在 Tinkercad 中运用算法进行设计

2019 年计算机科学教育周的举办时间为 12 月 9 日至 15 日，但 “编程一小时” 活动全年均可开展。

1. 推荐年级：6-8 年级
2. 教授技能：
3. 编写包含 “控制点变量” 与 “计数控制循环” 的计算机程序；
4. 修复现有程序中的问题，以创建新作品；
5. 通过代码注释描述程序开发过程中的决策；
6. 分析影响人们日常活动与职业选择的计算机技术相关权衡。
7. 课程概述：编程能否提升人类的想象力？在本节课中，学生将探讨人类与计算机协作创造艺术、建筑、产品等事物的方式与原因，还将通过 Tinkercad 代码块（Codeblocks）分析、创建并改编有趣的算法组件（包括控制点变量与计数控制循环）。课程结束时，学生将通过代码生成一个雪花的 3D 模型。
8. 学生将在本节课中完成：
9. 讨论并辩论人机交互相关议题；
10. 识别、定义并解决雪花设计中的计算问题，实现个性化设计；
11. 探索使用控制结构设置参数，快速高效地完成更多设计迭代；
12. 通过代码与计算机辅助设计（CAD）清晰表达想法；
13. 创作有趣的代码生成式雪花设计，并通过 3D 打印、制作 GIF 动图或渲染图像的方式分享。
14. 预计教学时长：60 分钟
15. 所需材料：
16. 计算机、互联网、Tinkercad（一款免费、易用的网页版 3D CAD 设计工具）；
17. 可选（但推荐）：3D 打印机、本节课所用代码块（Codeblocks）的彩色打印件或图像文件夹、教师笔记（见第 8 步）、演示幻灯片。

试想一下：如果你的学生要设计一件新事物，无需从已有认知或脑海中的想法出发，而是可以告诉计算机自己想做什么，再与计算机协作完成创作 —— 这会提升他们的创造力，还是会阻碍他们的想象力？

…… 想到这一点，你是否会感到些许困惑？

别担心（至少在教授本节课时不用！）。我们为你准备了一份实用的参考手册，帮助你和学生探索自动化议题（以及它如何以新方式影响世界），还包含 “用算法创作艺术” 的相关信息，其中重点介绍了算法艺术家内特里斯・加斯金斯（Nettrice Gaskins） 的作品（其作品与形象已纳入本步骤及演示幻灯片）。

这份参考手册还包含一项有趣的辩论活动，可引导你和学生共同梳理这些信息。

“编程一小时” 前可探索的其他内容

“编程一小时” 的核心初衷是 **“揭开计算机科学的神秘面纱”**—— 证明任何人都能学会基础知识，并扩大计算机科学领域的参与度。

在开启本节课时，你可以分享一份演示幻灯片，其中包含 “自动化（automation）”“算法（algorithm）”“变量（variable）”“控制结构（control structure）”“参数（parameter）”“计数控制循环（count-controlled loop）” 等关键术语的定义与对应图像。

学生可通过融入控制结构，编写更具趣味性的计算机程序（同时加深对 “算法如何用于创造事物” 的理解）；还可通过添加 “计数控制循环” 等组件，让算法更强大、更有趣。

本节课中用于制作雪花的代码块脚本，将引导学生体验这类 “迭代式设计流程”。最棒的是，课程结束时，他们将获得一件能体现学习成果的酷炫作品！

部分教育工作者会通过以下方式开启 “编程一小时”：

1. 播放一段简短的励志视频；
2. 在编程活动前的课程中，提前讲解编程相关背景知识；
3. 部分学校或教师团队会将 “编程一小时” 组织为全天（甚至全周）的跨学科活动。

本节课的演示幻灯片也可用于科学、数学、人文或艺术课程的语境讨论。

此外，本节课符合美国计算机科学教师协会（CSTA）K-12 计算机科学标准与国际教育技术协会（ISTE）学生标准。

准备好开始 CAD 编程了吗？

如果你是 Tinkercad 代码块（Codeblocks）的新手，可查看这份快速入门指南（Quick Start Guide），了解开展代码块教学所需的全部知识。此外，这些代码块入门活动（Codeblocks Starter Activities） 是学生在开始雪花设计前熟悉工具的绝佳选择。

下一步将进入本节课的编程环节。如果在开始使用 Tinkercad 代码块前需要更多支持，可跳至第 7 步查看更多提示与资源。

提示 1：别想太复杂！即使你和学生在第一个小时里只完成了下一步内容，只要大家玩得开心、学到了新知识，就足够了 —— 未来还有无数小时可以一起编程、一起做 CAD 设计！

当学生能将自己的想法融入项目时，学习会更有趣。本步骤中的代码块脚本将帮助学生创建 “可添加文本” 的雪花设计，且文本可轻松修改以实现个性化 —— 但有一个小问题：如果添加的单词超过 5 个字母，设计就需要调整才能保证清晰可读（同时确保能作为单个部件 3D 打印）。

