整合3D數位設計應用的教學法

整合3D數位設計應用的教學法

       是將創意設計活動中需要的繪圖、分析與製作工作,採用3D數位設計軟體輔助,由於彼此資料相通用,且具有精密準確特性,容易辨識空間的呈現關係,對於學習設計的表現與執行力,可以給予很大的協助。相較於傳統的教學方法,學生即使有很好的設計創意,因為表現力與執行力的能力不足,也無法完成後續的設計工作。創意設計的教學活動,除了前期的構想或題材的創意引導,更需要培養縝密的思考邏輯,排除困難完成任務;透過這樣的教學法,可以應用在其它方面的教學活動,培養學生創新的思維、自信與持續完成一件工作的能力。

課程目標 

       高中階段生活科技教學著重在「工程設計」,強調藉由工程設計的專題製作活動,提供學生跨學科知識整合的學習(如科學、科技、工程與數學,簡稱STEM),並藉此發展其在科技與工程領域的設計、創新、批判思考等高層次思考能力。 

       讓學生用「自己的方法」解決問題,是這項教學活動最為重要的實施原則,符合探究式學習的精神。學生需憑藉已學習過的相關數學、科學知能,理解科技應用與工程技術的關係,轉化為實際執行問題解決方案的行動力,自行找尋靈感與可用的素材,將馬達、木頭、鋼絲等材料加以改造,完成一件玩偶機構設計為目標。具體目標如下: 

1. 能夠發揮科際整合能力,設計與製作玩偶運動需要的機構。 

2. 能統整分析機構運動的極限、機械效益、重力、平衡等動態的機構設計需求。 

3. 能善用3D數位設計的表現能力,繪製作品解說圖與撰寫完整的學習報告。

 

整合3D數位設計應用的教學法

   



一、電腦輔助繪圖CAD
電腦輔助繪圖Computer Aided Design是數位設計最核心也是最基礎的應用,本教材係採取最為簡便的指令學習,建構後續模擬分析及輔助加工需要的3D模型,並作為立體效果呈現的彩現使用。教學過程的實施應以繪圖設計應用為主要目標,而不是軟體功能或操作指令的學習,避免細節過於瑣碎與手續繁複,降低學習的意願。
 




二、電腦輔助分析CAE

電腦輔助分析 Computer Aided Engineering 是利用實體的3D數位模型,分析作品需要的空間尺寸限制,機構運動需要的條件,避免前期設計作業的不完備,造成設計瑕疵或運轉干涉,減少後續加工作業需要的修改,維持設計的品質。下表內容說明這項教材使用的電腦輔助分析部份,包括玩偶的動作、機構運動需要的空間、機械效益、重心位置等,都可以在加工製作前先行檢驗,排除後續製作時,因為設計瑕疵所造成的困難。

 

 



三、電腦輔助製作CAM

電腦輔助製作Computer Aided Manufacture ,一般需要昂貴的數值加工機械,將模型切削加工或堆疊成型。不過我們亦可採用簡便的方法,半手工作業的模式,將材料輪廓圖輸出後鋸切加工;這樣的好處不但速度較快,尺寸的精密度亦較手工測繪的方式精確,節省成本。下表內容說明這項教材使用的電腦輔助製作部份,先將玩偶的構件,輸出為精確尺寸的平面圖(花豹),直接貼在木板上切削加工,即可完成精確設計的機械玩偶作品。
 

學生的3D設計圖




為何機構設計專題要用樂高零件

       課程活動包括動手實做、更動手實驗、記錄、與分析,學習將學科知識與應用能力結合,需要許多教具與數位媒體,輔助學生理解機構設計的科學概念、原理及數學分析方法。這裡包含一些教師自製,適合發展機構設計創意的教具,可配合不同課程需要,與樂高零件搭配使用。其中,透明機構箱的設計為透明壓克力材質,方便學生觀察與使用,可搭配學生的作品需要,快速拆裝組合,方便教學使用。由於機構零件的製作,需要相當精確的尺寸與公差配合,傳統手工教學製作上,相當費時耗力,往往需要不斷修正調整,才能製作一些勉強堪用的機構;若採用樂高零件製作,可簡化其製作的困難度,讓學習的重心放在機構創意的應用,減少因為手藝不夠精練,造成學習的挫折。




學生用3D軟體繪製的機構設計圖


學生的機構設計圖


機構設計應用的案例

‎(花豹)‎同步齒輪運轉機構


樂高各種可正交軸向傳動的齒輪

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課程設計簡介

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