第四章STEM教育常用工具：Scratch編程2第一節(jié)Scratch編程概述Scratch是由美國麻省理工學院開發(fā)的一款供兒童和青少年學習編程的開發(fā)平臺。利用該平臺編程，學生不需要具備編程基礎(chǔ)，也無需學習復雜編程語法，通過點擊并拖曳的方式就能完成編程，程序邏輯可以清晰、直觀表達出來。幾乎所有的孩子都會一眼喜歡上這個軟件，建立起做程序的欲望。目前，Scratch支持超過40種語言，使用者遍布150多個國家和地區(qū)。Scratch軟件作為一款編程軟件，受到美國科學基金會的支持，得到全球最大的機器人教育供應商——樂高的贊助，在美國STEM教育中具有廣泛的應用。2012年，Scratch在我國開始普及，并成為中小學信息技術(shù)課的學習內(nèi)容。Scratch在國內(nèi)的應用主要側(cè)重于兒童的趣味編程、動畫設(shè)計和傳感器拓展等，近年來也逐漸有研究者關(guān)注其在微課領(lǐng)域的應用和跨學科的嘗試。3第一節(jié)Scratch編程概述一、Scratch介紹Scratch下載是完全免費的。Scratch開發(fā)組織除了保留對“SCRATCH”名稱和“軟件的圖標也是產(chǎn)品標志小貓”LOGO的權(quán)利外，公布源碼，允許任意修改，發(fā)布，傳播。已經(jīng)有不同的改進版本在網(wǎng)上流通，目前最新的官方版本是3.0版。Scratch與硬件結(jié)合，可實現(xiàn)溫度、濕度、距離、聲音等傳感器數(shù)據(jù)采集，電機旋轉(zhuǎn)、聲光電顯示、機器人控制燈功能，有利于學生開展工程實踐，激勵創(chuàng)新應用，更好地解決現(xiàn)實世界的問題。Scratch默認可以結(jié)合樂高積木和Picoboard擴展板來使用，但是Picoboard擴展板接口少，可擴展性不是很好。通常將Scratch與Arduino電路板結(jié)合使用，既能發(fā)揮Scratch的編程界面簡單，方便，易于學習的優(yōu)勢，又能發(fā)揮Arduino硬件價格便宜，擴展性好，使用面廣的優(yōu)勢。4第一節(jié)Scratch編程概述Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。Arduino是由意大利教師MassumoBanzi和西班牙晶片工程師DavidCuattielles聯(lián)合開發(fā)的，最初是為了解決學生找不到便宜又好用的微控制器而開發(fā)的。Arduino包含硬件（各種型號Arduino電路板）和軟件（ArduinoIDE）。開發(fā)者在IDE中編寫代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，電路板就能執(zhí)行相應的操作。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。Arduino電路板上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。Arduino的軟硬件都是開源的，在開源協(xié)議范圍內(nèi)可任意修改原始設(shè)計及相應代碼，可進行深度二次開發(fā)，是一款深具潛力的開發(fā)平臺。對于初學者來說，Arduino使用簡單、靈活，容易掌握，使開發(fā)者能夠更關(guān)注創(chuàng)意與實現(xiàn)，更快的完成自己的項目開發(fā)，大大節(jié)約學習的成本，縮短開發(fā)的周期。ArduinoScratch（簡稱AS-Block），是一款基于Scratch和Arduino進行深度二次開發(fā)的一款適合青少年學習的圖形化編程軟件。這款軟件操作界面與Scratch相似，學習者不需要任何編程語言基礎(chǔ)，非常適合于中小學的編程教育，將編程從屏幕內(nèi)遷移到屏幕外，實現(xiàn)情景式編程，增加創(chuàng)意性和趣味性，從而提升學生的STEM核心素養(yǎng)。5第一節(jié)Scratch編程概述二、ArduinoScratch安裝1．雙擊“AS-Block.exe”安裝包，點擊“下一步”，選擇安裝目錄（注意：安裝目錄不能出現(xiàn)中文）；選擇軟件的安裝目錄6第一節(jié)Scratch編程概述二、ArduinoScratch安裝2．