教學(xué)背景

突如其來(lái)的疫情使得很多學(xué)校延期開學(xué)，學(xué)生們開啟了居家在線學(xué)習(xí)模式，長(zhǎng)期的線上學(xué)習(xí)使得部分學(xué)生出現(xiàn)了心理問(wèn)題，沉迷網(wǎng)絡(luò)的情況尤為突出。對(duì)此，本項(xiàng)目以中國(guó)傳媒大學(xué)學(xué)生心理健康教育中心負(fù)責(zé)人張靜博士提出的“家庭活動(dòng)法”為依據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生使用3D One設(shè)計(jì)并制作一款音樂魔盒，結(jié)合編程可隨意變換樂器，或是悅耳動(dòng)聽的鋼琴，或是熱情激昂的架子鼓，讓家長(zhǎng)從接納開始，在家和孩子一起活動(dòng)，轉(zhuǎn)移孩子的注意力，解決他們的心理問(wèn)題。

教學(xué)目標(biāo)

1.學(xué)會(huì)利用3D One軟件設(shè)計(jì)音樂魔盒的外殼，并結(jié)合硬件合理設(shè)計(jì)安裝位，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維;

2.了解“好好搭搭”硬音源模塊（haodaMIDI）的工作原理;

3.學(xué)會(huì)通過(guò)編程設(shè)計(jì)音樂魔盒的音樂功能，并通過(guò)修改參數(shù)實(shí)現(xiàn)變換樂器，培養(yǎng)學(xué)生的高級(jí)思維、計(jì)算思維。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 根據(jù)各模塊尺寸合理設(shè)計(jì)音樂魔盒外殼，實(shí)現(xiàn)各模塊及線材的精準(zhǔn)安裝。

教學(xué)難點(diǎn) 理解“好好搭搭”硬音源模塊（haodaMIDI）、好搭酷Nano及其擴(kuò)展板的工作原理，通過(guò)編寫程序?qū)崿F(xiàn)樂器效果。

教學(xué)準(zhǔn)備

“好好搭搭”硬音源模塊（haodaMIDI）、好搭酷Nano及其擴(kuò)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(shù)字功放模塊、游標(biāo)卡尺。

教學(xué)過(guò)程

一、初識(shí)haodaMIDI模塊，構(gòu)思創(chuàng)意設(shè)計(jì)

（一）初識(shí)MIDI，了解原理 MIDI樂器數(shù)字接口解決了電聲樂器的通信問(wèn)題，它傳輸?shù)牟皇锹曇粜盘?hào)，而是音符、控制參數(shù)等指令，指示MIDI設(shè)備要做什么、怎么做，如演奏哪個(gè)音符、多大音量等。

（二）確定參數(shù)及控制代碼? ?信號(hào)：1-地，2-電源，3-信號(hào);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(xié)議為異步串口協(xié)議，波特率為31250，只要通過(guò)信號(hào)線S發(fā)送MIDI控制指令，就能驅(qū)動(dòng)haodaMIDI發(fā)出各種樂器的聲音。

（三）設(shè)計(jì)方案，創(chuàng)意分享 根據(jù)haodaMIDI模塊的功能，自主選擇搭配模塊進(jìn)行創(chuàng)意方案設(shè)計(jì)，隨后邀請(qǐng)部分學(xué)生分享自己的設(shè)計(jì)思路。

二、實(shí)踐探究，外觀設(shè)計(jì)

（一）精準(zhǔn)測(cè)量，合理定位

使用游標(biāo)卡尺測(cè)量haodaMIDI模塊、好搭酷Nano及其擴(kuò)展板的外形數(shù)據(jù)并記錄。

（二）外形設(shè)計(jì)

1.打開3D One，在網(wǎng)格面中繪制一個(gè)長(zhǎng)96mm、寬96mm、高45mm的六面體;利用“抽殼”命令對(duì)六面體進(jìn)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(diǎn)擊六面體邊框頂面進(jìn)入草圖，沿邊框外側(cè)邊繪制一個(gè)長(zhǎng)96mm、寬56mm的草圖，點(diǎn)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(dòng)”—“動(dòng)態(tài)移動(dòng)”，拖動(dòng)黃色移動(dòng)手柄移動(dòng)-5mm，完成琴鍵底板繪制。

（三）琴鍵設(shè)計(jì)

1.在琴鍵底板的中心點(diǎn)上繪制一個(gè)長(zhǎng)52mm、寬8.4mm、高3mm的六面體;利用“移動(dòng)”命令中的“動(dòng)態(tài)移動(dòng)”參數(shù)，拖動(dòng)紅色移動(dòng)手柄移動(dòng)2mm;選擇“陣列”—“線性陣列”，沿左右方向各陣列一次，距離40mm，數(shù)量5個(gè)。

2.隨后使用“圓角”命令對(duì)琴鍵進(jìn)行圓角操作，圓角距離1.5mm，同時(shí)對(duì)音樂魔盒邊框外角和內(nèi)角也進(jìn)行圓角操作，外角圓角距離5mm，內(nèi)角圓角距離3mm。

3.使用“直線”命令點(diǎn)擊最左側(cè)的琴鍵進(jìn)入草圖繪制界面，在兩個(gè)琴鍵間繪制一個(gè)長(zhǎng)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(gè)長(zhǎng)35mm、寬4.4mm、高5mm的六面體，選擇浮動(dòng)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(shù)量8個(gè)，距離70mm;刪除從右數(shù)起的第2個(gè)和第6個(gè)模型，點(diǎn)擊“組合編輯”—“減運(yùn)算”，基體為9個(gè)琴鍵，合并體刪除剛才所得剩余的6個(gè)模型。

