《机器狗的3D打印与演示》教学大纲
课程英文名 | 3D printing design and demonstration of robot dog | 课程代码 | 17E0012 |
学分 | 1 | 总学时 | 16 | 理论学时 | 4 | 实验/实践学时 | 12 |
课程类别 | 通识教育课 | 课程性质 | 通识任选 | 先修课程 | |
面向对象 | 全校本科生 | 开课学院 | 工程训练中心 |
执笔人 | 郑小飞 | 审定人 | 张松慧 | 制定时间 | 2020 年10月 |
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一、课程地位
本课程结合3D打印技术设计出了一款基于STM32的四足机器狗，模拟了犬类的行走姿态。控制器主要以STM32为核心，它接收到来自上位机软件所发出的舵机指令，再利用芯片产生的9路标准脉宽型控制协议控制机器狗的每个关节运动，从而实现相应的运动步态。
3D打印，或称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。尤其适合工科、设计及综合类院校的大部分专业作为培养学生创造力的有力工具。可以应用3D打印技术的学科门类很广，所涉及的专业技术内容也十分广泛。3D打印可以用于概念设计、产品样机、产品制造这三个产品开发阶段，主要应用数字化设计和制造工具来进行新产品开发或旧产品的改型设计。3D打印机和3D计算机辅助设计软件结合可以培养学生的设计、创新能力，为将来从事创造性工作奠定基础，拓展学生视野使学生了解3d打印在工程中应用。
二、课程目标
本课程循序渐进介绍 机器狗与3D 打印结合设计的相关基础知识及课程中与信息技术、科学、语文等学科相关的知识，通过让学生自主的在探索中学习、思考，寻找问题的解决办法，动手实践，展示创造成果等方式，提升学生的创新思维和创造能力，弥补传统教育忽视动手实践能力、创新能力和个性发展的缺陷，激发其创造的潜能与兴趣。
其主要任务是培养学生：
1. 能力目标：分析机器狗、产品草绘结构及产品相关零件图;提升学生的设计空间的想象能力;产品设计能力;能完成机器狗设计和打印及基本行走姿态调试。
2. 知识目标:掌握机器狗与3D打印结合设计结构部件的建模方法，掌握三维实体造型、建模、曲面设计打印与制造工艺；了解机器狗与大自然犬类四足动物的行走运动学基本原理。
3. 课程思政目标:通过学习完本课程，达到培养学生独立分析问题，解决问题的能力;拥有实事求是的学风和创新精神；具有培养良好的协作精神。
三、课程目标达成的途径与方法
1、通过PPT讲解和视频了解3D打印的工作原理、主流技术及在在科研、教育、制造等行业中的应用。
2、实践讲解桌面型3D打印机操作：掌握3D打印机的结构组成、打印准备工作、打印软件的操作等等。
3、通过教学讲解掌握建模基础知识、建模方法、建模技能及CAD数据转换，掌握STL数据文件及处理，打印工艺优化（支撑、壳、填充方式的优化），掌握3D打印技术及作品的上色、修磨等等；通过教学了解机器狗与大自然的四足犬类对比，对机器狗姿态行走有一定了解。
四、课程主要内容与基本要求
本课结合3D打印点亮红色文化，让课程思政从书本走进学生心头，是课程的教育理念。本课程将三维数字和打印喷头巧妙连接思政教育与专业教育，让红色故事有“触感”、红色历史“活起来”，更让新时代思政课“潮起来”。学生从动手创意选择开始，体验3D打印的全过程，将热爱的红色文化立体呈现出来。
通过手工体验，厚植爱党爱国情怀，深入了解了作品背后蕴含的故事和历史，沉浸式体验革命先辈排除万难、坚持斗争、无私无畏、不怕牺牲的革命斗志，更加坚定社会主义和共产主义的理想信念，未来将努力在坚持和发展中国特色社会主义伟大进程中创造无愧于时代、无愧于人民、无愧于先辈的青春业绩，把“立德树人”作为教育的根本任务的一种综合教育理念。
本课程循序渐进介绍机器狗与3D 打印结合设计的相关基础知识及课程中与信息技术、科学、语文等学科相关的知识，通过让学生自主的在探索中学习、思考，寻找问题的解决办法，动手实践，展示创造成果等方式，提升学生的创新思维和创造能力，弥补传统教育忽视动手实践能力、创新能力和个性发展的缺陷，激发其创造的潜能与兴趣；形成初步的3D制造技术概念，掌握如何设计出适合3D打印的模型建模，掌握3D桌面打印机使用，以及对AI机器狗姿态进行基本开发编程实现最基本人机交互。
