普通高中教科書

《通用技術(shù)》選擇性必修11:產(chǎn)品三維設(shè)計與制造

第三章三維模型設(shè)計

第一節(jié)認(rèn)識三維建模

教學(xué)設(shè)計

教學(xué)背景

三維打印是近年來受到人們廣泛關(guān)注的一項高新技術(shù)，被譽為開啟新工業(yè)

革命的鑰匙，它的發(fā)明實現(xiàn)了人類的生產(chǎn)制造模式從等材、減材到增材的重大

轉(zhuǎn)變。由于其獨特的優(yōu)勢，三維打印技術(shù)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展仍方興未艾，新

技術(shù)、新材料、新應(yīng)用仍源源不斷問世，而且被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、航空航

天、醫(yī)療教育、藝術(shù)設(shè)計等領(lǐng)域，這一切都展示了三維打印技術(shù)強大的生命力

和難以估量的發(fā)展前景C

教學(xué)目標(biāo)：

知識與技能目標(biāo)：

1,了解STL文件的特點。

2.了解獲取三維數(shù)字模型的途徑。

3.了解三維掃描技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計和制造中的作用。

教學(xué)內(nèi)容分析：

教材分四章：三維打印原理、三維產(chǎn)品技術(shù)分析、三維模型設(shè)計和三維打

印技術(shù)應(yīng)用。由淺入深，帶領(lǐng)同學(xué)們了解三維打印技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展歷程，了

解三維打印的基本原理、設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作方法；熟悉不同材料和成型工藝的

特點，能結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計要求制訂合適的產(chǎn)品制作方案；學(xué)習(xí)三維建模，掌握三

維模型設(shè)計的基本思路和方法；通過實踐操作教學(xué)，設(shè)計和制作出哨子、臺燈

等立體模型。

學(xué)情分析：

學(xué)生對三維打印的了解認(rèn)識有限，面對未來，他們需要學(xué)習(xí)有關(guān)三維打印

的知識。

教材注重發(fā)展同學(xué)們的核心素養(yǎng)。通過了解三維打印的原理及其應(yīng)用，感

悟三維打印技術(shù)對人們生產(chǎn)、生活的影響。選取能突出反映三維打印特點的案

例，通過對不同工藝的對比，讓同學(xué)們深刻體會三維打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)

的區(qū)別，幫助同學(xué)們樹立技術(shù)意識。所選案例貼近日常生活，方便同學(xué)們學(xué)以

致用，在制訂方案的過程中，引導(dǎo)同學(xué)們從實際出發(fā)，具體問題具體分析，通

過對比、權(quán)衡和優(yōu)化得到最佳方案，以此培養(yǎng)工程思維。在實踐操作教學(xué)中，

幫助同學(xué)們較全面地掌握三維打印的設(shè)計技巧和制作方法，引導(dǎo)同學(xué)們思考與

探究，從而提高實踐能力和創(chuàng)新能力。

教學(xué)重難點：

了解STL文件的特點。

了解獲取三維數(shù)字模型的途徑。

了解三維掃描技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計和制造中的作用。

教學(xué)策略：

在教學(xué)過程中，注重對同學(xué)們科學(xué)態(tài)度、價值觀的引導(dǎo)和培養(yǎng).本書設(shè)計

的案例、實踐活動、思考、討論等欄目充分融合了科技與人文理念，如為體育

老師制作哨子、為母親制作杯子、三維打印是否可取代傳統(tǒng)制造業(yè)、三維打印

文物仿品可否代替真品進行展覽、三維打印器官的倫理思考等，引導(dǎo)同學(xué)們從

社會、科技、人文等方面進行考慮，從而發(fā)展綜合素養(yǎng)。

運用三維打印技術(shù)，不用依賴機床和車間，也不用削、鉆、鑄等手段，只

要借助一臺計算機和一臺三維打印機，我們就能變成產(chǎn)品的設(shè)計者、制造者。

讓我們一起走進三維打印的世界，領(lǐng)略它的神奇與不凡；讓三維打印技術(shù)成為

我們的好幫手，助我們實現(xiàn)腦海中奇妙的構(gòu)想吧。

教學(xué)準(zhǔn)備：

展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。

教學(xué)過程：

情景導(dǎo)入：

老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)《通用技術(shù)》選擇性必修11：產(chǎn)品三維設(shè)計與制造