这是一个极具吸引力的设计挑战，能快速让学生投入问题解决，同时通过 “玩转变量与算法其他组件”，接触 “控制结构” 与 “参数” 的核心概念。

学生登录 Tinkercad 后，可向下滚动并点击 “创建你的第一个代码块设计（Create your first Codeblocks design）”，进入代码块工作区。

在代码块编辑器中，学生可复制下方脚本制作雪花（本节课提及的所有代码块脚本，均已整理为可打印 PDF，附在课程末尾，同时也存放在一个共享图像文件夹中）。

在修改设计以添加不同文本的过程中，学生应能发现：调整顶部的 “控制点变量”，即可轻松修改设计 —— 这是一个绝佳案例，说明 “从清晰的目标与参数出发，能让设计更灵活、更易迭代”。

提供引导与结构支持

建议让学生两人一组探索代码块（尤其是首次接触时），这样他们可以互相检查错误，并讨论每个代码块的作用 —— 这也能减少你在自学过程中需要解答的问题！

给教师的提示：

1. 学生在从图像中复制脚本时，可能会遇到一个难点：向脚本中添加某个 “形状（Shapes）” 后，会出现 “添加（Add）” 字样，同时显示 “修改颜色” 或 “将形状设为镂空（Hole）” 的设置选项。
2. 若要打印脚本，建议使用彩色墨水；若没有彩色墨水，可将代码块脚本的图像文件夹链接分享给学生，让小组中的一名学生在一台笔记本电脑上打开脚本图像，另一名学生用另一台电脑编程。如果无法实现 “一人一台电脑”，也可调整窗口大小，让 Tinkercad 与图像文件同时显示。
3. 请不要将本文档作为获取代码块脚本的主要来源！务必使用图像文件夹或课程末尾的可打印 PDF—— 这会让编程过程简单得多！
4. 鼓励学生为每个新创建的 “对象（Object）” 命名，也为预设为 “item” 的 “变量（Variables）” 命名。这不仅是 CAD 设计中重要的整理习惯，还能让 “向代码块中插入数据（Data）” 变得更简单。

评估与分享

鼓励学生修改、改编代码块 —— 告诉他们 “即使程序出问题也不用慌！总能修复的”。他们的设计会保存在 Tinkercad 账户中，方便后续继续调整。

你可以在教室里巡回走动，通过提问进行形成性评估。最重要的是让学生有机会 “探索、想象、设计并分享自己的思路”。

根据学生的年龄、对块式编程的熟悉程度以及参与度，你可以延长探索时间，将后续步骤留到下一节课。

为检查学生在课程结束时的理解程度，可让他们在代码块中添加 “注释”：解释 “现有设计中各代码块的作用” 以及 “自己修改程序时的决策”。

什么是雪花？

人们提到 “雪花（snowflake）” 时，通常指 “雪晶（snow crystal）”。雪花既可以是从天空落下的蓬松雪粒，也可以是单个冰晶 —— 冰晶中的水分子会排列成精确的六边形阵列。本节课代码块脚本的灵感，正是来自这种具有六重对称性的璀璨冰晶。

不过，在上一步调整参数时，学生可能会将雪花的 “射线数量” 从 6 条改为其他数字，从而改变了雪花的自然结构 —— 别担心！大自然会 “原谅” 这种创意改编的。

在制作下一个雪花设计时，你可以鼓励学生继续这种 “创意改造”，因为算法的 “控制点” 也清晰地列在第一个脚本中。

使用代码注释

学生按照提供的代码块脚本制作第二个雪花时，应使用 “播放（Play）” 按钮旁的 “分步（Step）” 按钮，分析每个独立代码块的作用；同时，通过添加 “注释代码块” 记录自己的思路（如下方示例）。

“注释块（Comment block）” 可在代码块面板的 “标记（Markup）” 部分找到。

以下是第二个雪花算法中两个关键组件的代码注释：“控制点（control points）” 与 “计数控制循环（count-controlled loop）”。

需要更清晰的视图？这些图像也包含在课程末尾的教师笔记（teacher notes） 文档中。课程末尾的 “学生讲义” 与 “图像文件夹” 中，还能找到第二个雪花的完整代码块脚本。

1. 为控制点创建变量：
2. （示例注释：这一步正在为设计中的重要控制点创建变量，可通过调整这些变量修改设计。
3. 创建变量 “射线数量（ray number）”> 6（控制设计中的射线总数）；
4. 创建变量 “长度（length）”> 35（控制射线的长度）；
5. 创建变量 “厚度（thickness）”> 3（控制设计中对象的厚度）；
6. 创建变量 “距离（distance）”> 10（控制射线上构成图案的节点间距）。）
7. 用计数控制循环制作图案