4.選擇浮動(dòng)工具欄上的“顯示幾何體”命令，將剛才隱藏的六面體恢復(fù)顯示;選擇“移動(dòng)”—“動(dòng)態(tài)移動(dòng)”，拖動(dòng)黃色移動(dòng)手柄移動(dòng)-3mm;使用“圓角”命令對(duì)黑鍵進(jìn)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(shù)量8個(gè)，刪除從右數(shù)起的第2個(gè)和第6個(gè)黑鍵;點(diǎn)擊“組合編輯”—“加運(yùn)算”，將琴鍵和音樂魔盒邊框進(jìn)行組合。

5.選擇“參考幾何體”命令，點(diǎn)擊音樂魔盒邊框頂面進(jìn)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(duì)稱”，拉伸高度5mm。點(diǎn)擊“組合編輯”—“加運(yùn)算”，將音樂魔盒頂蓋和邊框進(jìn)行組合。

（四）定位設(shè)計(jì)

1.使用“直線”命令，點(diǎn)擊最左側(cè)的琴鍵進(jìn)入草圖繪制界面，以琴鍵下方直線的中心點(diǎn)向上繪制一條長(zhǎng)5mm的直線，并以這條直線的上方頂點(diǎn)為圓心繪制一個(gè)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(shù)量9個(gè);依次對(duì)平面圓進(jìn)行拉伸，選擇“減運(yùn)算”，拉伸距離-0.2mm。

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

3.選擇“參考幾何體”命令，點(diǎn)擊音樂魔盒邊框底面進(jìn)入草圖，參考邊框外側(cè)和內(nèi)側(cè)分別繪制音樂魔盒底蓋的草圖;然后分別拉伸兩個(gè)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(gè)底蓋進(jìn)行“加運(yùn)算”組合;完成后恢復(fù)盒體，隱藏底蓋。

4.將視圖調(diào)整到“左”，使用“直線”命令點(diǎn)擊盒體側(cè)面進(jìn)入草圖，沿左側(cè)邊向下繪制一條長(zhǎng)10.7mm的直線，再以直線下方端點(diǎn)為起點(diǎn)向右側(cè)繪制一條長(zhǎng)20.4mm的直線，再以此直線右側(cè)端點(diǎn)為起點(diǎn)，向右下繪制一個(gè)長(zhǎng)12mm、寬10mm的草圖，在下方邊線延長(zhǎng)6mm處繪制一個(gè)長(zhǎng)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(yùn)算”參數(shù)，拉伸距離-10mm。

5.將視圖調(diào)整到“前”，選擇“圓柱體”—“減運(yùn)算”，點(diǎn)擊盒體后方繪制一個(gè)半徑為18mm、高-20mm的圓柱體，完成喇叭孔位。最后，恢復(fù)顯示底蓋。

（五）切片打印

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

三、安裝調(diào)試

（一）模塊安裝

將準(zhǔn)備好的haodaMIDI模塊、好搭酷Nano及其擴(kuò)展板、杜邦線、喇叭、AUX 3.5mm音頻線、數(shù)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(nèi)，擴(kuò)展板使用9V電源供電。

（二）模塊接線

首先，將好搭酷Nano擴(kuò)展板和haodaMIDI模塊連接，信號(hào)線S接擴(kuò)展板的D13，G接G，V接V;把9根杜邦線分別接擴(kuò)展板的D2至D10;喇叭連接到數(shù)字功放模塊，將擴(kuò)展板上的5V和GND接口接到數(shù)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(shù)字功放模塊的音頻輸入口。

（三）程序設(shè)計(jì)

進(jìn)入好好搭搭網(wǎng)站，登錄賬號(hào)，選擇“創(chuàng)作”—“U盤下載模式編程”—“好搭酷Nano”，進(jìn)入程序設(shè)計(jì)界面，根據(jù)功能需求完成程序的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)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(xué)反思

疫情期間，學(xué)生們?cè)诩覍W(xué)習(xí)之余，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)和制件一款放松心情的音樂魔盒，和家長(zhǎng)們比一比誰(shuí)演奏的樂曲更美妙，還可以通過(guò)更改程序隨意變換樂器，體驗(yàn)不同樂器帶來(lái)的樂趣，這就是取名“音樂魔盒”的原因。學(xué)生們?cè)谠O(shè)計(jì)制作的過(guò)程中綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，培養(yǎng)了跨學(xué)科學(xué)習(xí)的能力，同時(shí)設(shè)計(jì)思維、計(jì)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(chuàng)意社區(qū)推薦）

沈志宏 上海外國(guó)語(yǔ)大學(xué)附屬浙江宏達(dá)南潯學(xué)校信息技術(shù)教師，中小學(xué)一級(jí)教師，浙江省湖州市技術(shù)能手，南潯區(qū)教學(xué)能手，3D打印造型師（國(guó)家職業(yè)資格三級(jí)）。曾輔導(dǎo)學(xué)生在2017年全國(guó)中小學(xué)生電腦制作活動(dòng)中獲3D創(chuàng)意設(shè)計(jì)三等獎(jiǎng);2018年榮獲第二屆湖州市“南太湖計(jì)劃”青少年創(chuàng)客大賽一等獎(jiǎng);2019年中國(guó)科學(xué)院ACME未來(lái)科技挑戰(zhàn)賽無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航與定點(diǎn)降落競(jìng)賽冠軍。個(gè)人著作《輕松玩轉(zhuǎn)3D One與3D打印》由人民郵電出版社于2018年5月出版發(fā)行。