第三章三維模型設(shè)計第一節(jié)認(rèn)識三維建模。

三維數(shù)字模型是三維打印制作立體實物的基礎(chǔ)，獲取三維數(shù)字模型的方式

有很多種，其中軟件建模是最基礎(chǔ)、最常用的，掌握了軟件建模的方法，就能

隨心設(shè)計自己的創(chuàng)意模型了。但是三維打印機無法直接識別這個模型，還需要

對三維數(shù)字模型進行切片，即將模型分成一層一層的截面，才能指導(dǎo)打印機進

行逐層打印?？梢娙S數(shù)字模型的切片設(shè)置對打印十分重要，不僅關(guān)系到成型

質(zhì)量的好壞和打印效率的高低，甚至還關(guān)系到打印的成敗。

本章我們將學(xué)習(xí)三維數(shù)字模型的設(shè)計及其切片處理，為自己動手制作三維

產(chǎn)品打下基礎(chǔ)、做足準(zhǔn)備。

一、三維數(shù)字模型的文件格式

三維建模通俗來市就是通過三維制作軟件在虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維

數(shù)據(jù)的模型。

常用的三維建模軟件可以幫助我們通過畫圖、運算等操作，將頭腦中的產(chǎn)

品構(gòu)思以三維數(shù)字模型的形式呈現(xiàn)出來，它能準(zhǔn)確地表達出模型的形態(tài)結(jié)構(gòu)，

形象直觀地表達出設(shè)計意圖。

案例

趙強是一名自行車發(fā)燒友，不僅喜愛騎行運動，而且喜歡設(shè)計自行車。這

幾天，他構(gòu)思了一個創(chuàng)意設(shè)計，當(dāng)他興致勃勃地拿著設(shè)計圖請工廠制作加工

時，卻被告知需要規(guī)范的零件圖紙才行，他的設(shè)計圖對于車間工人來說，畫得

“太抽象”了（如圖31所示）（參見教材P31）。而且，制造這種特殊形狀的

零件，光開發(fā)模具就是一筆不小的費用，趙強頓時傻眼了。

正當(dāng)趙強感到沮喪的時候，他聽說用三維打印技術(shù)可以定制個性化產(chǎn)品，

制作復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且耗時短、成本低，但是三維打印首先需要有三維數(shù)字模

