沈志宏   上海外国语大学附属浙江宏达南浔学校信息技术教师，中小学一级教师，浙江省湖州市技术能手，南浔区教学能手，3D打印造型师（国家职业资格三级）。曾辅导学生在2017年全国中小学生电脑制作活动中获3D创意设计三等奖；2018年荣获第二届湖州市“南太湖计划”青少年创客大赛一等奖；2019年中国科学院ACME未来科技挑战赛无人机自动巡航与定点降落竞赛冠军。个人著作《轻松玩转3D One与3D打印》由人民邮电出版社于2018年5月出版发行。

教学背景

由于新冠肺炎疫情的特殊性，学生返校后在校园内的学习、生活都需要遵循上级部门和学校的防疫要求，例如在课间休息、就餐排队、体育课时，需要保持一米的距离，不能出现扎堆现象。但在实际实施过程中，小学生的年龄特征使得他们很难做到时刻保持一米距离，尤其是低年级的小学生，天生活泼好动，难以管教。班主任很烦恼，学生也很痛苦，那么有什么好的方法可以帮助解决教师和学生的困扰呢？
 

在这样的前提下，本课例以保持一米距离的要求为依据，使用3D One和开源硬件、图形化编程，设计并制作一款排队提示装置，可以让学生每人佩戴一件，时刻提醒学生保持距离，解决师生的困扰。

教学目标
 

1.学会利用3D One设计排队提示装置的外壳，并结合硬件合理设计安装位，培养学生的动手能力和设计思维；
 

2.了解好好搭搭“好搭酷mini”、超声波模块的工作原理；

3.学会通过编程实现“一米距离”提醒功能，培养学生的计算思维、高阶思维。
 

教学准备

好好搭搭“好搭酷mini”、超声波模块、蜂鸣器模块、LED模块、锂电池、开关、杜邦线、电烙铁、热熔胶枪、游标卡尺。
 

教学重点与难点
 

教学重点 根据学生的特点设计个性化的排队提示装置外壳，同时根据开源硬件的尺寸实现各模块及线材的精准安装。
 

教学难点 理解好好搭搭“好搭酷mini”、超声波模块的工作原理，通过编写程序实现“一米距离”提醒功能。

教学过程
 

一、现场观察，提出问题
 

教师带领学生观察同学课间休息、中午就餐和体育课时的活动情况，详细记录在这些过程中出现的不符合防疫要求的现象，让学生讨论如何让人们保持距离，不出现扎堆现象。
 

学生思考并进行交流和分享。
 

二、初识开源硬件，畅想创意设计
 

“好搭酷mini”是一款针对造物的核心板（如图1），造型小巧，便于与各种通用模块连接，并且采用U盘下载模式，使程序下载更加简单，用户可展现无穷的想象，进行简单又有趣的造物之旅。

超声波模块只需提供一个10μs以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号则输出回响信号，由此通过对发射信号到回响信号的时间间隔进行计算可得到距离，有效探测距离范围为4—400cm。
 

三、创意设计，实践探究
 

（一）精准测量，合理规划

教师引导学生使用游标卡尺测量“好搭酷mini”、超声波模块、蜂鸣器模块、LED模块、开关的外形数据并记录。
 

（二）外形设计
 

1.打开3D One，在网格面中绘制一只小熊的外形草图，头部圆半径35mm，耳朵圆半径20mm，随后利用“修剪”命令将多余的线条进行删除并点击“完成”按钮退出草图绘制界面。

2.使用“拉伸”命令将小熊的外形草图进行拉伸，拉伸高度为30mm；选择“抽壳”命令对小熊造型进行抽壳，厚度为-3mm，开放面选择小熊造型的顶面。

（三）装配设计
 

在设计的过程中，可将超声波模块和蜂鸣器模块设计成小熊的眼睛和嘴巴，这样方便模块的安装和使用。
 

1.调整视图导航器到“下”视图，使用“直线”命令点击小熊造型的底面进入草图，沿圆心向左右两侧各绘制一条长15.3mm的线段；接着选择“圆形”命令，以线段的左右两个端点为圆心，各绘制一个半径为8.5mm的圆形；随后以坐标（0，30）为圆心绘制一个半径为6.5mm的圆形，最后删除两条辅助用的线段。
 