點擊“下一步”、“安裝”，等待安裝完成（注意：若安全軟件提示警告，請點擊允許）；3．點擊“AS-Block”快捷方式打開軟件，點擊軟件菜單中“連接”下的“驅(qū)動安裝”進行串口驅(qū)動的安裝。串口驅(qū)動安裝7第一節(jié)Scratch編程概述三、AS-Block基本使用1.認識界面AS-Block的多語言切換環(huán)境安裝完成后，點擊桌面上生成的“AS-Block”圖標打開軟件。AS-Block軟件的默認語言為英語，用戶可以根據(jù)自己的語言習慣選擇合適的語言進行編程。更改語言的方法為：點擊界面左上角File菜單欄左側(cè)的地球圖標，單擊鼠標，在下拉菜單中選擇“簡體中文”即可將語言修改為中文。8第一節(jié)Scratch編程概述三、AS-Block基本使用1.認識界面AS-Block是一款積木式圖形化編程軟件，其軟件界面由五個主要區(qū)域構(gòu)成，分別是菜單欄、舞臺區(qū)、角色區(qū)、工具欄和編程區(qū)。AS-Block中最核心的區(qū)域為右側(cè)的編程區(qū)，但AS-Block的編程不需要手動輸入語句，用戶只需要將所需要的語句模塊從左側(cè)工具欄拖拽到右側(cè)的編程區(qū)，并進行排列組合就可以實現(xiàn)編程，整個過程更像是“搭積木”，而“積木”位于編程區(qū)左部的“工具”欄中。AS-Block在工具欄中已將這些“積木”根據(jù)其功能分為了十二大類：動作、外觀、聲音、畫筆、數(shù)據(jù)、事件、控制、偵測、熟悉和邏輯運算、Arduino模塊和Arduino機器人。每一類用不同的顏色表示，以方便用戶快速識別當前語句的作用。9第一節(jié)Scratch編程概述三、AS-Block基本使用2.電腦與主板連接，下載程序（1）本教材相關(guān)案例采用CF-Board-A型號的Arduino主控板，進行AS-Block編程，關(guān)于CF-Board主板功能介紹請掃描右側(cè)二維碼。通過USB線連接電腦與Arduino主控板程序下載口，打開主板電源，啟用主板。（2）點擊軟件菜單中“連接”，點擊連接相應主板的COM口實現(xiàn)電腦與主板的連接，COM口號有效選擇后，會出現(xiàn)相應的“√”標志。小技巧：若出現(xiàn)多個COM口號，不知道主板對應的是哪個時，可以拔除主板USB線，再點擊連接，剩下的COM口號顯然不是主板的，再連接上主板，多出的那個COM口號即主板對應的COM口號。10第一節(jié)Scratch編程概述三、AS-Block基本使用重要提醒：假如需要主板與電腦進行在線交互操作（即作為測控板使用），請參照以下步驟（3）-（4）繼續(xù)；假如需要將程序離線下載到主板（即主板脫離軟件和電腦后，仍能實現(xiàn)相應功能），請參照步驟（5）-（6）繼續(xù)。（3）點擊軟件菜單中“連接”下的“固件上傳”，等待上傳完成（注意：在沒有新的Arduino程序上傳到該主板情況下，作為測控板，固件上傳一次后，后續(xù)無需再上傳固件）。（4）在線程序編寫與運行：完成上述操作后，即可實現(xiàn)軟件與主板的在線交互，點擊“綠旗”運行程序，即可實現(xiàn)功能。注意：在線交互下，插拔USB或者開關(guān)主板電源后，需要重新點擊“連接”才能實現(xiàn)電腦與主板的有效連接。（5）離線程序編寫：注意要使用程序頭“Arduino程序”，有某些模塊不支持離線編譯，如聲音模塊。（6）程序離線上傳：右鍵“Arduino程序”，點擊“上傳到Arduino”，等待程序上傳完成。關(guān)閉軟件或者主板脫離電腦后，給主板上電即能實現(xiàn)相應程序功能：按下綠色按鈕，led燈亮；按下紅色按鈕，led燈滅。*（7）如果選擇第二個選項“Arduino代碼”，即顯示如下代碼界面（需要提前安裝ArduinoIDE軟件）。11第一節(jié)Scratch編程概述通過

ArduinoIDE，可以進行Arduino代碼調(diào)試，適用于有基礎(chǔ)的人進行調(diào)試學習，這里生成的代碼與AS-Block中的圖形代碼是一一對應的。點擊，也可以進行程序下載（注意需要提前斷掉

