設計個性化的手機支架

謝作如+周源遠

作為創客空間的指導教師，經常會引導學生利用現有的工具為自己做一些好玩的東西，如手機支架等。雖然手機支架隨處可買，但通過自己建模，并利用創客空間的3D打印機打印出來，則更有創客的感覺。

手機支架的種類繁多，在生活中應用也十分廣泛，如車載手機支架、懶人手機支架等。3D建模的軟件也很多，鑒于個人喜好，筆者推薦學生使用3D程序員軟件。3D程序員是基于青少年編程工具Scratch設計的3D建模軟件，只需要拖動所需要的積木形狀到編程界面，使用功能塊進行操作，修改相應參數實現尺寸的更改，任何想要的形狀實現了3D模型的快捷設計與生成，界面如圖1所示。

● 設計分析

觀察圖2可以明確，不同類型的手機支架雖然各有特點，但大致可以分為底座、支撐架、手機支撐面三部分。底座位于手機支撐架底部，起支撐作用，主要是通過對材料和形狀的設計來保證支架的穩定性。支撐架是連接底座和手機支撐面，主要起支撐作用，可以考慮通過榫接或者鉸連接來實現角度的調整。手機支撐面與支撐架連接，主要用于固定手機。

在建模過程中，要重點考慮這個支架如何便于在桌面上使用，還要做到體積適當，結構簡單，方便收納。當然，除了穩定外，還可以添加一些附加功能，如考慮角度的可調整、兼容筆筒等。

● 建模思路

3D程序員的最大特色是能夠利用各種數學基礎模型疊加、刪減，從而形成新的3D模型。軟件中的模塊運用都和數學知識密切相關，軟件不僅提供了2D圖形、3D圖形和文字的輸入，甚至還能用各種函數繪制曲線，所以設計這個手機支架有很多種思路可以參考。

思路1：利用2D圖形

數學的基本幾何圖形中包括平面幾何圖形和立體幾何圖形，如果學生只有2D基礎，可以結合“2D圖形”及“造型”模塊中相關指令進行建模。例如，在數學中三角形是最穩定的，那我們可以考慮用三角形做一個支撐面兼有支撐架的支架雛形。

考慮到要節省打印材料，我們運用了“布爾裁剪”指令，將大三角形減去一個小三角形，形成圖3的形狀。

底座部分可以考慮用最基本的長方形，利用兩個矩形形成一個具有卡口的初步模型（如圖4）。卡口的寬度依據手機的寬度，不同的手機寬度是不一樣的。

完成平面圖形建模后，利用“拉伸造型”將厚度拉伸到合適大小（如圖5）。軟件中的基本單位默認為1mm，手機支架厚度一般為2cm即可，如果想更加穩固，還可以增加到5cm。

思路2：利用3D模型

如果學生已經有一定的3D基礎，可以直接從長方體、立方體、棱柱、棱錐、圓錐、球等“3D模型”入手。運用立體圖形制作手機支架的思路和思路1差不多，同樣是將手機支架分解為不同的模型（如圖6），由兩個長方體和一個圓柱構成了一個有趣的手機支架。

為了讓支架更加穩定，作為底座的長方體最好要寬一些；為了節省打印材料，圓柱中也要適當挖空。

思路3：利用函數圖像

在3D程序員中，利用函數圖像生成各種平滑的曲線，也就能設計出更加漂亮的形狀。中學數學中學過各種函數圖像，二次函數和三角函數能根據取值范圍的不同，形成一個向上的弧度，看起來很有設計感。在下面的例子中，筆者嘗試運用分段的二次函數進行設計。

首先將“2D函數”指令，拖動到工作區中。然后在“數學”標簽中找到四則運算及相應X變量。根據y=ax2+bx+c（a、b、c為常數），借助Excel先繪制數學圖像，或者在紙上進行嘗試都可以，然后根據預覽模型時的效果，不斷更改相應參數至合適值（如上頁圖7）。

利用“變換”標簽中的“模型拉伸”，設置拉伸高度為20mm（如上頁圖8），而這樣的模型用其他軟件是很難設計出來的。

思路4：利用文字符號

用文字符號組成手機支架也是很有創意的，最常見的字符包括字母、數字、文字和符號，選擇合適的字符進行組合，就能形成想要的支架形狀。如圖9中的模型，是由幾何圖形演變而來的手機支架，實際上是由倒“V”和“L”構成，腳本代碼如圖9所示。

有學生利用“J”和不同大小的“6”，設計了一個手機支架。看起來是不是特別酷？（如圖10）

● 結語

通過3D程序員數學建模軟件，借助創客空間已有工具設計制作個性化手機支架，不僅可以體現作為一名創客將想法付諸實踐的精神，更是給學生一個在創造中不斷學習的機會，能有效提升他們數學建模、邏輯思維與空間想象的能力。從另一個角度來看，這種源自真實生活需求的“造物”也更能直觀地呈現數學、邏輯與程序的關系，化抽象為具象，能有效激發學生學習的興趣與動力。