蔡瑞衡 謝作如

學(xué)科關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)、藝術(shù)、技術(shù)

激光切割機(jī)是創(chuàng)客空間中的常見造物設(shè)備，它利用激光束照射到材料表面時(shí)釋放的能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)木板、硬紙板、亞克力板等材料的切割或者雕刻操作。相對(duì)于3D打印機(jī)來說，激光切割機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是加工速度快、材料便宜，一塊A4大小的奧松板經(jīng)過切割后，就能拼接出很多有趣的結(jié)構(gòu)。

繪制激光切割機(jī)加工圖紙的軟件很多，如LaserMaker、inkscape、Corel DRAW和AutoCAD等。但是，用在平面上繪制圖形再拼制出立體的模型的方式，對(duì)中小學(xué)生來說門檻比較高，因?yàn)槟菢幼霾粌H要考慮切割板材的厚度、面與面之間的配合，還要能夠理解二維向三維的空間轉(zhuǎn)換。為此我們測(cè)試了很多軟件，直到發(fā)現(xiàn)了MakerBrush，才總算找到了一個(gè)好的解決方案。

● MakerBrush的特點(diǎn)

MakerBrush是一款用“所見即所得”的形式來設(shè)計(jì)立體模型的軟件，為激光切割量身定制。在MakerBrush中，3D模型的構(gòu)建是依靠一塊塊平板“拼接”起來的，不管是用3mm還是5mm的板子，使用的建模方式都是相互拼接或者剪去（清除）不要的部分，這和常見的3D建模軟件幾乎完全不同。這種“積木式”拼、切立體模型的方式不僅直觀，還能避免對(duì)實(shí)物拼接細(xì)節(jié)考慮不周而導(dǎo)致的誤差。

MakerBrush的入門門檻很低，通過面板工具選擇確定圖形，并對(duì)圖形選區(qū)進(jìn)行繪制擦除、移動(dòng)翻轉(zhuǎn)等操作，以此實(shí)現(xiàn)模型的搭建。一般來說，經(jīng)過一兩個(gè)小時(shí)的操作學(xué)習(xí)，即可掌握基本功能。它的直線連接、自動(dòng)生成紋理等功能，方便學(xué)生做鏤空和曲面設(shè)計(jì)，此外，它還有預(yù)制和電子元件庫等專業(yè)性功能。

● 設(shè)計(jì)立體模型的一般過程

設(shè)計(jì)立體模型時(shí)，我們會(huì)先在腦海中想象實(shí)物的模樣，畫個(gè)草圖，然后再在計(jì)算機(jī)上逐一繪制平面。有了MakerBrush后，我們可以直接在軟件中利用面與面的配合，構(gòu)建模型，并全方位查看效果。

第一步，考慮設(shè)計(jì)模型的尺寸。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)手機(jī)支架，則需要了解手機(jī)的基本長、寬、高，以及擺放在桌面上合適的大小。

第二步，在MakerBrush中創(chuàng)建面。選擇一個(gè)簡單圖形作為基本面的形狀，如矩形或圓形，并進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計(jì)。

第三步，設(shè)計(jì)面與面的拼接結(jié)構(gòu)（如圖1）。激光切割中常用的拼接方式是板子的相互拼插，而不是粘膠。只要將一個(gè)面的邊緣添加一個(gè)小凸起，在另一個(gè)面中形成相應(yīng)的缺口，兩塊板子即可相互拼插形成立體結(jié)構(gòu)，MakerBrush已為我們?cè)O(shè)置好了常用板材的厚度，能夠自動(dòng)識(shí)別拼插連接。

第四步，組合不同的面。通過移動(dòng)位置、翻轉(zhuǎn)方面、旋轉(zhuǎn)角度等操作，將繪制好的不同面組合到一起，形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。

第五步，進(jìn)行裝飾與修飾。用其他符號(hào)、文字等圖案，在模型表面做切割或雕刻的個(gè)性美化。

● 典型的激光切割立體作品

1.作品一：桌牌的設(shè)計(jì)

桌牌的設(shè)計(jì)是從平面模型到立體建模的第一步。核心問題是讓桌牌立在桌面上。在MakerBrush里設(shè)計(jì)好桌牌，然后在矩形工具右邊的菜單設(shè)置倒圓角，左邊的菜單微調(diào)位置，接著在桌牌底部添加一個(gè)小凸起。通過在不同角度的查看，對(duì)圖形進(jìn)行翻轉(zhuǎn)使其互相垂直并對(duì)齊，此時(shí)繪制底面，底面會(huì)自動(dòng)識(shí)別小凸起，形成拼插結(jié)構(gòu)，具體操作如圖2所示。

2.作品二：空氣探測(cè)器

常見的創(chuàng)客作品，往往是電子元件加創(chuàng)意結(jié)構(gòu)件的組合。MakerBrush中提供各種常見的標(biāo)準(zhǔn)電子元件模型，如DF的電子模塊。

以空氣探測(cè)器為例，首先從電子元件庫里選擇相應(yīng)零件，然后設(shè)計(jì)一個(gè)好看的外觀，可以用圓形、方形、圓弧來組合成自己想要的形狀。結(jié)合圖形，給傳感器和顯示屏留個(gè)開口，開口可以用形狀來擦除。復(fù)制一個(gè)一樣的外形做背面，嵌入傳感器的固定件，再做幾個(gè)可以拼插的底面或側(cè)面，方便組裝成盒子，具體操作如圖3所示。

● MakerBrush學(xué)習(xí)路徑

按照循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)理念，我們建議MakerBrush的學(xué)習(xí)可以分為五個(gè)階段，即平面繪制、三維建模、創(chuàng)意結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)件）、電子智造（電子元件）和綜合作品，如下頁表所示。

“創(chuàng)意物化”能力是《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》中提出的四大能力之一，即要讓學(xué)生積極參與動(dòng)手操作實(shí)踐，熟練掌握多種操作技能，能夠綜合運(yùn)用技能解決生活中的復(fù)雜問題。以激光切割機(jī)為工具，設(shè)計(jì)并加工各種創(chuàng)意立體模型，是綜合實(shí)踐活動(dòng)中的“設(shè)計(jì)制作”重要的活動(dòng)選題方向。這類活動(dòng)的實(shí)施過程安全、快速，實(shí)施成本低廉，能有效增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)意設(shè)計(jì)、動(dòng)手操作、技術(shù)應(yīng)用和物化能力。MakerBrush軟件很好地降低了中小學(xué)生設(shè)計(jì)立體模型的技術(shù)門檻，其所見即所得的特征，讓教學(xué)變得更加生動(dòng)有趣，值得教師們積極嘗試。