AS-Block中的串口連接，同一串口只能有一個軟件進行使用），下載完成后會下方會提示下載成功；若出現(xiàn)無法下載，點擊工具進行參數(shù)配置：選擇板（board）->ArduinoUno，選擇端口（com）-comXX（可按照在線使用中COM口的查詢方式查詢）。12第二節(jié)As—Block體驗案例（一）案例1：交通信號燈【案例任務】認識LED燈傳感器，了解LED燈的發(fā)光原理。利用紅、綠、黃三種顏色LED燈制作模擬交通信號燈。【案例制作】（1）技術(shù)探索用3P連接線連接LED燈和Arduino主控板，并插在數(shù)字口D6上（也可以插在其他你喜歡的數(shù)字口上），注意黑線端對應主控板數(shù)字口上黑色針腳（按照顏色匹配），千萬別插反了。打開AS-Block程序，使用串口下載模塊連接電腦與Arduino主控板（如下圖）。連接主控板與電腦USB接口，連接好數(shù)據(jù)線端口號，選擇軟件中“連接”菜單下相應的“COM口號”實現(xiàn)軟件與主控板之間的連接，運行下面的程序。觀察LED燈的發(fā)光情況，你會看到LED不斷地一亮一滅，“高電平”表示設(shè)置在D6口的LED燈亮，低電平表示設(shè)置在D6口的LED燈滅。13第二節(jié)As—Block體驗案例（一）案例1：交通信號燈14第二節(jié)As—Block體驗案例（一）案例1：交通信號燈（2）搭建結(jié)構(gòu)“紅燈停，綠燈行”是最基本的交通常識，我們先用積木塊搭建一個信號燈架，再安裝好信號燈。假定綠燈設(shè)為20秒，黃燈設(shè)為3秒，紅燈設(shè)為15秒，當然也可以根據(jù)要求進行修改。將三個LED燈連接在Arduino板上，紅、黃、綠燈分別對應數(shù)字口D3、D4和D5（也可以選擇其他你喜歡的數(shù)字口上）。15第二節(jié)As—Block體驗案例（一）案例1：交通信號燈【案例拓展】（1）LED燈原理。LED（LightEmittingDiode），發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。（2）LED燈妙用。專為夜跑打造的LED小燈、城市景觀燈、汽車尾燈、電子廣告屏等等。16第二節(jié)As—Block體驗案例（二）案例2：智能身高測量儀【案例任務】認識超聲波傳感器，了解超聲波傳感器測距的原理，使用超聲波傳感器制作身高測量儀，快速準確測量身高，并把數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器上！【案例制作】（1）技術(shù)探索超聲波傳感器自帶的4根針腳直接插在Arduino主控板上“超聲波”接口上，如下圖所示。接著打開AS-Block程序，連接好數(shù)據(jù)線端口號（注意選擇的數(shù)字口要與連接線插入的數(shù)字口一致，否則會出錯?。L試運行下面程序。用手轉(zhuǎn)動超聲波，仔細觀察一下變量T的值變化？用尺子測量一下，超聲波計算出的距離與實際距離是否相等？17第二節(jié)As—Block體驗案例（二）案例2：智能身高測量儀18第二節(jié)As—Block體驗案例（二）案例2：智能身高測量儀【案例拓展】（1）超聲波距離傳感器技術(shù)應用。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。超聲波距離傳感器可以廣泛應用在物位（液位）監(jiān)測，機器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便，防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。（2）具體應用。超聲波傳感器可以對集裝箱狀態(tài)進行探測。將超聲波傳感器安裝在塑料熔體罐或塑料粒料室頂部，向集裝箱內(nèi)部發(fā)出聲波時，就可以據(jù)此分析集裝箱的狀態(tài)，如滿、空或半滿等。超聲波傳感器可用于檢測透明物體、液體、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不規(guī)則物體。但不適用于室外、酷熱環(huán)境或壓力罐以及泡沫物體。超聲波傳感器可以應用于食品加工廠，實現(xiàn)塑料包裝檢測的閉環(huán)控制系統(tǒng)。配合新的技術(shù)可在潮濕環(huán)如洗瓶機、噪音環(huán)境、溫度極劇烈變化環(huán)境等進行探測。