音樂魔盒創意設計

教學背景

突如其來的疫情使得很多學校延期開學，學生們開啟了居家在線學習模式，長期的線上學習使得部分學生出現了心理問題，沉迷網絡的情況尤為突出。對此，本項目以中國傳媒大學學生心理健康教育中心負責人張靜博士提出的“家庭活動法”為依據，指導學生使用3D One設計并制作一款音樂魔盒，結合編程可隨意變換樂器，或是悅耳動聽的鋼琴，或是熱情激昂的架子鼓，讓家長從接納開始，在家和孩子一起活動，轉移孩子的注意力，解決他們的心理問題。

教學目標

1.學會利用3D One軟件設計音樂魔盒的外殼，并結合硬件合理設計安裝位，培養學生的設計思維;

2.了解“好好搭搭”硬音源模塊（haodaMIDI）的工作原理;

3.學會通過編程設計音樂魔盒的音樂功能，并通過修改參數實現變換樂器，培養學生的高級思維、計算思維。

教學重點與難點

教學重點 根據各模塊尺寸合理設計音樂魔盒外殼，實現各模塊及線材的精準安裝。

教學難點 理解“好好搭搭”硬音源模塊（haodaMIDI）、好搭酷Nano及其擴展板的工作原理，通過編寫程序實現樂器效果。

教學準備

“好好搭搭”硬音源模塊（haodaMIDI）、好搭酷Nano及其擴展板、杜邦線、電烙鐵、熱熔膠槍、厚0.2mm的銅片、打孔器、AUX 3.5mm音頻線、直徑36mm的4歐3瓦小喇叭、數字功放模塊、游標卡尺。

教學過程

一、初識haodaMIDI模塊，構思創意設計

（一）初識MIDI，了解原理 MIDI樂器數字接口解決了電聲樂器的通信問題，它傳輸的不是聲音信號，而是音符、控制參數等指令，指示MIDI設備要做什么、怎么做，如演奏哪個音符、多大音量等。

（二）確定參數及控制代碼? ?信號：1-地，2-電源，3-信號;波特率：31.25×（1±0.01） Kbaud;工作電壓：3.3V;接口：XH2.54mm-3P;尺寸：48mm×24mm。haodaMIDI通信協議為異步串口協議，波特率為31250，只要通過信號線S發送MIDI控制指令，就能驅動haodaMIDI發出各種樂器的聲音。

（三）設計方案，創意分享 根據haodaMIDI模塊的功能，自主選擇搭配模塊進行創意方案設計，隨后邀請部分學生分享自己的設計思路。

二、實踐探究，外觀設計

（一）精準測量，合理定位

使用游標卡尺測量haodaMIDI模塊、好搭酷Nano及其擴展板的外形數據并記錄。

（二）外形設計

1.打開3D One，在網格面中繪制一個長96mm、寬96mm、高45mm的六面體;利用“抽殼”命令對六面體進行抽殼，厚度-2.5mm，開放面選擇六面體的頂面和底面。

2.使用“直線”命令，點擊六面體邊框頂面進入草圖，沿邊框外側邊繪制一個長96mm、寬56mm的草圖，點擊“完成”退出草圖繪制界面;選擇“拉伸”命令拉伸草圖，拉伸高度2mm;選擇“移動”—“動態移動”，拖動黃色移動手柄移動-5mm，完成琴鍵底板繪制。

（三）琴鍵設計

1.在琴鍵底板的中心點上繪制一個長52mm、寬8.4mm、高3mm的六面體;利用“移動”命令中的“動態移動”參數，拖動紅色移動手柄移動2mm;選擇“陣列”—“線性陣列”，沿左右方向各陣列一次，距離40mm，數量5個。

2.隨后使用“圓角”命令對琴鍵進行圓角操作，圓角距離1.5mm，同時對音樂魔盒邊框外角和內角也進行圓角操作，外角圓角距離5mm，內角圓角距離3mm。

3.使用“直線”命令點擊最左側的琴鍵進入草圖繪制界面，在兩個琴鍵間繪制一個長36mm、寬5.2mm的草圖;選擇“拉伸”命令拉伸草圖，拉伸高度-3mm;再在剛才的模型上繪制一個長35mm、寬4.4mm、高5mm的六面體，選擇浮動工具欄上的“隱藏幾何體”命令，將繪制好的六面體隱藏;隨后陣列繪制好的模型，陣列數量8個，距離70mm;刪除從右數起的第2個和第6個模型，點擊“組合編輯”—“減運算”，基體為9個琴鍵，合并體刪除剛才所得剩余的6個模型。

4.選擇浮動工具欄上的“顯示幾何體”命令，將剛才隱藏的六面體恢復顯示;選擇“移動”—“動態移動”，拖動黃色移動手柄移動-3mm;使用“圓角”命令對黑鍵進行圓角操作，圓角距離3mm;選擇“陣列”—“線性陣列”，陣列方向向左，距離70mm，數量8個，刪除從右數起的第2個和第6個黑鍵;點擊“組合編輯”—“加運算”，將琴鍵和音樂魔盒邊框進行組合。