2.使用“拉伸”命令，拉伸小熊造型上的三个圆形草图，拉伸高度-15mm，选择“减运算”参数。

3.使用“圆柱体”命令在小熊造型的侧面，两只耳朵中间的中心处绘制一个半径为2.5mm的圆柱体，高度为-40mm，选择“减运算”参数；随后在小熊造型的两只耳朵上使用“圆柱体”和“镜像”命令各绘制一个半径为1.5mm、高度为-15mm的圆柱体；随后选择“组合编辑”—“减运算”参数，“基体”选小熊造型，“合并体”选耳朵上绘制的圆柱，点击“确定”完成挂绳孔的制作。
 

（四）底盖设计
 

1. 选择“参考几何体”命令，点击小熊造型边框顶面进入草图，依次点击小熊造型的边框外边线，完成底盖草图的绘制；选择“拉伸”命令拉伸草图，拉伸高度3mm；点击“移动”—“动态移动”参数，拖动Z轴方向的箭头，移动距离35mm。
 

2.再次选择“参考几何体”命令，点击小熊造型边框顶面进入草图，依次点击小熊造型的边框内边线，完成草图绘制；选择“拉伸”命令对草图进行拉伸，拉伸高度2mm；点击“移动”—“动态移动 “组合编辑”—“加运算”参数，将两块底盖造型进行组合。
 

3.使用“六面体”命令，在底盖上合适位置绘制一个长15mm、宽7.5mm、高20mm的六面体；随后点击“移动”命令，选择“动态移动”参数，拖动Z轴方向的箭头，移动距离-22mm；选择“组合编辑”—“减运算”参数，“基体”选底盖，“合并体”选六面体，点击“确定”完成开关孔的初步制作。

4.使用浮动工具栏上的“显示/隐藏”—“隐藏几何体”命令，将小熊造型隐藏；选择“六面体”命令，在底盖开关孔上绘制一个长6.5mm、宽4.5mm、高-20mm的六面体，并选择“减运算”参数，完成开关孔的制作。

5.使用浮动工具栏上的“显示/隐藏”—“显示几何体”命令将小熊造型显示；使用“圆角”命令，“边E”选中小熊造型顶面的外边线，圆角距离5mm；随后选中小熊两只耳朵间的连接线执行“圆角”命令，圆角距离5mm。这样，排队提示装置的小熊造型就完成了！（如图2）

（五）切片打印
 

把小熊造型分成外壳、底盖两个模块进行切片，然后通过 3D 打印机进行打印。

四、安装调试
 

（一）模块安装

将准备好的好好搭搭“好搭酷mini”、超声波模块、蜂鸣器模块、LED模块、锂电池、开关、杜邦线，利用电烙铁、热熔胶枪组装在小熊造型中。
 

（二）模块接线
 

将超声波模块、蜂鸣器模块、LED模块和“好搭酷mini”进行连接：超声波模块接在A0接口，LED模块接在D0接口，蜂鸣器模块接在D1接口，锂电池接在电源接口，如图3。

（三）程序设计
进入好好搭搭网站（http://www.haohaodada.com/），登录账号，选择“创作—U 盘下载模式编程—好搭酷mini”，进入程序设计界面，根据功能需求完成程序的设计，如图4。程序设计完成后，将程序下载到“好搭酷mini”，通上电源就可以模拟使用了。

教学反思

疫情返校后，学生的健康成了学校工作的重中之重，学生们虽然明白教师的良苦用心，但有时候他们无法自控，时不时就会出现排队交头接耳、课间休息扎堆的现象。本项目的目的在于让学生自行设计一款能时刻提醒人们保持距离的装置，解决师生学习生活中的困扰，保障自己的健康。

本课例是一个综合性的项目，不仅有三维创意设计，还有开源硬件和编程的运用，既培养了学生的思维能力，同时又培养了学生使用已有的知识储备解决实际问题的能力，提升了学生的综合素质。
 

（本课件由i3DOne青少年三维创意社区推荐）