超聲波傳感器可用于探測液位、探測透明物體和材料，控制張力以及測量距離，主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗煤的設(shè)備運、塑料加工以及汽車行業(yè)等。超聲波傳感器可用于流程監(jiān)控以提高產(chǎn)品質(zhì)量、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。19第二節(jié)As—Block體驗案例五、ArduinoScratch綜合訓練項目項目一：電子體重計：使用壓力傳感器制作體重計，能穩(wěn)定測定人體體重，并顯示在液晶屏幕上。項目二：智能感應起落架：使用舵機模擬構(gòu)建感應式起落架，當汽車模型到達起落桿附件紅外感應裝置接收信號，起落桿隨即轉(zhuǎn)動900放行。要求程序運行時屏幕上的汽車及起落架要同步。項目三：智能化花房管家：使用土壤濕度傳感器、水流量計等器件模擬花房管理，實現(xiàn)當花房（封閉式）土壤濕度不夠時自動供水，達到設(shè)定總流量、達到供水限定時間或出現(xiàn)水管破裂等故障時停止供水。當花房溫度過低時開啟加熱裝置。二氧化碳濃度偏小時啟動二氧化碳發(fā)生器或開創(chuàng)通風。項目四：感應式圖書翻閱器：利用兩個紅外感應器制作感應式圖書翻閱器，實現(xiàn)學校簡介內(nèi)容的模擬翻閱，當手勢從左到右時，圖書往后翻頁，反之則往前翻頁。項目五：雨水感應收收衣裝置：設(shè)計一個雨水感應自動收衣裝置，當雨水感應器上滴到雨滴或天色明顯變暗時，啟動機械臂把衣服收進陽臺。如果雨水感應器的水滴被曬干（雨轉(zhuǎn)多云），光線又足夠亮時，衣服再次曬出。主人可設(shè)置預約收衣時間。20思考與練習1.使用Scratch編程工具與傳感器，實現(xiàn)現(xiàn)代物流中的車輛循跡與物品投放。2.使用Scratch編程工具與傳感器，實現(xiàn)共享單車的開啟與還車。學習STEM教育技能，

提升師范生核心競爭力！第五章STEM教育常用工具：思維導圖23第一節(jié)思維導圖概述一、思維導圖作用思維導圖是一種表達放射性思維的圖形工具，通過運用一些線條、符號、詞匯和圖像來把一長串枯燥的信息，變成彩色的、容易記憶的、有高度組織性的圖。思維導圖運用圖文并重的技巧，把各級主題的關(guān)系用相互隸屬與相關(guān)的層級圖表現(xiàn)出來，把主題關(guān)鍵詞與圖像、顏色等建立記憶鏈接，可以幫助我們系統(tǒng)的梳理知識，擴展思維，幫助我們在某一個創(chuàng)意下深挖，進行垂直思考，將頭腦中的創(chuàng)意變成可被執(zhí)行的創(chuàng)造力。思維導圖至少有以下5個作用：（1）發(fā)散思維；（2）整理思緒；（3）挖掘創(chuàng)意；（4）強化記憶；（5）站在迷宮之上看迷宮。24第一節(jié)思維導圖概述二、思維導圖軟件介紹MindManager是一款專業(yè)思維導圖軟件，在企業(yè)和教育等領(lǐng)域都被廣泛應用。MindManager可創(chuàng)建專屬于自己的導圖主題風格，只需編輯一次即可無限循環(huán)套用；提供演示模式，可將導圖內(nèi)容以幻燈片形式展示在電腦屏幕上；支持多種文件格式的導出，導出為圖像時還可選擇顏色質(zhì)量和位圖尺寸等；提供甘特圖協(xié)助進行項目管理，以圖示的方法通過時間刻度和項目活動形象地表示出任務計劃的進度和期限等；可通過優(yōu)先級、進度、圖標、附件元素等方式來索引主題，快速地定位目標信息；可使用導圖組件功能快速便捷地制作思維導圖；可用MindManager宏編輯器來新建代碼模塊、對象模塊等；可通過公式計算主題屬性值，導圖上的任一主題可以包含一個或多個公式，計算的屬性也會動態(tài)更新。25第一節(jié)思維導圖概述三、MindManager思維導圖軟件使用方法參看思維導圖使用視頻26第二節(jié)思維導圖體驗案例（一）案例1：產(chǎn)品操作使用思維導圖【案例任務】根據(jù)多功能電熱鍋（養(yǎng)生壺）使用說明書，提煉產(chǎn)品操作使用關(guān)鍵步驟，制作一張思維導圖，明確說明產(chǎn)品性能、操作、維護、保修等方面內(nèi)容?！