灵活调整要求

根据你观察到的学生反馈（比如 “要求他们为每一步设计写代码注释” 的愉悦度），你可以放宽 “逐块注释” 的要求，只让他们在脚本末尾添加至少一条注释，以体现自己的思考 —— 提示：“编程一小时” 的核心是乐趣！

（引用：“这些雪花诞生的空气中，蕴含着多么充沛的创造天赋！即便真的有星星落下，落在我的外套上，我对它们的赞叹也不会比此刻更多。”—— 亨利・戴维・梭罗）

当学生理解了现有雪花设计的核心要素后，就到了 “改编（remix）” 环节！

让学生释放创造力，畅想可能的设计：进一步修改算法，或将两个设计的元素结合，创造出独一无二的作品。

如果学生需要视觉灵感，可以让他们查看一位现实中的 “雪花设计师” 的作品；也可以阅读算法艺术家内特里斯・加斯金斯（Nettrice Gaskin）给 “对创意编程感兴趣的学生” 的建议：“动手创作，大胆尝试。玩转代码就对了。（Just make stuff; do stuff. Mess with the code.）”

学生是否对自己的雪花设计 “爱不释手”？只需再加点 “技术魔法”，就能让他们的设计 “活” 起来。

为快速获得成就感，学生可以为自己的 “代码 - CAD 创作” 录制 GIF 动图 —— 在 Tinkercad 代码块编辑器中，点击 “分享（Share）” 按钮，然后在下一步界面中选择 “保存 GIF（Save Gif）” 即可。注意：需先在编辑器中运行设计（提示：GIF 打包与下载需要几分钟时间，但绝对值得等待！）。

学生还可以在程序末尾添加 “消息块（message block）”，向你反馈 “编程一小时” 中的收获。

作为自豪的教师，你也可以请求学生允许你分享他们的作品 —— 践行 “揭开编程神秘面纱” 的理念。如果在社交平台发布，记得标记 @tinkercad，让我们一起为你们庆祝（这也是我们的第一个 “编程一小时” 活动！）！

如果您和学生能使用 3D 打印机或其他制造设备，这些 “代码雪花” 可以变成装饰品、首饰等实物。

最简单的方法是：将代码生成的设计导出到 Tinkercad“零件库（Parts Collection）”。将设计设为 “零件（Part）” 后，学生可在原始 Tinkercad 3D 编辑器中进一步修改，例如添加 “圆环形状（Torus）”（用于给 3D 打印件装挂钩），或添加 “底座”（若学生想将设计做成雕塑，可增强稳定性）。

学生也可以将设计保留为 2D 形式，进行激光切割或制作成贴纸！如需了解 “如何从代码块设计生成 SVG 文件”，可阅读 Tinkercad 的这篇博客文章（blog post）。

如果学生年龄在 13 岁及以上，还可以通过 “一键点击” 的 **“发送到 Fusion 360 流程（Send to Fusion 360 workflow）”**，开启 “从 Tinkercad 到 Fusion 360” 的进阶路径！之后，学生可利用 Fusion 360 的渲染功能，为设计创建精美的展示图像，以全新方式呈现作品。

如果这是你首次教授 “结合 CAD 与代码” 的项目，以下提示可帮助你起步：

1. 访问Tinkercad 代码块页面（Tinkercad Codeblocks page）；
2. 阅读博客文章：《Tinkercad 代码块官方指南》（Official Guide to Tinkercad Codeblocks）；
3. 探索代码块中心（Codeblocks Hub）；
4. 核心提示：别想太复杂！

如需更多来自 Tinkercad 社区的技巧，可阅读以下关于 “如何使用代码块” 的优质文章：

1. 《Tinkercad 代码块入门》（An Introduction to Tinkercad Codeblocks）
2. 《用 Tinkercad 新代码块设计 3D 作品》（Code Your 3D Designs with Tinkercad's New Codeblocks）

此外，如需了解 “如何管理课堂制作活动”“如何评估 3D 设计项目” 等内容，可查看：《如何将 Tinkercad 带入课堂》（How to Bring Tinkercad into Your Classroom）。

（证书文字：恭喜！在 “编程一小时” 活动中，你通过结合计算机辅助设计（CAD）与代码，创造出了精彩作品。颁发方：欧特克（AUTODESK），日期：______）

为你和学生 “勇敢挑战雪花设计中的算法元素” 点赞！希望你们玩得开心！

如果您尚未教授本节课，只是在为 “让学生的‘编程一小时’更精彩” 储备资源 —— 那么你找对地方了！

本步骤末尾提供以下可打印 PDF 资源：

1. 本节课所用代码块脚本的打印件；
2. 教师笔记（teaching notes）；
3. 学生证书模板。

此外，本节课所有代码块脚本的图像文件夹链接：代码块图像（Codeblocks Images）；

别忘了还有演示幻灯片（slideshow）。

庆祝结束后，欢迎 “日后再来探索”！你可以通过留言或分享学生作品的方式，告诉我们活动开展情况。