排隊提示裝置創意設計

沈志宏

教學背景

由于新冠肺炎疫情的特殊性，學生返校后在校園內的學習、生活都需要遵循上級部門和學校的防疫要求，例如在課間休息、就餐排隊、體育課時，需要保持一米的距離，不能出現扎堆現象。但在實際實施過程中，小學生的年齡特征使得他們很難做到時刻保持一米距離，尤其是低年級的小學生，天生活潑好動，難以管教。班主任很煩惱，學生也很痛苦，那么有什么好的方法可以幫助解決教師和學生的困擾呢？

在這樣的前提下，本課例以保持一米距離的要求為依據，使用3D One和開源硬件、圖形化編程，設計并制作一款排隊提示裝置，可以讓學生每人佩戴一件，時刻提醒學生保持距離，解決師生的困擾。

教學目標

1.學會利用3D One設計排隊提示裝置的外殼，并結合硬件合理設計安裝位，培養學生的動手能力和設計思維;

2.了解好好搭搭“好搭酷mini”、超聲波模塊的工作原理;

3.學會通過編程實現“一米距離”提醒功能，培養學生的計算思維、高階思維。

教學準備

好好搭搭“好搭酷mini”、超聲波模塊、蜂鳴器模塊、LED模塊、鋰電池、開關、杜邦線、電烙鐵、熱熔膠槍、游標卡尺。

教學重點與難點

教學重點 根據學生的特點設計個性化的排隊提示裝置外殼，同時根據開源硬件的尺寸實現各模塊及線材的精準安裝。

教學難點 理解好好搭搭“好搭酷mini”、超聲波模塊的工作原理，通過編寫程序實現“一米距離”提醒功能。

教學過程

一、現場觀察，提出問題

教師帶領學生觀察同學課間休息、中午就餐和體育課時的活動情況，詳細記錄在這些過程中出現的不符合防疫要求的現象，讓學生討論如何讓人們保持距離，不出現扎堆現象。

學生思考并進行交流和分享。

二、初識開源硬件，暢想創意設計

“好搭酷mini”是一款針對造物的核心板（如圖1），造型小巧，便于與各種通用模塊連接，并且采用U盤下載模式，使程序下載更加簡單，用戶可展現無窮的想象，進行簡單又有趣的造物之旅。

超聲波模塊只需提供一個10μs以上脈沖觸發信號，該模塊內部將發出8個40kHz周期電平并檢測回波，一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號，由此通過對發射信號到回響信號的時間間隔進行計算可得到距離，有效探測距離范圍為4—400cm。

三、創意設計，實踐探究

（一）精準測量，合理規劃

教師引導學生使用游標卡尺測量“好搭酷mini”、超聲波模塊、蜂鳴器模塊、LED模塊、開關的外形數據并記錄。

（二）外形設計

1.打開3D One，在網格面中繪制一只小熊的外形草圖，頭部圓半徑35mm，耳朵圓半徑20mm，隨后利用“修剪”命令將多余的線條進行刪除并點擊“完成”按鈕退出草圖繪制界面。

2.使用“拉伸”命令將小熊的外形草圖進行拉伸，拉伸高度為30mm;選擇“抽殼”命令對小熊造型進行抽殼，厚度為-3mm，開放面選擇小熊造型的頂面。

（三）裝配設計

在設計的過程中，可將超聲波模塊和蜂鳴器模塊設計成小熊的眼睛和嘴巴，這樣方便模塊的安裝和使用。

1.調整視圖導航器到“下”視圖，使用“直線”命令點擊小熊造型的底面進入草圖，沿圓心向左右兩側各繪制一條長15.3mm的線段;接著選擇“圓形”命令，以線段的左右兩個端點為圓心，各繪制一個半徑為8.5mm的圓形;隨后以坐標（0，30）為圓心繪制一個半徑為6.5mm的圓形，最后刪除兩條輔助用的線段。