景咐谱鳌俊景咐龜U展】對于現(xiàn)有內(nèi)容思維導圖的繪制，主要是幫助學生樹立知識點，理清關(guān)鍵點以及知識點內(nèi)部邏輯關(guān)系。該方法還可以用于已有內(nèi)容知識點的梳理與學習，如課程知識點的梳理和復習，報告、會議主題提煉，論文知識點的梳理等。27第二節(jié)思維導圖體驗案例（一）案例1：產(chǎn)品操作使用思維導圖28第二節(jié)思維導圖體驗案例（二）案例2：假期出行準備思維導圖【案例任務】張磊今年五一節(jié)有三天假期，將要帶著5歲的兒子、65歲的母親和妻子一起出游去浙江千島湖游玩，請你幫助做一張思維導圖，列出出游準備的相關(guān)工作?！景咐谱鳌康谝徊剑好鞔_要解決的問題：為假期出行需要做的準備工作；確定關(guān)鍵要素：出行人員、目的地、旅行時間、出行方式等；考慮解決問題的幾個方面：路線、食宿、物品等，相關(guān)的細節(jié)問題：老人、孩子。第二步：打開制作軟件，新建導圖。將現(xiàn)有信息和考慮到的問題作為父主題，開始繪制思維導圖。在繪制的過程中盡可能的將相關(guān)問題考慮全面，先不著急添加子主題。第三步：將問題整體繪制結(jié)束后，查閱資料，依據(jù)每個問題的實際情況和特殊情況做出不同回答。第四步：將充分全面的回答作為子主題添加到對應父主題之后。第五步：所有問題有了結(jié)果后，調(diào)整導圖分支的疏密，使其看起來舒適美觀。第六步：最后調(diào)整思維導圖的顯示風格，風格可與內(nèi)容一致，也可選擇自己喜歡的風格。這類比較輕松的主題可以考慮使用較為活潑的思維導圖風格。第七步：完成思維導圖制作，進行保存。29第二節(jié)思維導圖體驗案例（二）案例2：假期出行準備思維導圖30思考與練習1.使用思維導圖工具整理本課程“第二章STEM教學設(shè)計”內(nèi)容。2.使用思維導圖工具整理現(xiàn)代港口物流或機場物流工作流程。學習STEM教育技能，

提升師范生核心競爭力！第六章STEM教育常用工具：3D打印33第一節(jié)3D打印概述3D打?。?DPrinting）又稱增材制造，是一種新的快速成型方式?；驹矶际钳B層制造，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等可黏結(jié)或可固化材料，由快速原型機在X-Y平面內(nèi)通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z坐標間斷地作層面厚度的位移，最終形成三維立體實體產(chǎn)品的技術(shù)。34第一節(jié)3D打印概述一、3D打印的應用3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀90年代中期，最早起源于美國。目前廣泛應用于航天儀器、軍用艦艇零件、醫(yī)用器官、房屋建筑、汽車制造、珠寶設(shè)計等各行各業(yè)、諸多領(lǐng)域。隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等趨勢。35第一節(jié)3D打印概述一、3D打印的應用近年來，3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域運用也越來越多。一是作為教學輔助用具，提高教學效率，促進學習效果。例如可以通過課堂將3D打印的實物立體展示，使得學生對各學科抽象概念理解深刻，并將3D打印技術(shù)帶進中小學課堂，學生學習如何在計算機上設(shè)計制造模型，完成設(shè)計小實物的設(shè)計，比如桌子、凳子、杯子以及其他物品，然后通過3D打印出來。二是營造真實的問題情境，提高學生的學習參與度和實踐能力。例如讓學生自主去博物館和創(chuàng)意廣場進行信息采集和設(shè)計，在電腦上完成圖稿設(shè)計，使用3D打印機制作模型。三是激發(fā)學生想象力，提高創(chuàng)新思維的能力。例如創(chuàng)客活動中，利用3D打印技術(shù)幫助實現(xiàn)機器人、航模等作品的零部件設(shè)計和實體打印，從而提升學生的設(shè)計創(chuàng)新能力。