型。趙強仿佛又看到了希望。

思考

1.三維數(shù)字模型有固定的文件格式嗎？

2.趙強如何才能壬設(shè)計圖變成三維數(shù)字模型？

3.若要將設(shè)計變成實物，趙強還需要學(xué)習(xí)哪些知識？

三維數(shù)字模型通常保存為STL格式的文件，這是一種用三角形面片表示物

體外形的文件格式（如圖32所示）（參見教材P32）。STL文件由大量的三

角形面片組成，每個三角形面片的定義包括三角形各個頂點的三維坐標(biāo)及三角

形面片的法向量。

STL文件代碼易讀、算法簡單，但只能描述三維物體的幾何信息，不涵蓋

物體的材質(zhì)、顏色等信息。

討論

STL文件是由大量的三角形面片組成的，但是三角形是平面圖形，如何用

三角形面片來表示曲面的立體形狀呢？圖33（參見教材P32）是3個大小相同

的球體的STL文件，請觀察三角形面片的數(shù)量與球體曲面呈現(xiàn)效果的關(guān)系。

STL文件在創(chuàng)建、導(dǎo)出、轉(zhuǎn)換時可能會出錯，從而導(dǎo)致導(dǎo)入編輯或切片打

印時失敗，需要通過軟件進行檢測修復(fù)。常見的STL文件錯誤類型（如圖34

所示）（參見教材P33）如下。

（1）開放面：由于三角形面片丟失而引起，在模型表面有較大曲率的曲面

相交時，容易出現(xiàn)丟失三角形面片而形成開放面。

（2）釘形：由于多出了一個與模型共享一條邊的孤立二角形面片而導(dǎo)致，

這個三角形面片不能表示模型的形狀和體積。

（3）頂點錯位：由于三角形的邊沒有完全被兩個三角形面片共享而形成。

知識窗

三維打印技術(shù)應(yīng)用的三維數(shù)字模型，除了STL外，還有OBJ、AMF、3MF等

文件格式。

OBJ也是一種僅含有物體兒何信息，不涵蓋材質(zhì)、顏色、動畫的文件格

式，但OBJ主要應(yīng)用于三維建模和動畫制作，適用于三維軟件之間的數(shù)據(jù)交

換。

隨著軟件技術(shù)的進步，新的三維數(shù)字模型文件格式AMF誕生，這種文件格

式在STL的基礎(chǔ)上做了改進，更加便于閱讀、編輯，能夠記錄物體的顏色、材

料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等信息，不僅可以記錄單一材質(zhì)，還可對不同部位指定不同材

質(zhì)。有類似功能的文件格式還有3MF,該格式20：5年問世后，口得到多家軟件

企業(yè)的支持。

可見，三維打印技術(shù)更新?lián)Q代的不僅僅是工藝、材料，三維數(shù)字模型也在

不斷朝著更細(xì)致、更逼真的方向發(fā)展。

二、三維數(shù)字模型的獲取方式

獲取三維數(shù)字模型的主要方式有以下3種。

思考

趙強的創(chuàng)意自行車設(shè)計（如圖35所示）（參見教材P33）還沒有和其他人

分享交流過，在網(wǎng)絡(luò)上找不到相同的模型，更沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品和零件供他進行

三維掃描。你認(rèn)為，趙強可以通過什么方式獲得創(chuàng)意自行車的三維數(shù)字模型？

1.三維掃描

三維掃描技術(shù)是一種立體視覺測量技術(shù)，其原理和方圖35（參見教材

P33）趙強構(gòu)想的創(chuàng)意芻行車設(shè)計法有很多。但其本質(zhì)是一種長度測量，就像我

們用尺子測量兩個點之間的距離一樣，如果我們知道了一個物體上所有的點到

一個坐標(biāo)系原點的距離，我們也就知道了這個物體的三維形狀。

三維激光掃描儀是三維掃描常見的工具之一，它將激光（線或者陣列）投

射到物體表面，隨后根據(jù)反射光判斷物體的位置。三維掃描是一種快捷的建模

方式，但需通過改變被測物體的位置.，從不同角度進行掃描，才能獲取全面的

信息。

案例

用三維掃描保護文物

所有的歷史文物和遺跡都是前人智慧的結(jié)晶，加大文物和文化遺產(chǎn)保護力

度，加強歷史文化保護傳承，才能更好的鑄就社會主義文化新輝煌。

在文物保護工作中，經(jīng)常需要對文物進行測繪，但是實際操作中，手工測

繪可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差、細(xì)節(jié)遺漏，甚至對文物表面造成破壞。三維掃描技術(shù)則

很好地解決了這一問題，它可以在非接觸的條件下無損傷、準(zhǔn)確地獲取文物的

尺寸、模型，因此在文物測繪和文物修復(fù)領(lǐng)域具有強大的優(yōu)勢。

三維掃描技術(shù)還正以應(yīng)用于文物模型制作（如圖36所示）（參見教材

P34）,雖然復(fù)制后的文物只能算“鷹品”，但走游客的參觀體驗幾乎沒有影

響。三維掃描技術(shù)應(yīng)用丁修繕設(shè)計，可協(xié)調(diào)建筑形式、空間格局、材質(zhì)色澤、

構(gòu)筑細(xì)部等，不僅能更好地秉承歷史原物的獨特風(fēng)格，還能強調(diào)歷史建筑的原

真性。

討論

隨著各國之間的交流日益密切，國家之間常常會舉辦文物展覽活動，以增

進文化交流。但是歷年來，在海外展出和運輸途中不慎損壞文物的事情偶有發(fā)

