基于3D 打印技術(shù)教具的設(shè)計、開發(fā)與制作：以“鳥的雙重呼吸”教具為例

金浪，鄧可

（貴州師范學(xué)院生物科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550018）

1 本研究的意義

此研究是基于3D 打印技術(shù)的設(shè)計、開發(fā)、制作的“鳥的雙重呼吸”3D 立體動態(tài)教具?？梢詰?yīng)用于初中生物教學(xué)中，幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)“鳥的雙重呼吸”這一重難點，從而理解“鳥的雙重呼吸”重要概念。

2 研究內(nèi)容

對“鳥的雙重呼吸”教具進行三維建模并選材，根據(jù)“鳥的雙重呼吸”教具的三維建模進行3D 打印，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對“鳥的雙重呼吸”教具進行光、電的程序編程，制作并完善“鳥的雙重呼吸”3D 動態(tài)教具。

3 具體研究過程

3.1 “鳥的雙重呼吸”立體動態(tài)教具的設(shè)計

3.1.1 設(shè)計依據(jù)

本研究參考初中《生物學(xué)》（人教版）八年級上冊第一章“動物的主要類群”中“鳥的主要特征”內(nèi)容，劉凌云、鄭光美編寫的《普通動物學(xué)》（第4 版）第20 章“鳥綱”中“鳥的主要特征”內(nèi)容，家鴿的呼吸系統(tǒng)包括氣管、肺和氣囊，其肺內(nèi)壁有大量毛細血管，氣囊一般有9 個，分布于內(nèi)臟、骨腔以及某些運動肌肉之間。在此基礎(chǔ)上進行“鳥的雙重呼吸”教具設(shè)計。

3.1.2 設(shè)計圖

根據(jù)鳥的呼吸單位和外貌形狀結(jié)構(gòu)比例，制作教具為長35 cm、寬17 cm、高40 cm。翅膀長度為33 cm、寬為10 cm。鳥的肺外直徑設(shè)置為長10 cm、外直徑4.5 cm、內(nèi)直徑4 cm，氣囊長6 cm、直徑為3 cm，氣管的長度為10 cm，內(nèi)直徑為1 cm。再根據(jù)鳥的呼吸單位的結(jié)構(gòu)示意圖和外形示意圖，設(shè)計并繪制“鳥的雙重呼吸”立體動態(tài)教具的圖紙，如圖1—圖3 所示。

圖1 “鳥的雙重呼吸”教具正面設(shè)計圖

圖2 “鳥的雙重呼吸”立體動態(tài)教具的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 鳥的呼吸器官結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 “鳥的雙重呼吸”立體動態(tài)教具材料的選擇

3.2.1 鳥的外部結(jié)構(gòu)材料選擇

此教具外部結(jié)構(gòu)包括了鳥的外殼、翅膀、鳥頭3個部分。

外殼部分：選擇透明樹脂進行3D 打印。因為該教具應(yīng)用于課堂教學(xué)，所以選擇透明樹脂打印外殼，能讓學(xué)生直觀地觀察家鴿在雙重呼吸過程中肺和氣囊的變化。

翅膀部分：選擇真實羽毛和竹片進行制作，使教具更加逼真。

鳥頭部分：選擇尼龍材料，打印的鳥頭逼真，同時減輕教具的質(zhì)量。

3.2.2 呼吸器官結(jié)構(gòu)材料的選擇

鳥的呼吸器官包括氣管、肺、氣囊3 個部分。

氣管部分：選擇透明樹脂材料，因為家鴿氣管為后壁略扁平的圓筒形管道，所以，選擇透明樹脂通過3D 打印出立體的、比例合適且透明的氣管，這樣能通過LED 燈帶演示觀察到氣管內(nèi)氣體流動情況。