3D打印為教育行業(yè)打開了一扇新窗口，一些教育機構(gòu)和組織正在研究、探索如何將該技術(shù)應用到教學和學習中，學生不僅可以享受到這種最新潮技術(shù)輔助教學的便利以及各種創(chuàng)新用法，還可以此作為促進他們學習設(shè)計技能的推動力，更會對他們的技術(shù)素養(yǎng)和未來的職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。我們需要訓練學生如何掌握這個行業(yè)和領(lǐng)域的技能，如何使用這些工具。36第一節(jié)3D打印概述二、主流3D打印技術(shù)根據(jù)打印物體的使用方法、材質(zhì)不同，打印技術(shù)劃分為若干種，常見的有FDM熔融層積成型技術(shù)、SLA立體平版印刷技術(shù)、三維粉末粘接技術(shù)、SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)等。FDM熔融層積成型技術(shù)（熔絲堆疊技術(shù)）：將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據(jù)截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個實體造型。主要材料ABS和PLA。優(yōu)點是成型材料種類多，成型件強度高、精度較高，價格便宜，可以打印任何想打印的東西。缺點是打印速度慢，表面過于粗糙。主要適用于成型小塑料件。37第一節(jié)3D打印概述二、主流3D打印技術(shù)SLA立體平版印刷技術(shù)（光固化成型技術(shù)）：以液態(tài)光敏樹脂為原料，通過計算機控制激光按零件的各分層截面信息在液態(tài)的光敏樹脂表面進行逐點掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，直至得到三維實體模型。優(yōu)點：成型速度快，自動化程度高，可成形任意復雜形狀，尺寸精度高，主要應用于復雜、高精度的精細工件快速成型。38第一節(jié)3D打印概述二、主流3D打印技術(shù)三維粉末粘接技術(shù)（3DP技術(shù)）。3DP技術(shù)采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。通過噴頭用粘接劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。工作原理是先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后不斷重復鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加，獲得最終打印出來的零件。未被噴射粘結(jié)劑的地方為干粉，在成形過程中起支撐作用，且成形結(jié)束后，比較容易去除。用粘接劑粘接的零件強度較低，還須后處理。39第一節(jié)3D打印概述二、主流3D打印技術(shù)SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。通過預先在工作臺上鋪一層粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末），然后讓激光在計算機控制下按照界面輪廓信息對實心部分粉末進行燒結(jié)，然后不斷循環(huán)，層層堆積成型。該方法制造工藝簡單，材料選擇范圍廣，成本較低，成型速度快，主要應用于鑄造業(yè)直接制作快速模具。40第一節(jié)3D打印概述三、3D打印機結(jié)構(gòu)與工作原理1.3D打印機結(jié)構(gòu)一臺FDM3D打印機主要是電子部分、機械部分和軟件三部分構(gòu)成。電子部分包括：系統(tǒng)板、主板、電機驅(qū)動板、溫度控制板(如果采用熱敏電阻測溫一般不需要用到溫控板)、加熱管、熱電偶(或者是熱敏電阻)、熱床等；機械部分：現(xiàn)在大部分是采用步進電機帶動同步帶的方式，有的使用滑臺組成XYZ軸，所以就需要電機、支架、同步輪、同步帶等；軟件部分：固件、上位機程序、燒錄軟件。41第一節(jié)3D打印概述三、3D打印機結(jié)構(gòu)與工作原理PanowinF3CL打印機結(jié)構(gòu)圖。標注：1.擠出機2.噴嘴及冷卻風扇3.斷料檢測裝置4.物料架及料盤5.開關(guān)和電源插座6.SD

卡槽和USB

接口7.

