基于3D 打印技术教具的设计、开发与制作：以“鸟的双重呼吸”教具为例

金浪，邓可

（贵州师范学院生物科学学院，贵州 贵阳 550018）

1 本研究的意义

此研究是基于3D 打印技术的设计、开发、制作的“鸟的双重呼吸”3D 立体动态教具。可以应用于初中生物教学中，帮助学生突破学习“鸟的双重呼吸”这一重难点，从而理解“鸟的双重呼吸”重要概念。

2 研究内容

对“鸟的双重呼吸”教具进行三维建模并选材，根据“鸟的双重呼吸”教具的三维建模进行3D 打印，通过物联网技术对“鸟的双重呼吸”教具进行光、电的程序编程，制作并完善“鸟的双重呼吸”3D 动态教具。

3 具体研究过程

3.1 “鸟的双重呼吸”立体动态教具的设计

3.1.1 设计依据

本研究参考初中《生物学》（人教版）八年级上册第一章“动物的主要类群”中“鸟的主要特征”内容，刘凌云、郑光美编写的《普通动物学》（第4 版）第20 章“鸟纲”中“鸟的主要特征”内容，家鸽的呼吸系统包括气管、肺和气囊，其肺内壁有大量毛细血管，气囊一般有9 个，分布于内脏、骨腔以及某些运动肌肉之间。在此基础上进行“鸟的双重呼吸”教具设计。

3.1.2 设计图

根据鸟的呼吸单位和外貌形状结构比例，制作教具为长35 cm、宽17 cm、高40 cm。翅膀长度为33 cm、宽为10 cm。鸟的肺外直径设置为长10 cm、外直径4.5 cm、内直径4 cm，气囊长6 cm、直径为3 cm，气管的长度为10 cm，内直径为1 cm。再根据鸟的呼吸单位的结构示意图和外形示意图，设计并绘制“鸟的双重呼吸”立体动态教具的图纸，如图1—图3 所示。

图1 “鸟的双重呼吸”教具正面设计图

图2 “鸟的双重呼吸”立体动态教具的侧面结构示意图

图3 鸟的呼吸器官结构示意图

3.2 “鸟的双重呼吸”立体动态教具材料的选择

3.2.1 鸟的外部结构材料选择

此教具外部结构包括了鸟的外壳、翅膀、鸟头3个部分。

外壳部分：选择透明树脂进行3D 打印。因为该教具应用于课堂教学，所以选择透明树脂打印外壳，能让学生直观地观察家鸽在双重呼吸过程中肺和气囊的变化。

翅膀部分：选择真实羽毛和竹片进行制作，使教具更加逼真。

鸟头部分：选择尼龙材料，打印的鸟头逼真，同时减轻教具的质量。

3.2.2 呼吸器官结构材料的选择

鸟的呼吸器官包括气管、肺、气囊3 个部分。

气管部分：选择透明树脂材料，因为家鸽气管为后壁略扁平的圆筒形管道，所以，选择透明树脂通过3D 打印出立体的、比例合适且透明的气管，这样能通过LED 灯带演示观察到气管内气体流动情况。

肺部：选择透明树脂材料，因为家鸽肺是一个立体的圆锥形结构，所以选择透明树脂，并通过3D 打印，体现鸟肺部立体的圆锥形结构的特点。另外，肺上有大量的毛细血管，故用红色染料在肺上绘制鸟的毛细血管网，模拟肺上的毛细血管网。3D 打印鸟肺可以让学生清楚地看到肺内LED 灯带演示气体流动方向和交换过程。

气囊部分：气囊选择黄色6 cm 长、直径3 cm 气球制作，因为气囊是立体的囊状结构，选择气球可以体现气囊的囊状结构、可舒张性和储存气体的功能。

3.2.3 控制系统材料选择

控制系统分为电源适配器、控制器、单向阀3 个部分。

电源适配器：选择XVE-120100 型号的电源适配器。为了更好地演示鸟的双重呼吸过程，就需要对电路的供电电源电压变化进行设计和控制，根据教具正常使用的电压，选择XVE-120100 型号的电源适配器，使教具得以正常运转。

控制器：选择UNO-R3 型号的Arduino 单片机，其作用是整体控制教具演示过程中肺、气囊、灯带、翅膀的运行。

单向阀：为物联网技术设计在Arduino 单片机上的一个控制程序，分别控制气泵的抽气、充气，翅膀的上下煽动顺序，灯带的暗、亮顺序。使教具有序地做出程序设计好的动作，完成鸟的双重呼吸的演示过程。

3.2.4 附属物部分的材料选择

本研究制作的教具为3D 立体结构，为了使学生更容易观察到立体结构和动态过程，因此需要设计附属物结构，包括动力装置、支撑装置、指示装置。

动力装置部分：选择SG90型电压为5 V舵机马达、ZR320-02PM 型12 V 电压充气泵、抽气泵、12 V 电池，在鸟的结构中，为了让学生理解鸟的双重呼吸过程，所以设计了动力装置，为教具的正常运行提供舵机马达运行动力、抽气泵抽气动力和充气泵充气动力、LED灯带的运行动力，有助于学生的直接观察。

