排隊提示裝置創(chuàng)意設(shè)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(nèi)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(xiàn)扎堆現(xiàn)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(jù)，使用3D One和開源硬件、圖形化編程，設(shè)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(shè)計排隊提示裝置的外殼，并結(jié)合硬件合理設(shè)計安裝位，培養(yǎng)學生的動手能力和設(shè)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(xiàn)“一米距離”提醒功能，培養(yǎng)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(guān)、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(jù)學生的特點設(shè)計個性化的排隊提示裝置外殼，同時根據(jù)開源硬件的尺寸實現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)“一米距離”提醒功能。

教學過程

一、現(xiàn)場觀察，提出問題

教師帶領(lǐng)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(xiàn)的不符合防疫要求的現(xiàn)象，讓學生討論如何讓人們保持距離，不出現(xiàn)扎堆現(xiàn)象。

學生思考并進行交流和分享。

二、初識開源硬件，暢想創(chuàng)意設(shè)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(xiàn)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(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)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(fā)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(chuàng)意設(shè)計，實踐探究

（一）精準測量，合理規(guī)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(guān)的外形數(shù)據(jù)并記錄。

（二）外形設(shè)計

1.打開3D One，在網(wǎng)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(shè)計

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

1.調(diào)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(cè)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(shù)。

3.使用“圓柱體”命令在小熊造型的側(cè)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(shù);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(shù)，“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(shè)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(tài)移動”參數(shù)，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(nèi)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(tài)移動 “組合編輯”—“加運算”參數(shù)，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(tài)移動”參數(shù)，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(shù)，“基體”選底蓋，“合并體”選六面體，點擊“確定”完成開關(guān)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(guān)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(shù)，完成開關(guān)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(zhí)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?。ㄈ鐖D2）

（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(diào)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(guān)、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(shè)計

進入好好搭搭網(wǎng)站（http：//www.haohaodada.com/），登錄賬號，選擇“創(chuàng)作—U 盤下載模式編程—好搭酷mini”，進入程序設(shè)計界面，根據(jù)功能需求完成程序的設(shè)計，如圖4。程序設(shè)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(xiàn)排隊交頭接耳、課間休息扎堆的現(xiàn)象。本項目的目的在于讓學生自行設(shè)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(chuàng)意設(shè)計，還有開源硬件和編程的運用，既培養(yǎng)了學生的思維能力，同時又培養(yǎng)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(zhì)。

（本課件由i3DOne青少年三維創(chuàng)意社區(qū)推薦）