音乐魔盒创意设计

教学背景

突如其来的疫情使得很多学校延期开学，学生们开启了居家在线学习模式，长期的线上学习使得部分学生出现了心理问题，沉迷网络的情况尤为突出。对此，本项目以中国传媒大学学生心理健康教育中心负责人张静博士提出的“家庭活动法”为依据，指导学生使用3D One设计并制作一款音乐魔盒，结合编程可随意变换乐器，或是悦耳动听的钢琴，或是热情激昂的架子鼓，让家长从接纳开始，在家和孩子一起活动，转移孩子的注意力，解决他们的心理问题。

教学目标

1.学会利用3D One软件设计音乐魔盒的外壳，并结合硬件合理设计安装位，培养学生的设计思维;

2.了解“好好搭搭”硬音源模块（haodaMIDI）的工作原理;

3.学会通过编程设计音乐魔盒的音乐功能，并通过修改参数实现变换乐器，培养学生的高级思维、计算思维。

教学重点与难点

教学重点 根据各模块尺寸合理設计音乐魔盒外壳，实现各模块及线材的精准安装。

教学难点 理解“好好搭搭”硬音源模块（haodaMIDI）、好搭酷Nano及其扩展板的工作原理，通过编写程序实现乐器效果。

教学准备

“好好搭搭”硬音源模块（haodaMIDI）、好搭酷Nano及其扩展板、杜邦线、电烙铁、热熔胶枪、厚0.2mm的铜片、打孔器、AUX 3.5mm音频线、直径36mm的4欧3瓦小喇叭、数字功放模块、游标卡尺。

教学过程

一、初识haodaMIDI模块，构思创意设计

（一）初识MIDI，了解原理 MIDI乐器数字接口解决了电声乐器的通信问题，它传输的不是声音信号，而是音符、控制参数等指令，指示MIDI设备要做什么、怎么做，如演奏哪个音符、多大音量等。

（二）确定参数及控制代码   信号：1-地，2-电源，3-信号;波特率：31.25×（1±0.01） Kbaud;工作电压：3.3V;接口：XH2.54mm-3P;尺寸：48mm×24mm。haodaMIDI通信协议为异步串口协议，波特率为31250，只要通过信号线S发送MIDI控制指令，就能驱动haodaMIDI发出各种乐器的声音。

（三）设计方案，创意分享 根据haodaMIDI模块的功能，自主选择搭配模块进行创意方案设计，随后邀请部分学生分享自己的设计思路。

二、实践探究，外观设计

（一）精准测量，合理定位

使用游标卡尺测量haodaMIDI模块、好搭酷Nano及其扩展板的外形数据并记录。

（二）外形设计

1.打开3D One，在网格面中绘制一个长96mm、宽96mm、高45mm的六面体;利用“抽壳”命令对六面体进行抽壳，厚度-2.5mm，开放面选择六面体的顶面和底面。

2.使用“直线”命令，点击六面体边框顶面进入草图，沿边框外侧边绘制一个长96mm、宽56mm的草图，点击“完成”退出草图绘制界面;选择“拉伸”命令拉伸草图，拉伸高度2mm;选择“移动”—“动态移动”，拖动黄色移动手柄移动-5mm，完成琴键底板绘制。

（三）琴键设计

1.在琴键底板的中心点上绘制一个长52mm、宽8.4mm、高3mm的六面体;利用“移动”命令中的“动态移动”参数，拖动红色移动手柄移动2mm;选择“阵列”—“线性阵列”，沿左右方向各阵列一次，距离40mm，数量5个。

2.随后使用“圆角”命令对琴键进行圆角操作，圆角距离1.5mm，同时对音乐魔盒边框外角和内角也进行圆角操作，外角圆角距离5mm，内角圆角距离3mm。

3.使用“直线”命令点击最左侧的琴键进入草图绘制界面，在两个琴键间绘制一个长36mm、宽5.2mm的草图;选择“拉伸”命令拉伸草图，拉伸高度-3mm;再在刚才的模型上绘制一个长35mm、宽4.4mm、高5mm的六面体，选择浮动工具栏上的“隐藏几何体”命令，将绘制好的六面体隐藏;随后阵列绘制好的模型，阵列数量8个，距离70mm;删除从右数起的第2个和第6个模型，点击“组合编辑”—“减运算”，基体为9个琴键，合并体删除刚才所得剩余的6个模型。

4.选择浮动工具栏上的“显示几何体”命令，将刚才隐藏的六面体恢复显示;选择“移动”—“动态移动”，拖动黄色移动手柄移动-3mm;使用“圆角”命令对黑键进行圆角操作，圆角距离3mm;选择“阵列”—“线性阵列”，阵列方向向左，距离70mm，数量8个，删除从右数起的第2个和第6个黑键;点击“组合编辑”—“加运算”，将琴键和音乐魔盒边框进行组合。