支撑装置：支撑装置为底座，底座选择的材料为光敏树脂，由于“鸟的双重呼吸”教具有一定的重量，需要一个支撑装置将其支撑稳定，相比于其他材料，光敏树脂的遮光性强、材质坚硬、质地轻，且底座为中空结构，能容纳附属材料，使教具更加美观。

指示装置：选择直径1 cm 的红、紫色LED 灯带，因为鸟的呼吸过程在体内进行，学生不能直观地看见，因此本教具选择2 种颜色的灯带，方便学生直观地看到鸟在双重呼吸过程中气体的流动情况。

3.2.5 材料的规格

鸟双重呼吸教具结构材料规格如表1 所示。

表1 “鸟的双重呼吸”教具结构材料规格表

3.3 “鸟的双重呼吸”立体动态教具制作方法和步骤

3.3.1 教具外壳、鸟头、肺和气管的建模及打印

用犀牛建模软件3D 建模构建出外壳、肺和气管、鸟头的模型和尺寸。用构建的3D 模型通过上海联泰牌AH1909008C 600×600×400 型号3D 打印机，使用尼龙材料3D 打印出鸟头，使用透明树脂材料3D 打印出外壳、肺、气管，然后将3D 打印机打印出来的模型进行剥离、修整、抛光等后期处理，得到最终的成品。

3.3.2 仿真翅膀制作

首先用木条构建出翅膀的框架，再将家鸽白色羽毛用520 胶水粘在翅膀框架上，构建出家鸽仿真翅膀。

3.3.3 Arduino 单片机设计程序制作

借助物联网技术，用Visual Studio 2019 软件设计3 个程序。程序作用：控制气泵充气和抽气、控制翅膀上下煽动、控制灯带的亮起顺序。

3.3.4 附属物部分的制作方法和步骤

舵机马达的组装：首先用热熔胶将翅膀的凸出竹片和舵机马达的转轴相连接，然后用热熔胶将舵机马达固定在教具外壳合适位置。

气泵与呼吸器官的组装：用2 mm 直径的橡胶管将抽气泵和充气泵的充气孔和抽气孔连接，然后用一个2 mm 直径的三角玻璃管将充气、抽气泵的橡胶管连接在一起。另外，再用一根2 mm 直径的橡胶管将三角玻璃管的另一端与气管相连接。

指示装置的组装：用剪刀取绿、紫2 种灯带各50 cm，将灯带平直放在气管和肺内。

底座：用犀牛建模软件进行底座的建模，将构建的3D 模型通过上海联泰牌AH1909008C 600×600×400 型号3D 打印机，用光敏树脂材料3D 打印出底座。

3.3.5 “鸟的双重呼吸”立体动态教具的组装

教具外部结构的组装：将翅膀与舵机马达连接的整体部件用热熔胶固定在教具外壳上，完成翅膀的组装。

教具呼吸器官的组装：因为气管和肺是制作为一体的，因此只需要用橡皮筋将4 个黄色气球均匀地固定在肺上，即完成呼吸器官的组装。

充气、抽气装置的组装：将气泵和呼吸器官的整体部件用热熔胶固定和封闭，使气管管口与教具外壳颈部的孔平齐。

教具的数据和电能供应系统的组装：用数据传输线将电池与Arduino 单片机相连接，实现Arduino 单片机电能供应。然后用10 cm 长的公对母型杜邦线、PL2303HX 型号串口线将舵机马达、抽气泵、充气泵、LED 灯带与Arduino 单片机相连接，完成整个教具电能供应和数据传输系统的组装，完成教具的制作。

4 研究结果和讨论

4.1 “鸟的双重呼吸”立体动态教具成品展示

教具成品如图4 所示。

图4 教具成品

4.2 教具使用方法

接通电源：接通12 V 电压电源，并打开开关。

吸气：翅膀向上煽动，绿灯带从气管到肺依次亮起，同时气泵充气，气球鼓起，代表吸气时，气体从气管进入肺，再进入气囊。

演示意义：翅膀向上煽动，表示鸟进行吸气过程。外界气体进入鸟的气管，并进入肺和气囊，气体在肺内进行第一次气体交换，进入气囊的气体储存起来。

呼气：翅膀向下煽动，紫灯带从肺到气管依次亮起，同时气泵抽气，气球变瘪，代表呼气时，气体从气囊进入肺，再排出气管。

演示意义：翅膀向下煽动，表示鸟进行呼气过程。肺内经过气体交换后的气体通过气管排出体外。同时，气囊内储存的气体进入肺，进行第二次气体交换。

演示完毕，首先关闭开关，然后切断电源，将翅膀下压收拢，装入收纳箱。