见教材P43）所示，此时这两个图形实际上是相交的，圆环体的一半嵌入了圆柱体当中。
接下来做出盛水的杯身，把圆柱体中间掏空。在软件的“修改” 菜单中找到“抽壳” 工具，单击圆柱体的顶面来掏空圆柱体，可以设置方向和厚度参数。
然后做出水杯的把手。用“合并” 菜单中的“合并” 工具，把杯身和圆环体合并成一个整体，选择杯身内部的半圆环，将其删除（如图3-20所示）（参见教材P43）。
这样我们就完成了一个普通水杯的造型。同学们不妨展开想象，把水杯的这两个部件换成不同的形状，看看能设计出多少种创意水杯。
思考
这个水杯模型有哪些地方可以优化？请你列举出来。
立即行动
运用前面介绍的几种建模功能，设计一个勺子的模型。
三、实践案例：设计创意水杯模型
产品的结构形状，不一定都是十分规则的。若“基本体”菜单中没有所需要的图形工具，我们又该如何创建几何体呢？
这里以设计一个心形水杯为例，来一起学习更多的建模技巧。
常见的几何体中没有心形图案，我们需要用“草图” 菜单中的“样条曲线”
工具绘制半个心形，用“多段线” 工具绘制心形的中心线。
◆ 功能提示：可以绘制一个草图圆作为绘制心形图案的尺寸参考，帮助我们控制水杯的尺寸大小。画出半边心形后，单击这条曲线，在弹出的设置栏里找到“镜像”功能选项。点击“镜像线”，然后选择中心线作为镜像操作的轴线，即可得到完整的心形（如图3-21所示）（参见教材P44）。
接下来，删除心形图案的中心线，在“构造” 菜单中找到“拉伸” 工具，把平面的心形图形拉伸为几何体。拉伸高度可以根据我们的需要自行调整，运用“抽壳” 工具，掏空几何体中心，形成杯身（如图3-22所示）（参见教材P44）。
然后运用学习过的操作方法，构建一个圆环体，通过“移动/旋转” 工具调整圆环把手的位置。再通过合并，将杯身和把手合为一体。最后将在杯身里面的圆环部分选中后删除（如图3-23所示）（参见教材P45）。
当前水杯的边角为直角，既不美观，又可能会划伤皮肤，接下来，我们需要对水杯模型进行优化。在“修改” 菜单中找到“圆角” 工具，对杯子的杯口和杯底进行处理（如图3-24所示）（参见教材P45）。
我们还可以选中物体，在下方的功能栏中打开“材质”功能。对水杯进行渲染，选择你喜欢的材质和颜色（如图3-25所示）（参见教材P45）。
最后，请同学们检查自己的设计是否符合预期，确认无误后将三维模型保存并导出为STL格式文件。
思考
除了对水杯的边角做圆角处理，还有没有哪些地方可以优化？
三维建模可以为三维打印提供模板文件，但如果决定了不采用三维打印进行制造，怎么把零件的三维数字模型转换成二维机械加工图呢？
对于123D Design软件中的三维数字模型（如图3-26所示）（参见教材P46），我们可以在菜单中找到“导出为2D文件”的选项，选择导出的文件格式后（如图3-27所示）（参见教材P46），选取三维数字模型的一个平面，再点击弹出的 图标即可导出垂直于该平面视角的模型轮廓图。
由于123D Design属于入门级的三维建模软件，某些功能尚不完善。根据以上步骤导出的二维机械加工图中，缺少了一些关键要素。借助专业的三维建模软件如SolidWorks，则可以将三维数字模型（如图3-28所示）（参见教材P46）转化为具有尺寸标注和三视图的二维工程图（如图3-29所示）（参见教材P46），再加上零件材质、几何公差、表面粗糙度等参数，便可得到一份完整的二维机械加工图了。
借助三维建模软件，我们还可以对三维数字模型进行测量和测试。利用123D Design软件的测量功能，我们可以获取所选部分的距离、角度、面积、体积等数据。利用SolidWorks软件，对三维数字模型进行干涉检查测试能帮助我们查看多个三维打印组装部件的摆放位置是否有重叠（如图3-30、图3-31所示）（参见教材P47）。
SolidWorks软件的其他测试功能还有运动仿真（如图3-32所示）（参见教材P47）、力学仿真（如图3-33所示）（参见教材P47）、流体仿真（如图3-34所示）（参见教材P47）等，将三维数字模型配置到我们定义的环境和条件中，可以对其使用状态进行模拟测试。
此外，当我们打开网络下载或其他软件构建的三维数字模型时，可能会提示STL文件存在错误，这可能是因为三维数字模型存在孔洞、缝隙、边界重叠等错误。大部分的三维建模软件可以帮我们进行自动修复，如3D Builder软件就具有检测和修复STL文件的功能。
课后作业
习 题
1. 如图所示，设计一个笔筒的三维数字模型。
2. 软件建模的过程是具有探索性的，你在建模过程中遇到了哪些问题？你是如何解决这些问题的？
板书设计
第三章 三维模型设计
第 二 节 软件建模
一、认识建模软件
二、三维模型分析
三、实践案例：设计创意水杯模型
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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