5.选择“参考几何体”命令，点击音乐魔盒边框顶面进入草图，绘制音乐魔盒顶盖的草图（如图1）;选择“拉伸”命令拉伸草图，拉伸类型“对称”，拉伸高度5mm。点击“组合编辑”—“加运算”，将音乐魔盒顶盖和边框进行组合。

（四）定位设计

1.使用“直线”命令，点击最左侧的琴键进入草图绘制界面，以琴键下方直线的中心点向上绘制一条长5mm的直线，并以这条直线的上方顶点为圆心绘制一个半径为3.1mm的圆，删除直线，然后退出草图绘制;选择“阵列”—“线性阵列”，阵列方向向右，距离80mm，数量9个;依次对平面圆进行拉伸，选择“减运算”，拉伸距离-0.2mm。

2.以圆形凹槽的中心作为圆心绘制一个半径为1.1mm的圆柱体，高-10mm;选择“阵列”—“线性阵列”“减运算”，阵列方向向右，距离80mm，数量9个。

3.选择“参考几何体”命令，点击音乐魔盒边框底面进入草图，参考边框外侧和内侧分别绘制音乐魔盒底盖的草图;然后分别拉伸两个底盖草图，厚度分别为2.5mm和-2.5mm。隐藏音乐魔盒盒体后将两个底盖进行“加运算”组合;完成后恢复盒体，隐藏底盖。

4.将视图调整到“左”，使用“直线”命令点击盒体侧面进入草图，沿左侧边向下绘制一条长10.7mm的直线，再以直线下方端点为起点向右侧绘制一条长20.4mm的直线，再以此直线右侧端点为起点，向右下绘制一个长12mm、宽10mm的草图，在下方边线延长6mm处绘制一个长9mm、宽4mm的草图，删除多余的辅助线（如图2）;拉伸草图，选择“减运算”参数，拉伸距离-10mm。

5.将视图调整到“前”，选择“圆柱体”—“减运算”，点击盒体后方绘制一个半径为18mm、高-20mm的圆柱体，完成喇叭孔位。最后，恢复显示底盖。

（五）切片打印

使用3D打印机，把音乐魔盒分成魔盒盒体、魔盒盒盖两个模块进行切片打印并组装。

三、安装调试

（一）模块安装

将准备好的haodaMIDI模块、好搭酷Nano及其扩展板、杜邦线、喇叭、AUX 3.5mm音频线、数字功放模塊、铜片等，利用电烙铁、热熔胶枪组装在音乐魔盒内，扩展板使用9V电源供电。

（二）模块接线

首先，将好搭酷Nano扩展板和haodaMIDI模块连接，信号线S接扩展板的D13，G接G，V接V;把9根杜邦线分别接扩展板的D2至D10;喇叭连接到数字功放模块，将扩展板上的5V和GND接口接到数字功放模块的电源上;AUX 3.5mm音频线一头接haodaMIDI模块的音频输出口，另一头接数字功放模块的音频输入口。

（三）程序设计

进入好好搭搭网站，登录账号，选择“创作”—“U盘下载模式编程”—“好搭酷Nano”，进入程序设计界面，根据功能需求完成程序的设计。以大钢琴为例，haodaMIDI模块接线在D13，因此在初始化程序中选择D13，通道13，音色选择为大钢琴（如图3）。程序设计完成后，将程序下载到好搭酷Nano，通上电源就可以使用了。

教学反思

疫情期间，学生们在家学习之余，自己动手设计和制件一款放松心情的音乐魔盒，和家长们比一比谁演奏的乐曲更美妙，还可以通过更改程序随意变换乐器，体验不同乐器带来的乐趣，这就是取名“音乐魔盒”的原因。学生们在设计制作的过程中综合运用多学科知识，培养了跨学科学习的能力，同时设计思维、计算思维等方面的能力也得到了提升。

（本课件由i3DOne青少年三维创意社区推荐）

沈志宏 上海外国语大学附属浙江宏达南浔学校信息技术教师，中小学一级教师，浙江省湖州市技术能手，南浔区教学能手，3D打印造型师（国家职业资格三级）。曾辅导学生在2017年全国中小学生电脑制作活动中获3D创意设计三等奖;2018年荣获第二届湖州市“南太湖计划”青少年创客大赛一等奖;2019年中国科学院ACME未来科技挑战赛无人机自动巡航与定点降落竞赛冠军。个人著作《轻松玩转3D One与3D打印》由人民邮电出版社于2018年5月出版发行。