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青少年3D打印课程第六讲:风扇开关旋钮盖

时间:2017-10-11 09:05:00  来源:江苏科技报

  学习背景

  创客教育是培养和提升学生创造能力和解决问题能力的重要途径。本课程以生活中的电风扇开关旋钮盖丢失事件作为活动导入,让学生在分析、测量的基础上,运用3dMax软件进行3D建模和打印,为风扇开关配上新的盖子。

  教学目标

  知识与技能

  能够说明风扇开关旋钮与旋钮盖的结构关系;能独立执行3dMax中的壳命令;能独立操作3dMax中的布尔命令。

  过程与方法

  经历提出问题、分析问题、解决问题的过程;能通过微视频开展自主学习。

  情感态度与价值观

  感受用3D建模与打印技术解决生活中实际问题的便利。

  教学重点与难点

  教学重点:理解布尔运算中,差集、交集和并集的作用;

  教学难点:在壳修改器中,通过调整参数来精确控制壳的厚度。

  教学工具

  3D打印机,失去盖子的风扇开关,直尺,3d Max软件。

  教学过程

  一、问题提出

  学生通过观察发现生活中有很多电器的开关盖子会受到损坏或者丢失,除了重新购买开关盖之外(有些也比较难买到),教师引导他们通过现有的技术——3D打印来制造合适的开关盖。

  本课聚焦现有的电风扇开关旋钮盖丢失的问题,引导学生观察开关旋钮的结构,确定可以使用3D建模与打印解决该问题。而解决该问题的过程和方法,将是本课着重学习的内容。

  二、需求分析

  本课要解决的问题,是为失去旋钮盖的风扇开关(如图1)设计新盖子。因此我们需要了解风扇开关旋钮的形状和尺寸,以及风扇开关旋钮和旋钮盖的关系。

  1.风扇开关旋钮的形状和尺寸

  学生通过观察发现,风扇开关旋钮的形状为一个圆形切去一块,类似字母“D”的形状。用直尺测量得知风扇开关旋钮的直径为7毫米,被切去的部分线段长为6毫米。(如图1所示)

  

  2.风扇开关旋钮与旋钮盖的结构关系

  风扇开关旋钮和旋钮盖是什么关系呢?首先,我们要设计的旋钮盖要能够无缝包裹住风扇开关旋钮。通过测量得知,风扇开关旋钮非常细,那么我们设计的旋钮盖是不是也需要很细呢?根据生活经验,为了方便人们的使用,生活中的开关旋钮盖的直径大多达到10毫米以上。那么如何让旋钮盖既无缝包裹住开关旋钮,同时又在尺寸上有所增大,以便人们使用呢?

  解决的方法是:无缝包裹风扇开关旋钮的盖子外面再套一个盖子,以便于人们的使用。为了方便区分,我们把无缝包裹风扇开关旋钮的盖子称为旋钮盖的内壳,内壳外的盖子称为旋钮盖的外壳,内壳和外壳的功能要点如表1所示。

  三、模型实现

  通过教师的讲解和微视频文件的学习,学生对壳命令和布尔命令操作开展学习,在模仿操作的基础上完成个人作品的设计与建模。

  1.开关旋钮盖内壳的建模

  学生通过测量得到风扇开关旋钮的直径约为7毫米,缺口线段约为6毫米。内壳需要无缝地将旋钮包裹起来,其实现方式如下:

  步骤一:在3dMax中建立一个圆柱体和一个正方体;

  (1)创建圆柱体,圆柱体的底圆半径为3.5毫米,高度为6毫米;

  (2)创建正方体,正方体的边长为6毫米;

  (3)在顶视图进行移动操作,使正方体和圆柱体相交。

  步骤二:通过3dMax软件中的布尔命令得到和开关旋钮外形一致的多面体:

  (1)选择圆柱体(操作对象A);

  (2)在几何体面板的下拉菜单中选择“复合对象”,在对象类型中点击“布尔”;

  (3)在操作中选择“差集(A-B)”,点击“拾取操作对象B”;

  (4)选择正方体,至此我们就得到了和风扇开关旋钮外形一致的多面体。(如图2所示)

  

  步骤三:通过壳命令得到风扇开关旋钮盖内壳,具体步骤为:

  (1)右击步骤二得到的多面体,在弹出的菜单中选择“转换为可编辑多边形”;

  (2)在“选择”中点击“多边形”,选中多边形的顶面并删除;

  (3)在修改器面板中选择“壳”命令,在参数中,将“外部量”设置为0.5毫米。(如图3所示。因为要包裹住开关旋钮,所以壳命令参数设置为“外部量”,外部量是指从已有图形向外延伸一定的厚度。如果选择“内部量”将导致开关盖内壳偏小。)

  

  2.开关旋钮盖外壳的建模

  外壳的形状虽然没有严格的要求,但是外壳必须要具备方便使用的功能,并且尽可能的美观和防滑。本环节可以请学生结合生活中的经验和自己个人的创意绘画出外壳的形状,教师对学生画出的外壳草图进行展示、交流与点评。

  在确定形状后,学生们就需要根据形状制作风扇开关旋钮盖的外壳了。这里需要用到3dMax软件的挤出命令和壳命令,以图4中的图形为例,具体步骤为:

  (1)在顶视图中绘制自己设计的外壳轮廓;

  (2)在修改器面板中选择“挤出”命令,在参数中,将“数量”设置为6毫米;

  (3)将步骤(2)中的立体转化为可编辑的多边形并删除顶面;

  (4)在修改器面板中选择“壳”命令,在参数中调整壳厚度(此处参数使用“内部量”或者“外部量”均可,厚度建议为0.5毫米)。

  

  3.合并开关旋钮盖的内外壳

  在合并内外壳之前,学生们需要调整内外壳的位置:首先需要将内壳放在外壳正中央,然后两者的底面要在同一平面,最后在3dMax软件中使用布尔命令中的并集来合并内壳和外壳。

  至此,我们的风扇开关旋钮盖就设计完成了!(图5为范例)

  内部图 外部图

  

  四、打印、测试和评价

  学生打印旋钮盖结束后,在教师的指导下进行展示、测试和评价。测试的方式是学生直接把旋钮盖放在风扇开关旋钮上进行旋转(如图6所示),检验旋钮盖能否正常使用以及旋钮盖的设计是否合理。

  

  在测试和评价的过程中,教师让学生发现并说明作品的优点和有待改进之处,并明确其改进的方法。例如,有的学生设计的旋钮盖内壳尺寸偏小,从而在测试时无法套进开关旋钮;有的学生设计的旋钮盖外壳过于尖锐从而不方便使用。展示、测试和评价环节增强了学生交流反思的能力,同时让学生对3D建模和3D打印有了更深入的认识。学生经历的问题提出、需求分析、模型实现、模型打印与教学评价这一整个创客教学过程,使他们的创造能力和问题解决能力提到锻炼和提高,有利于学生科学研究习惯的养成。

  教师简介

  徐芬芬 上海市梅陇中学信息科技教师,学校3D创新实验室和智慧学习实验室负责人,从事3D创新教学3年,参与编写3D打印校本教材,指导学生设计的3D打印作品多次获市区级奖项。

标签:风扇开关;开关旋钮;旋钮
责任编辑:秦倩清(实习)