第二部分 单元教学设计13 三维打印技术应用-高中信息技术和通用技术单元教学设计

  第二部分  通用技术   单元教学设计 13  三维打印技术应用　 297 << 单元教学设计 13 三维打印技术应用 张钰林  石家庄第二外国语学校 一、单元主题：自行车手机支架的设计与制造 学生学习完三维打印原理、三维产品技术分析、三维模型设计等内容后，便可 开始学习三维打印技术应用相关知识，设计并制造实用且结构简单的产品以及对制 造的产品进行后期加工、组装与测试。本单元基于江苏凤凰教育出版社出版的《通 用技术（选择性必修 11）：产品三维设计与制造》（简称苏教版《产品三维设计与制 造》）第四章的第二部分，旨在通过自行车手机支架的设计与制造，使学生学习如何 制订满足产品设计要求和三维打印成型工艺要求的方案，学会通过比较、权衡和优 化等方式，确定最终的解决方案，进一步培养学生的物化能力、工程思维和创新设 计等通用技术学科核心素养。 二、单元内容 （一）单元概念 本单元需要学生掌握的概念有产品三维数字模型设计、产品三维数字模型装配。 >> 298 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 （二）单元内容分析 本单元教学包括分析自行车手机支架需求、设计自行车手机支架产品的方案、 设计自行车手机支架、制造与测试自行车手机支架产品四个阶段。 第一阶段为分析自行车手机支架需求。产品需求分析是产品开发人员通过深入 细致的调研和分析，准确把握用户对产品的外观、结构、功能、可靠性、生命周期 等具体要求，从而将用户的需求转化为完整的需求定义，最终确定设计者要解决哪 些问题的过程。 第二阶段为设计自行车手机支架产品的方案。设计可安装在自行车上的手机支 架，应坚持合理的人机关系，把人和手机支架作为一个整体来考虑，力求达到高效、 健康、舒适、安全的目标。 第三阶段为设计自行车手机支架。使用计算机三维建模软件构造出设计和后续 工作所需的三维数字模型。 第四阶段为制造与测试自行车手机支架产品。对三维数字模型进行装配和测试。 三、单元目标 （一）学业要求 能将三维设计数据转化为三维打印机加工数据，同时对加工中出现的常见问题 进行分析和处理；能根据需要设计合适的打印支撑架；能根据实际需求，完成测量、 绘制草图、用计算机绘制三维设计图、在虚拟环境中进行测试与优化，并用三维打 印机进行制造、安装与调试。 （二）单元素养目标 1. 工程思维 制订同时满足产品设计要求和三维打印成型工艺要求的技术设计与制造方案， 并通过比较、权衡和优化，确定最终解决方案。   第二部分  通用技术   单元教学设计 13  三维打印技术应用　 299 << 2. 图样表达 利用一款三维设计软件将设计方案转换成三维数字模型，并对所设计产品的三 维数字模型进行优化、渲染和测试，掌握将三维数字模型转换成相应二维机械加工 图的方法，了解实用图形的分层和每层的路径规划。 3. 物化能力 使用一款三维打印机的切片软件，对所设计的三维数字模型进行分层切片、路 径规划及相关参数的设定，并转化成打印机的运行指令文件；应用产品的三维设计 与三维打印技术，设计并制造一个实用且具有简单组合结构的产品；对制造好的产 品进行后期加工、组装与测试。 四、单元教学策略 本单元按照目标设定、情境导入、任务引领、活动贯穿教学顺序讲解技术原理、 思想和方法，并强化学生运用技术原理分析和解决实际问题的能力，发展技术意识 和工程思维；通过丰富多彩的具有设计性、探究性、创造性的活动激发学生的开放 性思维、批判性思维和创造潜能，使学生的创新能力得到进一步发展。注重培育学 生的工匠精神，通过作品制作、工艺实践、方案物化及优化等，培养学生严谨细致、 专心致志、精益求精、追求卓越等良好品质（表 2-93）。 