五、课程学时安排
章节号 | 教学内容 | 学时数 | 学生任务 | 对应课程目标 |
第一章 | 1.1 3D打印基础知识、原理及发展现状和应用前景 1.2 3D打印机操作编程演示 课程思政融入点：介绍3D打印技术的演变过程，历代伟人的巨大贡献，培养学生的爱国精神。 | 1 | 了解先进制造的发展 | 课程目标1，3 |
第二章 | 2.1 三维设计基础知识讲解 2.2 软件安装学习 2.3 三维建模的方法讲解 课程思政融入点：介绍3D打印技术的演变过程，培养学生崇尚科学、探究科学学习态度。 | 1 | 建模技能练习 | 课程目标2，3 |
第三章 | 3.1 3D打印数据处理技术 3.2 3D打印切片讲解 课程思政融入点：传授3D打印机软件编程，培养学生崇尚科学、探究科学学习态度。 | 1 | 3D打印数据处理练习 | 课程目标2，3 |
第四章 | 4.1 moco机器狗控制板讲解 4.2 moco机器狗控制板连线 4.3 moco机器狗控制板调试 课程思政融入点：传授硬件软件结合设计，培养学生崇尚科学、探究科学学习态度。 | 1 | 了解控制板连线 | 课程目标2，3 |
六、实践环节及基本要求
序号 | 实验项目名称 | 学时 | 基本要求 | 学生任务 | 实验性质 | 实验类别 |
1 | 3D打印机操作与打印参数设置学习。 课程思政融入点：传授3D打印机软件编程，培养学生崇尚科学、探究科学学习态度。 | 2 | 自主操作机器，平台调水平、打印软件的练习等等，3D打印数据处理练习。 | 掌握3D打印机操作 | 演示性 | 必做 |
2 | 3D打印机日常维护。 课程思政融入点：由3D打印机日常维护引导学生形成正确的人生观、价值观。 | 1 | 3D打印机校准，打印机进出丝换材料，简单故障排查 | 能自主排查打印机故障 | 演示性 | 必做 |
3 | 设计一件作品。 课程思政融入点：传授3D打印机软件编程设计，培养学生崇尚科学、探究科学学习态度。 | 2 | 建模技能练习 | 设计完成机器狗或其他作品一件 | 设计性 | 必做 |
4 | 完成其3D打印制作任务。 课程思政融入点：传授3D打印机制作，培养学生崇尚科学、探究科学学习态度。 | 1 | 掌握3D打印机操作方法 | 自主制作一件3D打印作品 | 综合 | 必做 |
5 | 综合创新设计环节。 课程思政融入点：藉由实物组装，要求学生处理实验数据必须坚持实事求是、严谨的科学态度。 | 3 | 完成创新作品的设计与制作任务（可以是机器狗综合设计） | 完成至少1件创新作品的设计与制作任务，可以几个同学联合设计一件大型组装式创新作品。 | 综合 | 必做 |
6 | 机器狗装配及调试。 课程思政融入点：要求学生实验过程中思考理论原理，使理论与实践相辅相成。 | 2 | 机器狗装配及姿态调试，机器狗行走演示。 | 完成装配及调试 | 验证性 | 必做 |
7 | 课程答辩。 课程思政融入点：综合素质培养，把“立德树人”作为教育的根本任务的一种综合教育理念。 | 1 | 学生自主答辩 | 学生制作PPT，撰写总结报告 | 综合 | 必做 |
注：1.实验性质指演示性、验证性、设计性、综合性等；2.实验类别指必做、选做等。
七、考核方式及成绩评定
考核内容 | 考核方式 | 评定标准（依据） | 占总成绩比例 |
过程考核 | 含到课率、课堂讨论发言、平时考勤， | 签到，课堂记录 | 70 |
期末考核 | 实物验收 | 团队教师评判 | 30 |
考核类别 | 考查 |
成绩登记方式 | 五级制 |
八、推荐教材与主要参考书
（一）推荐教材：高帆《3D打印技术》著出版社:机械工业出版社出版时间:2015年10月 1．本课程属于设计类的课程
（二）主要参考书：
3陈德明.四足仿生机器人运动控制系统的设计与实现[D].西北工业大学，2007.
4范甜甜，俞志伟，杨屹巍，等.基于STM32F103VET6的四足机器人控制系统设计[J].机械与电子，2012（12）：53-55.
5张建，尹学爱.攻击型四足仿生轮式机器人设计[J].科技创新应用，2017（33）：39-41.
