神奇的夜光杯

學習背景

21世紀的教育，以培養具有創新精神和創新能力的新型人才，推動社會發展和進步為使命。2015年，李克強總理在政府工作報告中提出“大眾創業，萬眾創新”，更把“創新”提升到了一個前所未有的高度。這幾年，我校嘗試將3D打印技術引入信息技術課堂，以貼近學生生活為出發點，進行課程的設計與實踐。“神奇的夜光杯”是我校校本課程“3D打印與創客”中的一個活動。本活動將3D打印和電子電路知識進行結合，學生設計制作倒入水以后能夠發光的高腳杯。

教學目標

知識與技能 掌握放樣工具的使用，了解三極管的工作原理，能設計簡單的電路。

過程與方法 通過觀察和分析，繪制簡單的設計圖；通過自主探究，掌握123D中放樣工具使用的基本方法，設計簡單的電路。

情感態度與價值觀 在制作高腳杯的過程中感受3D建模的神奇，激發興趣，培養自主探究能力和創新精神。

教學重點與難點

教學重點 掌握放樣工具的使用，了解三極管的作用，能設計簡單的電路。

教學難點 能夠靈活使用放樣工具，利用3D打印設計創意作品。

教學準備

PPT課件、高腳杯實物、廣播軟件、LED燈、電阻、三極管、電池倉、紐扣電池等。

教學過程

本課計劃三個課時完成：分析任務，畫出設計小樣，測量出尺寸；學習123D的放樣工具，設計高腳杯外形；搭建創意電路，完成高腳杯的設計。

在第三課時前，教師需要幫助學生打印出高腳杯的模型。

第一課時：分析任務

一、創設情境，引入主題

教師展示婚慶現場并拿出一個玻璃高腳杯，要求：在高腳杯杯身進行再次創作，增加婚慶現場的浪漫氣氛。

二、小組合作解決問題

1.構思設計

教師組織學生討論設計方案，引導學生以增加燈光的方式烘托氣氛。學生以小組為單位進行方案的設計并交流。師生共同評價方案，最后確定最佳方案：將高腳杯從杯身部分切開，上半部分（如圖1左）用來盛放液體，底部封閉；下半部分（如圖1右）用來放置電路。

2.繪制草圖

學生測量高腳杯的實物圖，然后在紙上根據討論出的方案繪出草圖。

第二課時：利用123D設計高腳杯

一、分析模型

師：我們以前的設計都是將模型分解成為一個個基本圖形，然后進行拼接消減。現在我們來看這個高腳杯如何去分解？（學生思考回答）

師：我們發現高腳杯有些部分不能用我們常見的圖形去分解操作，今天我們來學習一個新的建模方法——放樣。（教師對如圖2的高腳杯上半部分做演示講解）

師：上面的模型不是基本幾何體，無法直接建模。但它有特點，即對稱且橫截面都是圓，只是大小不同。再仔細觀察，可以發現有幾處關鍵截面——底部、腰部和瓶口。如果能利用這幾處做出杯身就好了。（如圖3）

二、學習制作高腳杯

第一步，點擊菜單“基本幾何體—圓”，拉出一個圓。（如圖4）

第二步，點擊拉出的圓并復制一個圓，自動出現移動新圓的箭頭。（如圖5）拖動向上的箭頭（Z軸）或在對話框中輸入10mm，得到上下兩個圓。

學生在操作過程中會出現復制不了的問題，教師講解關鍵點：選中圓圈還是選中圓面。如果你在圓的邊緣點擊，選中的是圓圈；把光標移到圓中，出現綠色光環再點擊，才會選中整個圓面，中間是藍色的。

第三步，修改截面大小。選中第二個圓，點擊圓的邊緣，就會標注圓的直徑。（如圖6）選中圓的邊緣，按住鼠標左鍵拖動即可修改圓的大小。

第四步，放樣。拖動右鍵，選擇一個俯視的角度，點中底部圓面，再按住Shift鍵，依次點中上面三個圓面；光標移到小齒輪，出現快捷菜單，點擊放樣（如圖7），回車（也可以在主菜單上找到“構建—放樣”）。放樣后，教師引導學生通過調整控制點來修整圖形（如圖8）。

學生在操作過程中會出現無法放樣的問題，教師給予提示：選中圓面有技巧，讓光標在圓的中間移動，等邊緣變綠了再點擊。選中圓面后中間會變藍色，否則沒選中。放樣后的圖形和想象的一樣，教師引導學生關注圓面選擇的順序問題。

剩下的操作是抽殼，我們的杯子需要能夠透光，所以抽殼時要注意殼厚度。

三、學生自主設計

學生根據小組的草圖，設計高腳杯的下半部分。

四、展示交流

組內展示并評選出最佳設計，教師在課下進行切片打印。其余學生的作品以小組為單位，由組長收齊后上交教師，教師在活動結束后集中打印。

第三課時：電路設計，組裝調試

一、搭建簡易電路

學生在四年級已經接觸過電路的基本知識，因此教師僅需告訴學生LED燈正負極的辨識，讓學生根據已學知識搭建一個簡單的電路。教師選擇其中一個學生設計進行測試，測試時會發現將開關處的導線兩端放入水（酒）中，LED燈不亮；將導線兩端直接接觸，LED燈發光。教師提問：為什么會出現這樣的現象，怎樣解決？

二、學習新知，搭建電路

在學生思考后，教師給出答案：水（酒）的導電率很小，無法達到LED發光的電壓，因此需要借助其他工具來解決，進而引出三極管。教師講解三極管的作用：三極管是一種控制電流的半導體器件，其作用是把微弱的信號放大成幅度值較大的電信號，也用作無觸點開關。三極管三條引線分別稱為發射極e（Emitter）、基極b（Base）和集電極c（Collector）。（如圖9）

如何連接？教師出示電路圖，帶領學生利用電路圖搭建電路。（如圖10）學生嘗試利用杜邦線搭建電路，測試電路。

三、組裝調試，完成作品

教師指導學生完成作品的組裝，將導線兩端從高腳杯底部穿出，用熱熔膠將縫隙封住，注意導線金屬部分不要用熱熔膠封住。將電路放置好后，用熱熔膠或膠帶將兩部分組合在一起。

四、作品展示，反思及創新

教師引導學生對本組作品的不足之處進行反思，鼓勵學生觀察生活，多思考，利用3D打印技術將創意變為現實。

實踐反思

本課的設計重點在于讓學生體驗“創意物化”的過程，通過項目制作，讓學生有機會綜合應用3D打印和電子電路等多種知識技能，鼓勵學生將所學技能應用于自己的實際生活。

在教學實施的過程中，學生對夜光杯的神奇，即電子電路的實現充滿好奇，能夠完成制作，但對原理的理解相對困難。對造型設計上所使用的3D打印技術學生能夠較快掌握，但是啟發學生的造型設計創意相對困難，在今后的教學中可鼓勵學生設計出更加個性化的產品。

專家點評

本節課是對3D打印課程在學校中有效實施途徑的一種有益嘗試，將3D打印與電子電路知識相結合，以項目制的學習方式開展教學活動，使學生能夠學以致用，將所學技術應用于實際生活。本節課以神奇的夜光杯為主題，指導學生應用3D打印技術進行創意產品原型設計，這一創作活動不僅可以提高學生的創新意識和創新能力，也是指導學生理解和應用設計思維很好的機會。（趙宇，中國人民大學附屬中學實驗小學高級教師，北京市海淀區信息技術學科帶頭人）