表 2-93  项目设置表 序  号 内  容 项  目 1 产品需求分析 分析自行车手机支架需求 2 设计自行车手机支架产品的方案 设计自行车手机支架产品的方案 3 使用计算机三维建模软件设计三维数字模型 设计自行车手机支架 4 制造与测试产品 制造与测试自行车手机支架产品 >> 300 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 五、课时安排及重点 （一）课时安排 课时安排如表 2-94 所示。 表 2-94  单元课时安排 阶  段 内  容 课  时 第一阶段 ：分析自行车手机支架需求 产品需求分析 1 第二阶段 ：设计自行车手机支架产品的方案 设计自行车手机支架产品的方案 2 第三阶段 ：设计自行车手机支架 使用计算机三维建模软件设计三 维数字模型 2 第四阶段 ：制造与测试自行车手机支架产品 制造与测试产品 2 （二）教学重点 （1）设计自行车手机支架产品的方案。 （2）使用计算机三维建模软件设计三维数字模型。 （3）体验将设计方案进行物化的全过程。 （三）教学难点 工程思维、物化能力学科素养的培育。   第二部分  通用技术   单元教学设计 13  三维打印技术应用　 301 << 六、单元评价设计 （一）学业质量 通过本单元学习，学生能就某一具体技术领域中明确的技术问题，运用系统分 析的方法，识别技术问题的特性和细节，明确制约条件和各种影响因素，提出可能 的解决方案。能综合运用多种方法，挖掘用户的潜在需求，多视角认识所要解决的 技术问题，增强对用户需求和技术问题的敏感性。能将简单的设计方案用二维、三 维设计软件表现出来，并不断进行优化和改进。能严谨细致地完成模型或产品的成 型制作和装配，并对模型或产品进行基本的技术指标测量。 （二）评价内容 评价内容如表 2-95 所示。 表 2-95  单元评价内容 项  目 学业质量 核心素养 质  量 水  平 产品需求分析 能综合运用多种方法，挖掘用户的潜在需求，多视角认 识所要解决的技术问题，增强对用户需求和技术问题的敏 感性 3 创新设计 产品的方案 能就某一具体技术领域中明确的技术问题，运用系统分 析的方法，识别技术问题的特性和细节，明确制约条件和 各种影响因素，提出可能的解决方案 3 工程思维 设计的模型 能将简单的设计方案用二维、三维设计软件表现出来， 并不断进行优化和改进 3 图样表达 产品的制造 能严谨细致地完成模型或产品 3 物化能力 产品的组装 能严谨细致地完成模型或产品的成型制作和装配 3 物化能力 产品的功能 对模型或产品进行基本的技术指标测量 3 物化能力 >> 302 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 七、课时教学设计 （一）课时 1  分析自行车手机支架需求 1. 目标设定 （1）技术意识。从多个维度进行需求分析，如市场分析、竞争产品分析和实际 产品使用场景分析。 （2）工程思维。依据分析结果提出需要解决的问题及解决问题的策略。 2. 情境导入 人们外出游玩时经常租用自行车游览城市风光，但由于不熟悉道路常常迷路。 如今手机导航普及，再也不怕迷路了。调查发现在骑行时查看手机导航非常不方便， 容易造成交通事故，有时甚至可能危及生命安全。 3. 任务引领 分析自行车手机支架需求。 4. 活动贯穿 活动 1 ：市场调查手机支架的类型。 【马上行动】阅读苏教版《产品三维设计与制造》第 68 页，分析不同类别自行 车手机支架的优缺点，填写表 2-96。 表 2-96  不同类别自行车手机支架的优缺点 序  号 自行车手机支架类别 优  点 缺  点 1 夹合式手机支架 2 硅胶手机支架 3 手机壳式手机支架 讨论：市面上可安装在自行车上的手机支架产品种类很多，各有优缺点，它们 对自己设计手机支架有什么启发？ 活动 2 ：骑车使用手机试验。   第二部分  通用技术   单元教学设计 13  三维打印技术应用　 303 << 为了验证学生分析的原因是否符合真实情况，也为进一步优化设计，组织学生 从自行车手机支架的实际使用场景分析入手，进行“骑车使用手机试验”。 体验目的：通过使用自行车手机支架的实际体验，学生可进一步了解骑行人与 自行车手机支架之间的人机关系及自行车手机支架要实现的目标。 