生。你認(rèn)為，三維打印的文物仿品可以代替文物真品在各國進行展覽嗎？為什

么？

知識窗

三維掃描建模的局限性

在進行三維掃描建模時，通常需要對一個物體進行兩個或兩個以上角度的

掃描，再把掃描數(shù)據(jù)進行拼接，才能獲得實物的三維數(shù)字模型。而且掃描龍象

如果存在空心結(jié)構(gòu)或孔洞結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征是掃描儀難以采集到的。

探究

如何將你的變成三維掃描儀？

立即行動

請用三維掃描的方式獲取一個瓶子的三維數(shù)字模型。

2.網(wǎng)絡(luò)

目前網(wǎng)絡(luò)上有很多三維數(shù)字模型庫，這些網(wǎng)絡(luò)模型庫一般都有豐富的模

型，其中有不少是可免費的。當(dāng)我們需要建模時，可以嘗試在模型庫網(wǎng)站中尋

找合適的模型，這是獲取三維數(shù)字模型最簡單的方式。

例如，在一個模型網(wǎng)站中輸入關(guān)鍵詞“機器人”進行搜索，就會出來如圖

37（參見教材P35）所示的機器人模型，這時你就可以選擇一個喜歡的模型進

行了。

討論

你覺得，在開放共享的網(wǎng)絡(luò)模型庫中，會隱藏有非法、不良的模型信息

嗎？網(wǎng)站應(yīng)該如何規(guī)范模型的上傳與行為呢？我們作為守法公民，如果面電非

法模型，應(yīng)該怎么做？

知識窗

網(wǎng)絡(luò)模型的局限性

網(wǎng)絡(luò)模型庫有很多，而且里面的模型都是現(xiàn)成的，但在實際應(yīng)用中，我們

通常要經(jīng)過多次的檢索才能找到理想的模型，也可能始終找不到和設(shè)想完全一

致的模型，這時就要通過三維建模軟件對模型進行編輯修改再使用。

立即行動

請從網(wǎng)絡(luò)模型庫中一個哨子的三維數(shù)字模型。

3.軟件建模

軟件建模，即用三維建模軟件在計算機的虛斗空間構(gòu)建出三維數(shù)字模型。

由于三維掃描建模和網(wǎng)絡(luò)模型都有一定的局限性，所以，通過軟件來建模雖然

不像前面兩種方法那樣快速簡便，但卻是最基本和最常用的方法，也是全面掌

握三維打印技術(shù)的必要步驟。

三維建模軟件的種類有很多，有簡單容易上手的入門級軟件，也有功能強

大的專業(yè)級軟件（如表31所示）。

表31常見的三維建模軟件

軟件名稱適用范圍

Rhinoceros,AutoCAD常規(guī)建模設(shè)計

SolidWorks,UG工業(yè)建模設(shè)計

Sculptris,ZBrush藝術(shù)建模設(shè)計

3DTin,TinkerCAD在線建模

3DOne,IME3D簡易三維建模

通過簡易的三維建模軟件，我們就可以利用一些基本的幾何元素（如立方

體、球體、圓錐體等），進行一系列的幾何操作（如平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸及布爾

運算等），構(gòu)建出復(fù)雜的立體形狀。

課后作業(yè)

習(xí)題

某醫(yī)院的整形美容科借助三維打印技術(shù)，協(xié)助醫(yī)生進行病例講解或與患者

溝通，他們是這么做的：利用三維掃描技術(shù)獲取患者