擠出機排線8.

導料管9.

控制旋鈕10.

顯示屏11.Z

軸螺桿12.復位開關(guān)(副開關(guān)）42第一節(jié)3D打印概述三、3D打印機結(jié)構(gòu)與工作原理2.3D打印機工作原理打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。利用這種技術(shù)理論上幾乎可以造出任何形狀的物品。3D打印機由XYZ三個軸向運動來構(gòu)建三維模型，X-Y方向控制平面打印，Z軸控制打印高度。打印機打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機打印的截面厚度可達到16微米薄。而平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。打印出來的"墨水滴"的直徑通常為50到100個微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個模型通常需要數(shù)小時到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復雜程度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時間縮短為數(shù)小時，當然其是由打印機的性能以及模型的尺寸和復雜程度而定的。43第一節(jié)3D打印概述四、3D打印的一般流程3D打印一般分為4個步驟：1.三維建模：通過三維軟件設(shè)計精美的模型圖，常用的三維設(shè)計軟件有：3Dmax、Maya、Ug、犀牛、Sketchup等。三維建模后將模型保存為.STL。2.切片：3D打印的“堆積”圖案層在打印成型的作品能看到明顯的“層”感。那么3D打印機又是如何控制模型的打印層數(shù)、打印時間和打印路徑呢？三維模型建好后就要進行一個重要的環(huán)節(jié)“模型切片”。3D打印模型在設(shè)計好之后，將STL文件導入到切片軟件（如Pango）中進行切片，導出3D打印機可識別的.Pcode文件，這個打印文件會精確地“告訴”3D打印機如何控制打印進程。3.打?。簩㈦娔X連接3D打印機打印，因打印時間較長，推薦將.STL文件拷入SD卡中，將SD卡插入3D打印機中進行打印。本次打印使用PanowinF3CL型號，該機具有精度高、打印速度快、性能穩(wěn)定等特點，廣泛應用于教育科研、機械制造、航天軍工等行業(yè)。4.打磨：雖然現(xiàn)在3D打印機的精度已經(jīng)足夠高，但是彎曲部分，還是會有一些粗糙，另外在一些鏤空或者活動連接件上面，有些機器會用到支撐物，所以往往打印接收后，還需要人手工進行一些精度的打磨或者去處支撐物的工作。44第一節(jié)3D打印概述3D打印一般分為4個步驟：（1）建模（2）切片（3）打印（4）打磨45第三節(jié)3D打印五、Sketchup建模軟件Sketchup又名谷歌草圖大師，是極受歡迎并且極易使用的3D設(shè)計軟件，有電子設(shè)計中的“鉛筆”的美譽。Sketchup軟件簡單易學，以圖形的方式進行建模，具有獨特見解的界面，適合于初學者在短時間內(nèi)掌握，在中小學生有廣泛使用。1.Sketchup建模軟件特點（1）Sketchup軟件有方便的推拉功能，通過一個圖形就可以迅速生成3D幾何體，迅速生成任何位置的剖面，還可快速導入JPG、3DS等文件格式實現(xiàn)方案構(gòu)思、效果圖與施工圖繪制的完美結(jié)合，同時提供與AutoCAD等設(shè)計工具的接口。（2）Sketchup還自帶大量門、窗、柱、家具等組件和建筑肌理邊線需要的材質(zhì)庫，還有龐大的3D模型庫，為設(shè)計者提供便利。（3）Sketchup廣泛應用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計、建筑等多領(lǐng)域中。46第一節(jié)3D打印概述五、Sketchup建模軟件2.Sketchup軟件建模過程請參看“3D打印——紐扣”教學視頻47第一節(jié)3D打印概述六、Pango切片軟件切片軟件的功能是將3D模型細分成可以打印的薄度，然后計算其打印路徑，也就是對模型進行微分計算路徑，再將切片計算好的模型文件導入到3D打印機中，使打印機根據(jù)切片軟件預先設(shè)定好的參數(shù)、路徑來進行工作。目前，絕大多數(shù)FDM桌面級3D打印機廠商都會開發(fā)配套的3D切片軟件，大大提高了3D打印機的工作性能。