情境展示：市面上可安装在自行车上的手机支架产品种类很多，但使用者寥寥 无几，这究竟是什么原因？ 问题分析：不同形状和材质的自行车手机支架在不同路面上的适应性不同，手 机支架的高度和角度应该与人骑车时对手机高度和角度的要求一致；不同的自行车 手机支架与自行车连接的便捷程度也是重要的标准。 活动准备：准备多种市面流行的手机支架以及自行车、刻度尺、扳手。 主要过程：在自行车上分别安装不同的手机支架，选择不同身高的学生进行骑 行体验，记录学生对不同手机支架的使用体验和学生的实际需求。 结论：总结骑行人对自行车手机支架产品的基本要求，比如对安装和分离的要 求；在颠簸的路面上骑车时，对手机支架的要求；对手机支架高度的要求；对手机 支架携带方面的要求等。 讨论： 市面上成品自行车手机支架大多固定在自行车把手上，这种方式有哪些优缺点？ 从人机关系角度分析，人们在骑车过程中需要查看手机，最适合的高度是多少？ 从安全角度分析，哪种手机支架更安全？对产品设计又提出了哪些新的要求？ 活动 3 ：明确“可安装在自行车上的手机支架”产品的设计要求。 产品的设计要求可记录在表 2-97 中。 表 2-97  产品的设计要求 序  号 设计要求 1 2 3 4 >> 304 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 （二）课时2  设计自行车手机支架产品的方案 1. 目标设定 （1）创新设计：制定同时满足产品设计要求和三维打印成型工艺要求的技术设 计与制造方案。 （2）工程思维：通过比较、权衡和优化，确定最终解决方案。 2. 情境导入 设计可安装在自行车上的手机支架，应坚持合理的人机关系，把人和手机支架 作为一个整体考虑，力求达到高效、健康、舒适、安全的目标。根据上节课确定的 “可安装在自行车上的手机支架”产品设计要求，设计具体方案。 3. 任务引领 设计自行车手机支架产品方案。 4. 活动贯穿 活动 1 ：分析和研究自行车手机支架产品设计的限制条件以及自行车手机支 架产品的定位。 （1）收集自行车手机支架产品的信息资料，并进行分析整理。 （2）明确自行车手机支架产品设计的限制条件。 （3）完成本组自行车手机支架产品的设计定位。 活动 2 ：功能设计。 针对所选的设计课题，明确自行车手机支架产品应有哪些功能，思考怎样实现。 活动 3 ：选择技术原理。 选择一种技术原理以实现自行车手机支架产品的伸缩和角度调节功能。 活动 4 ：结构设计。 明确自行车手机支架产品设计选用哪种结构类型，画出简要的示意图。 活动 5 ：确定方案。 根据“可安装在自行车上的手机支架”产品的设计要求，结合自己的思考，写 出设计方案（表 2-98），并画出手机支架设计草图。   第二部分  通用技术   单元教学设计 13  三维打印技术应用　 305 << 表 2-98  设计方案 手机支架设计草图 设计细节说明 （三）课时3  设计自行车手机支架 1. 目标设定 （1）物化能力：利用一款三维设计软件将设计方案转换成三维数字模型。 （2）图样表达：对所设计产品的三维数字模型进行优化、渲染和测试，掌握将 三维数字模型转换成相应二维机械加工图的方法。 2. 任务引领 根据自己设计的手机支架草图，在三维设计软件中设计产品三维制造图样。 3. 活动贯穿 活动 1 ：利用一款三维设计软件绘制手机固定组件。 设计时，应思考以下两个问题。 （1）手机固定组件可调节的宽度是由什么决定的？采用怎样的尺寸比较合理？ 为什么？ （2）手机固定组件还可以怎样设计使手机安放更稳固、更便捷或者更美观？ >> 306 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 画出设计草图，并通过三维设计软件绘出三维制造图样。 活动 2 ：利用一款三维设计软件绘制手机高度调节组件。 设计时，应思考以下两个问题。 （1）手机高度调节组件的两个连杆长度是由什么决定的？采用怎样的尺寸比较 合理？ （2）有没有更好的手机支架与自行车把手的连接方式？ 