一、现象思考

虹吸现象：虹吸是利用液面高度差的作用力现象，将液体充满一根倒U型的管状结构内后，将开口高的一端置于装满液体的容器中，容器内的液体会持续通过虹吸管从开口于更低的位置流出。虹吸的实质是因为重力和分子间粘聚力而产生。装置中管内最高点液体在重力作用下往低位管口处移动，在U型管内部产生负压，导致高位管口的液体被吸进最高点，从而使液体源源不断地流入低位置容器。两个容器液面高低不同，用管子将两者液体连通，不论管子什么形状，在液体自身重力作用下，总有保持液面相平的运动趋势，即将流动的液体所受的合力指向下方，因此液体从高处流向低处。

虹吸管是人类的一种古老发明，中国人很早就懂得应用虹吸原理。应用虹吸原理制造的虹吸管，在中国古代称“注子”、“偏提”、“渴乌”或“过山龙”。为使学生进一步加深对虹吸现象的理解，了解我国古代劳动人民的生产智慧，进行“莫贪杯”设计制作项目学习。通过“莫贪杯”的设计和制作，教育学生为人要谦虚谨慎，不可过于自满。现结合现代信息技术，运用软件设计制作一款“莫贪杯”。

二、方案设计

1.工具材料

2015版Inventor软件

FDM型3D打印机及其耗材

其他工具或材料：尖嘴钳、笔刀、铲子

2.解决方案

根据最新公布的学生核心素养的培育要求，文化基础重在培养学生的人文底蕴和科学精神，人文底蕴强调能够习得人文、科学等各领域的知识和技能，科学精神主要是学生在学习、理解、运用科学知识和技能等方面所形成的价值标准、思维方式和行为表现。“莫贪杯”的设计与制作项目能够很好地融合上述两大要点。运用软件技术，借鉴传统公道杯的结构，将U型管埋设在杯壁之中，U型管的两端分别连通杯底和杯内，当水位高于U型管顶端时，水即从管内流向底部，直至流尽。用“满则溢”的物理现象劝诫人们不可自满。设计“莫贪杯”的长为50毫米，宽为40毫米，高为70毫米。

3.完成设计

（1）“莫贪杯”杯体建模

第一步：进入草图设计环境，单击“应用程序菜单”，选择“新建”→“零件”命令，在“三维草图”选项卡的“草图”区域中选择“创建二维草图”，选择“XZ平面”作为基准平面创建草图。单击“矩形”下拉三角并选择“两点中心矩形”绘制尺寸长为50毫米，宽为40毫米的矩形。

第二步：在三维模型中选择“拉伸”，在弹出的对话框中选择“截面轮廓”，在“范围”内选择“距离”，并输入70毫米的拉伸距离，点击“确定”，完成拉伸，生成“莫贪杯”杯体。

第三步：将光标放在底面上，以此面作为开口面，点击“三维模型”中的“抽壳”命令，在弹出的对话框中输入3毫米, 掏空杯体。 

第四步：在“三维模型”中选择“圆角”命令，在弹出的对话框中输入1.5毫米，选择杯口内侧和外侧8条边，对杯口做“圆角”处理，使杯口圆滑过渡。 

（2）U型槽及连接孔建模

第一步：选择“莫贪杯”的底面为工作平面，在底面上绘制一个半圆，使半圆的半径为2毫米,圆心距离较近相邻边长为10毫米,如下图所示。以此作为U型槽的截面。 

第二步：完成草图后，在“莫贪杯”的侧面绘制U型槽扫描路径，先将圆心投影到侧面上，再以该点为始点绘制U型槽，注意扫掠路径务必和截面相交。

第三步：在“三维模型”中选择“扫掠”命令，分别选择“截面轮廓”和“路径”，沿路径线扫掠出轮廓，选择布尔运算求差，生成U型槽。 

第四步：在U型槽最低端，绘制一个半径为2毫米的圆，用拉伸求差，求差的距离为3毫米,打孔到达杯子内部。 

第五步：选择有U型槽的侧面编辑，选择“两点矩形”拉伸杯体侧面轮廓，在弹出的对话框中输入拉伸距离为1毫米,使U型槽被覆盖。 

（3）把手建模

第一步：制作“莫贪杯”把手，先绘制把手截面轮廓，一个半径为2毫米的圆，如下图所示。 

第二步：在YZ平面上绘制把手的扫掠路径，选择“样条曲线”绘制，可以用“切片观察”命令将遮挡部分去除，以便绘制扫掠路径。

第三步：在“三维模型”中选择“扫掠”命令，分别选择“截面轮廓”和“路径”，沿路径线扫掠出轮廓，扫掠生成把手。

（4）凸雕和渲染

第一步：先将YZ平面偏移40毫米,选择文本，在平面上拉出需要凸雕的区域，输入“莫贪杯”三个字（一般选择凹雕），字体为“楷体”，字号6.1毫米。完成草图。在“三维模型”中选择“凸雕”命令，选择“从凹面雕”，在弹出的对话框中输入1毫米，完成凸雕。渲染材质（黄色松木），完成作品。

第二步：右击平面，将平移的工作平面隐藏，再渲染材质（黄色松木），完成作品。

三、实践反思

1.实践

将“莫贪杯”.ipt文件导出为.cad格式，另存为.stl格式文件模型，选择打印机类型，将文件导入，再进行移动、旋转、缩放、支撑等操作，然后选择打印喷头，选择打印材料为PLA，底板温度为50摄氏度，再保存到SD卡或U盘上机打印。打印完成后去除支撑，进行表面处理。

该模型宜选择侧面作为支撑面，因为在打印的过程中会形成支撑，U型管内的太多支撑将会影响到出水的流畅性，从而影响整个杯子的功能。装入自来水进行功能测试。

2.反思

U型管道的顶端和杯口的距离要适度，太近会在注入水时导致水的外溢，太远则会影响演示的效果。此外在外形设计上可以更加开放，以便学习者更能发挥自己的想象力。同时适时加强“莫贪杯”的育德功能，教育学生不可过于自满，“满招损，谦受益”。此外，在选择凸雕命令时要转换为“凹雕”模式，这样可避免产生太多的支撑，从而影响打印效果。

附录

工具命令：

（1）扫掠（布尔代数求差）：扫掠时务必要注意使得截面和扫掠的路径要相交，否则难以完成扫掠。

（2）凸雕（凹雕）：选择凸雕命令时，要先将平面偏移，在偏移后的平面上选择文本命令，输入相应的内容，同时要注意凸雕的方向选择。