2.使用“拉伸”命令，拉伸小熊造型上的三個圓形草圖，拉伸高度-15mm，選擇“減運算”參數。

3.使用“圓柱體”命令在小熊造型的側面，兩只耳朵中間的中心處繪制一個半徑為2.5mm的圓柱體，高度為-40mm，選擇“減運算”參數;隨后在小熊造型的兩只耳朵上使用“圓柱體”和“鏡像”命令各繪制一個半徑為1.5mm、高度為-15mm的圓柱體;隨后選擇“組合編輯”—“減運算”參數，“基體”選小熊造型，“合并體”選耳朵上繪制的圓柱，點擊“確定”完成掛繩孔的制作。

（四）底蓋設計

1. 選擇“參考幾何體”命令，點擊小熊造型邊框頂面進入草圖，依次點擊小熊造型的邊框外邊線，完成底蓋草圖的繪制;選擇“拉伸”命令拉伸草圖，拉伸高度3mm;點擊“移動”—“動態移動”參數，拖動Z軸方向的箭頭，移動距離35mm。

2.再次選擇“參考幾何體”命令，點擊小熊造型邊框頂面進入草圖，依次點擊小熊造型的邊框內邊線，完成草圖繪制;選擇“拉伸”命令對草圖進行拉伸，拉伸高度2mm;點擊“移動”—“動態移動 “組合編輯”—“加運算”參數，將兩塊底蓋造型進行組合。

3.使用“六面體”命令，在底蓋上合適位置繪制一個長15mm、寬7.5mm、高20mm的六面體;隨后點擊“移動”命令，選擇“動態移動”參數，拖動Z軸方向的箭頭，移動距離-22mm;選擇“組合編輯”—“減運算”參數，“基體”選底蓋，“合并體”選六面體，點擊“確定”完成開關孔的初步制作。

4.使用浮動工具欄上的“顯示/隱藏”—“隱藏幾何體”命令，將小熊造型隱藏;選擇“六面體”命令，在底蓋開關孔上繪制一個長6.5mm、寬4.5mm、高-20mm的六面體，并選擇“減運算”參數，完成開關孔的制作。

5.使用浮動工具欄上的“顯示/隱藏”—“顯示幾何體”命令將小熊造型顯示;使用“圓角”命令，“邊E”選中小熊造型頂面的外邊線，圓角距離5mm;隨后選中小熊兩只耳朵間的連接線執行“圓角”命令，圓角距離5mm。這樣，排隊提示裝置的小熊造型就完成了！（如圖2）

（五）切片打印

把小熊造型分成外殼、底蓋兩個模塊進行切片，然后通過 3D 打印機進行打印。

四、安裝調試

（一）模塊安裝

將準備好的好好搭搭“好搭酷mini”、超聲波模塊、蜂鳴器模塊、LED模塊、鋰電池、開關、杜邦線，利用電烙鐵、熱熔膠槍組裝在小熊造型中。

（二）模塊接線

將超聲波模塊、蜂鳴器模塊、LED模塊和“好搭酷mini”進行連接：超聲波模塊接在A0接口，LED模塊接在D0接口，蜂鳴器模塊接在D1接口，鋰電池接在電源接口，如圖3。

（三）程序設計

進入好好搭搭網站（http：//www.haohaodada.com/），登錄賬號，選擇“創作—U 盤下載模式編程—好搭酷mini”，進入程序設計界面，根據功能需求完成程序的設計，如圖4。程序設計完成后，將程序下載到“好搭酷mini”，通上電源就可以模擬使用了。

教學反思

疫情返校后，學生的健康成了學校工作的重中之重，學生們雖然明白教師的良苦用心，但有時候他們無法自控，時不時就會出現排隊交頭接耳、課間休息扎堆的現象。本項目的目的在于讓學生自行設計一款能時刻提醒人們保持距離的裝置，解決師生學習生活中的困擾，保障自己的健康。

本課例是一個綜合性的項目，不僅有三維創意設計，還有開源硬件和編程的運用，既培養了學生的思維能力，同時又培養了學生使用已有的知識儲備解決實際問題的能力，提升了學生的綜合素質。

（本課件由i3DOne青少年三維創意社區推薦）