肺部：選擇透明樹脂材料，因為家鴿肺是一個立體的圓錐形結(jié)構(gòu)，所以選擇透明樹脂，并通過3D 打印，體現(xiàn)鳥肺部立體的圓錐形結(jié)構(gòu)的特點。另外，肺上有大量的毛細血管，故用紅色染料在肺上繪制鳥的毛細血管網(wǎng)，模擬肺上的毛細血管網(wǎng)。3D 打印鳥肺可以讓學(xué)生清楚地看到肺內(nèi)LED 燈帶演示氣體流動方向和交換過程。

氣囊部分：氣囊選擇黃色6 cm 長、直徑3 cm 氣球制作，因為氣囊是立體的囊狀結(jié)構(gòu)，選擇氣球可以體現(xiàn)氣囊的囊狀結(jié)構(gòu)、可舒張性和儲存氣體的功能。

3.2.3 控制系統(tǒng)材料選擇

控制系統(tǒng)分為電源適配器、控制器、單向閥3 個部分。

電源適配器：選擇XVE-120100 型號的電源適配器。為了更好地演示鳥的雙重呼吸過程，就需要對電路的供電電源電壓變化進行設(shè)計和控制，根據(jù)教具正常使用的電壓，選擇XVE-120100 型號的電源適配器，使教具得以正常運轉(zhuǎn)。

控制器：選擇UNO-R3 型號的Arduino 單片機，其作用是整體控制教具演示過程中肺、氣囊、燈帶、翅膀的運行。

單向閥：為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計在Arduino 單片機上的一個控制程序，分別控制氣泵的抽氣、充氣，翅膀的上下煽動順序，燈帶的暗、亮順序。使教具有序地做出程序設(shè)計好的動作，完成鳥的雙重呼吸的演示過程。

3.2.4 附屬物部分的材料選擇

本研究制作的教具為3D 立體結(jié)構(gòu)，為了使學(xué)生更容易觀察到立體結(jié)構(gòu)和動態(tài)過程，因此需要設(shè)計附屬物結(jié)構(gòu)，包括動力裝置、支撐裝置、指示裝置。

動力裝置部分：選擇SG90型電壓為5 V舵機馬達、ZR320-02PM 型12 V 電壓充氣泵、抽氣泵、12 V 電池，在鳥的結(jié)構(gòu)中，為了讓學(xué)生理解鳥的雙重呼吸過程，所以設(shè)計了動力裝置，為教具的正常運行提供舵機馬達運行動力、抽氣泵抽氣動力和充氣泵充氣動力、LED燈帶的運行動力，有助于學(xué)生的直接觀察。

支撐裝置：支撐裝置為底座，底座選擇的材料為光敏樹脂，由于“鳥的雙重呼吸”教具有一定的重量，需要一個支撐裝置將其支撐穩(wěn)定，相比于其他材料，光敏樹脂的遮光性強、材質(zhì)堅硬、質(zhì)地輕，且底座為中空結(jié)構(gòu)，能容納附屬材料，使教具更加美觀。

指示裝置：選擇直徑1 cm 的紅、紫色LED 燈帶，因為鳥的呼吸過程在體內(nèi)進行，學(xué)生不能直觀地看見，因此本教具選擇2 種顏色的燈帶，方便學(xué)生直觀地看到鳥在雙重呼吸過程中氣體的流動情況。

3.2.5 材料的規(guī)格

鳥雙重呼吸教具結(jié)構(gòu)材料規(guī)格如表1 所示。

表1 “鳥的雙重呼吸”教具結(jié)構(gòu)材料規(guī)格表

3.3 “鳥的雙重呼吸”立體動態(tài)教具制作方法和步驟

3.3.1 教具外殼、鳥頭、肺和氣管的建模及打印

用犀牛建模軟件3D 建模構(gòu)建出外殼、肺和氣管、鳥頭的模型和尺寸。用構(gòu)建的3D 模型通過上海聯(lián)泰牌AH1909008C 600×600×400 型號3D 打印機，使用尼龍材料3D 打印出鳥頭，使用透明樹脂材料3D 打印出外殼、肺、氣管，然后將3D 打印機打印出來的模型進行剝離、修整、拋光等后期處理，得到最終的成品。