5.選擇“參考幾何體”命令，點擊音樂魔盒邊框頂面進入草圖，繪制音樂魔盒頂蓋的草圖（如圖1）;選擇“拉伸”命令拉伸草圖，拉伸類型“對稱”，拉伸高度5mm。點擊“組合編輯”—“加運算”，將音樂魔盒頂蓋和邊框進行組合。

（四）定位設計

1.使用“直線”命令，點擊最左側的琴鍵進入草圖繪制界面，以琴鍵下方直線的中心點向上繪制一條長5mm的直線，并以這條直線的上方頂點為圓心繪制一個半徑為3.1mm的圓，刪除直線，然后退出草圖繪制;選擇“陣列”—“線性陣列”，陣列方向向右，距離80mm，數量9個;依次對平面圓進行拉伸，選擇“減運算”，拉伸距離-0.2mm。

2.以圓形凹槽的中心作為圓心繪制一個半徑為1.1mm的圓柱體，高-10mm;選擇“陣列”—“線性陣列”“減運算”，陣列方向向右，距離80mm，數量9個。

3.選擇“參考幾何體”命令，點擊音樂魔盒邊框底面進入草圖，參考邊框外側和內側分別繪制音樂魔盒底蓋的草圖;然后分別拉伸兩個底蓋草圖，厚度分別為2.5mm和-2.5mm。隱藏音樂魔盒盒體后將兩個底蓋進行“加運算”組合;完成后恢復盒體，隱藏底蓋。

4.將視圖調整到“左”，使用“直線”命令點擊盒體側面進入草圖，沿左側邊向下繪制一條長10.7mm的直線，再以直線下方端點為起點向右側繪制一條長20.4mm的直線，再以此直線右側端點為起點，向右下繪制一個長12mm、寬10mm的草圖，在下方邊線延長6mm處繪制一個長9mm、寬4mm的草圖，刪除多余的輔助線（如圖2）;拉伸草圖，選擇“減運算”參數，拉伸距離-10mm。

5.將視圖調整到“前”，選擇“圓柱體”—“減運算”，點擊盒體后方繪制一個半徑為18mm、高-20mm的圓柱體，完成喇叭孔位。最后，恢復顯示底蓋。

（五）切片打印

使用3D打印機，把音樂魔盒分成魔盒盒體、魔盒盒蓋兩個模塊進行切片打印并組裝。

三、安裝調試

（一）模塊安裝

將準備好的haodaMIDI模塊、好搭酷Nano及其擴展板、杜邦線、喇叭、AUX 3.5mm音頻線、數字功放模塊、銅片等，利用電烙鐵、熱熔膠槍組裝在音樂魔盒內，擴展板使用9V電源供電。

（二）模塊接線

首先，將好搭酷Nano擴展板和haodaMIDI模塊連接，信號線S接擴展板的D13，G接G，V接V;把9根杜邦線分別接擴展板的D2至D10;喇叭連接到數字功放模塊，將擴展板上的5V和GND接口接到數字功放模塊的電源上;AUX 3.5mm音頻線一頭接haodaMIDI模塊的音頻輸出口，另一頭接數字功放模塊的音頻輸入口。

（三）程序設計

進入好好搭搭網站，登錄賬號，選擇“創作”—“U盤下載模式編程”—“好搭酷Nano”，進入程序設計界面，根據功能需求完成程序的設計。以大鋼琴為例，haodaMIDI模塊接線在D13，因此在初始化程序中選擇D13，通道13，音色選擇為大鋼琴（如圖3）。程序設計完成后，將程序下載到好搭酷Nano，通上電源就可以使用了。

教學反思

疫情期間，學生們在家學習之余，自己動手設計和制件一款放松心情的音樂魔盒，和家長們比一比誰演奏的樂曲更美妙，還可以通過更改程序隨意變換樂器，體驗不同樂器帶來的樂趣，這就是取名“音樂魔盒”的原因。學生們在設計制作的過程中綜合運用多學科知識，培養了跨學科學習的能力，同時設計思維、計算思維等方面的能力也得到了提升。

（本課件由i3DOne青少年三維創意社區推薦）

沈志宏 上海外國語大學附屬浙江宏達南潯學校信息技術教師，中小學一級教師，浙江省湖州市技術能手，南潯區教學能手，3D打印造型師（國家職業資格三級）。曾輔導學生在2017年全國中小學生電腦制作活動中獲3D創意設計三等獎;2018年榮獲第二屆湖州市“南太湖計劃”青少年創客大賽一等獎;2019年中國科學院ACME未來科技挑戰賽無人機自動巡航與定點降落競賽冠軍。個人著作《輕松玩轉3D One與3D打印》由人民郵電出版社于2018年5月出版發行。