画出设计草图，并通过三维设计软件绘出三维制造图样。 活动 3 ：利用一款三维设计软件绘制固定把手组件。 设计时，应思考以下两个问题。 （1）固定把手组件可调节的宽度是由什么决定的？采用怎样的尺寸比较合理？ （2）手机支架与自行车固定把手组件有没有其他设计方法？ 画出设计草图，并通过三维设计软件绘出三维制造图样。 4. 量化评价 学习评价如表 2-99 所示。 表 2-99  学习评价表 评价内容 评价方式 自我评价 小组评价 教师评价 过程评价 师生互动 能积极思考教师提出的问题 能基于已有经验构建新的知识体系 能积极参与课堂讨论 实践活动 活动 1 ：绘制手机固定组件 活动 2 ： 绘制手机高度调节组件 活动 3 ：绘制固定把手组件 结果评价 目标实现 将设计方案转换成三维数字模型 （物化能力） 对三维数字模型进行优化、渲染 和测试（图样表达） 将三维数字模型转换成相应的二 维机械加工图（图样表达） 收获反思 改进优化 成果展示 收获感悟，反思不足   第二部分  通用技术   单元教学设计 13  三维打印技术应用　 307 << （四）课时4  制造与测试自行车手机支架产品 1. 目标设定 （1）物化能力 1 ：使用一款三维打印机的切片软件，对所设计的三维数字模型 进行分层切片、路径规划及相关参数的设定，并转化成打印机的运行指令文件。 （2）物化能力 2 ：应用产品的三维设计与三维打印技术，设计并制造一个实用 且具有简单组合结构的产品；对制造好的产品进行后期加工、组装与测试。 2. 任务引领 制造与测试自行车手机支架产品。 3. 活动贯穿 活动 1 ：装配测试。 在三维设计软件中实现模型组件的实时移动、旋转和约束对接等可视化装配 操作。 思考： （1）在三维设计软件中进行装配有什么作用和意义？ （2）若装配过程中发现设计存在问题，如何修改？ 活动 2 ：利用三维打印进行制造。 主要包括手机固定组件的制作、手机高度调节组件的制作、固定把手组件的 制作。 活动 3 ：三维打印后的处理。 三维打印后需要进行砂纸打磨、抛光等处理。 活动 4 ：最终产品测试。 把手机支架安装到自行车把手上，进行观察与调试。 >> 308 　高中技术单元教学设计（信息技术和通用技术）　 4. 量化评价 学习评价如表 2-100 所示。 表 2-100  学习评价表 评价内容 评价方式 自我评价 小组评价 教师评价 过程评价 师生互动 能积极思考教师提出的问题 能基于已有经验构建新的知识体系 能积极参与课堂讨论 实践活动 活动 1 ：装配测试 活动 2 ：利用三维打印进行制造 活动 3 ：三维打印后的处理 活动 4 ：最终产品测试 结果评价 目标实现 对所设计的三维数字模型进行分层 切片、路径规划及相关参数的设定， 并转化成打印机的运行指令文件（物 化能力 1） 对制造好的产品进行后期加工（物 化能力 2） 收获反思 改进优化 成果展示 收获感悟，反思不足 八、反思提升 本单元基于学生现实生活中遇到的真实问题创设教学情境，进行技术设计与制 作。项目载体选择自行车手机支架的设计与制造。项目采用任务引领、活动贯穿的 方式，循序推进，构建学科核心知识。学生在项目开展和实施中不知不觉间实现知 识传递、迁移和融合。通过自行车手机支架的设计与制造，学生亲历工艺及方案实 现的整个过程，充分体现了通用技术学科提倡的“做中学，学中做”的理念，提高 了创新能力和实践能力。 本单元基于产品三维设计与制造技术，使用三维设计软件和三维打印技术完成   第二部分  通用技术   单元教学设计 13  三维打印技术应用　 309 << 一个简单的项目任务，使学生感受三维打印技术的特有加工功能和解决实际问题的 过程。通过调查研究自行车手机支架课题，学生在真实情境中寻找问题、探索解决 问题的途径，掌握了三维设计与制造的方法。通过本单元的学习，学生工程思维得 到了提升，创新设计能力得到了提高，图样表达、物化能力得到了进一步发展，团 队协作能力和交流表达能力也得到了提高，很好地实现了课程单元教学目标。