3.3.2 仿真翅膀制作

首先用木條構(gòu)建出翅膀的框架，再將家鴿白色羽毛用520 膠水粘在翅膀框架上，構(gòu)建出家鴿仿真翅膀。

3.3.3 Arduino 單片機設(shè)計程序制作

借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用Visual Studio 2019 軟件設(shè)計3 個程序。程序作用：控制氣泵充氣和抽氣、控制翅膀上下煽動、控制燈帶的亮起順序。

3.3.4 附屬物部分的制作方法和步驟

舵機馬達的組裝：首先用熱熔膠將翅膀的凸出竹片和舵機馬達的轉(zhuǎn)軸相連接，然后用熱熔膠將舵機馬達固定在教具外殼合適位置。

氣泵與呼吸器官的組裝：用2 mm 直徑的橡膠管將抽氣泵和充氣泵的充氣孔和抽氣孔連接，然后用一個2 mm 直徑的三角玻璃管將充氣、抽氣泵的橡膠管連接在一起。另外，再用一根2 mm 直徑的橡膠管將三角玻璃管的另一端與氣管相連接。

指示裝置的組裝：用剪刀取綠、紫2 種燈帶各50 cm，將燈帶平直放在氣管和肺內(nèi)。

底座：用犀牛建模軟件進行底座的建模，將構(gòu)建的3D 模型通過上海聯(lián)泰牌AH1909008C 600×600×400 型號3D 打印機，用光敏樹脂材料3D 打印出底座。

3.3.5 “鳥的雙重呼吸”立體動態(tài)教具的組裝

教具外部結(jié)構(gòu)的組裝：將翅膀與舵機馬達連接的整體部件用熱熔膠固定在教具外殼上，完成翅膀的組裝。

教具呼吸器官的組裝：因為氣管和肺是制作為一體的，因此只需要用橡皮筋將4 個黃色氣球均勻地固定在肺上，即完成呼吸器官的組裝。

充氣、抽氣裝置的組裝：將氣泵和呼吸器官的整體部件用熱熔膠固定和封閉，使氣管管口與教具外殼頸部的孔平齊。

教具的數(shù)據(jù)和電能供應(yīng)系統(tǒng)的組裝：用數(shù)據(jù)傳輸線將電池與Arduino 單片機相連接，實現(xiàn)Arduino 單片機電能供應(yīng)。然后用10 cm 長的公對母型杜邦線、PL2303HX 型號串口線將舵機馬達、抽氣泵、充氣泵、LED 燈帶與Arduino 單片機相連接，完成整個教具電能供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的組裝，完成教具的制作。

4 研究結(jié)果和討論

4.1 “鳥的雙重呼吸”立體動態(tài)教具成品展示

教具成品如圖4 所示。

圖4 教具成品

4.2 教具使用方法

接通電源：接通12 V 電壓電源，并打開開關(guān)。

吸氣：翅膀向上煽動，綠燈帶從氣管到肺依次亮起，同時氣泵充氣，氣球鼓起，代表吸氣時，氣體從氣管進入肺，再進入氣囊。

演示意義：翅膀向上煽動，表示鳥進行吸氣過程。外界氣體進入鳥的氣管，并進入肺和氣囊，氣體在肺內(nèi)進行第一次氣體交換，進入氣囊的氣體儲存起來。

呼氣：翅膀向下煽動，紫燈帶從肺到氣管依次亮起，同時氣泵抽氣，氣球變癟，代表呼氣時，氣體從氣囊進入肺，再排出氣管。

演示意義：翅膀向下煽動，表示鳥進行呼氣過程。肺內(nèi)經(jīng)過氣體交換后的氣體通過氣管排出體外。同時，氣囊內(nèi)儲存的氣體進入肺，進行第二次氣體交換。

演示完畢，首先關(guān)閉開關(guān)，然后切斷電源，將翅膀下壓收攏，裝入收納箱。