3D打印技術(shù)在化學(xué)教具制作與教學(xué)中的嘗試

陸晨剛

摘要：國外3D打印技術(shù)已普遍運(yùn)用于基礎(chǔ)教育階段，并開設(shè)相關(guān)課程和教學(xué)體系；國內(nèi)雖然開展了3D打印的教學(xué)研究和課程改革，但在中學(xué)學(xué)科教學(xué)中應(yīng)用的實踐案例很少。基于3D打印技術(shù)，對分子構(gòu)型及特殊實驗裝置進(jìn)行了教學(xué)嘗試，在培養(yǎng)學(xué)生能力方面取得了較好效果。

關(guān)鍵詞：3D打印；化學(xué)教具；實驗儀器

文章編號：1005–6629（2016）9–0025–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

3D打印技術(shù)是一種新型數(shù)字化制造技術(shù)，以計算機(jī)輔助設(shè)計軟件生成的或通過實體掃描設(shè)備掃描實物所獲得的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過“積層造型法”逐層打印材料層創(chuàng)建物體，主要用于原型設(shè)計以及組件產(chǎn)品的制造[l，2]。3D打印逐漸在教育領(lǐng)域中受到研究者的關(guān)注，一些國家和組織也開始對3D打印在基礎(chǔ)教育階段的教學(xué)和應(yīng)用實踐進(jìn)行探索[3，4]。我國也正在逐步推進(jìn)3D打印的教學(xué)研究和課程改革[5～7]，但目前主要是作為勞技課程的拓展與延伸，對學(xué)生自主設(shè)計的要求相對較低，其發(fā)展處在起步階段，尚未發(fā)現(xiàn)在中學(xué)學(xué)科教學(xué)中應(yīng)用的實踐案例。因此，筆者基于3D打印技術(shù)對解決當(dāng)前高中化學(xué)在化學(xué)教具和實驗教學(xué)方面的某些不足之處進(jìn)行了嘗試和探索。

1 當(dāng)前高中化學(xué)教具和實驗儀器方面存在的一些問題

高中化學(xué)教學(xué)中，教師講解分子構(gòu)型、形狀時，一般通過諸如圖片或?qū)嵨锬Ｐ偷冉叹唛_展教學(xué)。這些教具通常存在兩個問題：第一，固定靜態(tài)的平面展示。如掛圖、圖片類，不能很好地反映分子的立體形狀和空間結(jié)構(gòu)，對于高一高二學(xué)生來說，單靠圖片等二維平面教具想象實際的三維立體結(jié)構(gòu)相對困難。第二，傳統(tǒng)的分子結(jié)構(gòu)實物模型成本較高，購買困難。實物模型教具可以讓學(xué)生充分了解分子在三維方向的空間結(jié)構(gòu)。然而，一方面實體模型教具購買成本較高（通常一個需要百元左右），另一方面類型和數(shù)量有限，不一定能滿足所有的教學(xué)內(nèi)容，且經(jīng)常因為缺貨使得購買周期加長，導(dǎo)致不能匹配教學(xué)進(jìn)度。

此外，在實驗教學(xué)中，經(jīng)常在實際應(yīng)用或題目中有一些設(shè)計新穎、形狀特殊、功能特別的儀器和裝置。由于無法購買到實物，難以激發(fā)學(xué)生的實驗興趣和討論氛圍。對于實驗教學(xué)中的一些基本實驗思想和實驗原理，也由于缺乏相關(guān)的儀器和實物，使得學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)積極性，當(dāng)遇到難以理解的實驗器材和原理時，不愿意多思考、多質(zhì)疑，只是簡單地按照教材的說明和教師的解釋機(jī)械記憶相關(guān)原理，使得創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)、實驗動手能力和科學(xué)實驗素養(yǎng)的提高都難以落到實處。

2 3D打印技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用嘗試

筆者將3D打印引入課堂，對分子構(gòu)型及特殊實驗裝置進(jìn)行了教學(xué)嘗試，收到了良好效果。本文中的3D建模軟件為AutoDesk 123D Design，3D打印軟件為Preform、Cura，3D打印機(jī)為：Form1+光固化3D打印機(jī)、Hori Z300 PLA打印機(jī)。

2.1 分子模型的制作及教學(xué)

學(xué)生掌握上述基本繪制工具后，教師引入本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，請學(xué)生思考并構(gòu)建SF6的空間結(jié)構(gòu)和3D模型。學(xué)生在3D軟件的幫助下可以盡情地發(fā)揮他們的想象力，畫出各種形狀的分子模型，如正六邊形、三棱柱、五角錐、正八面體等。在充分展示和交流之后，由教師給出SF6分子的相關(guān)參數(shù)，如鍵長、鍵角等，學(xué)生通過比較、討論可以得出SF6正確的空間構(gòu)型。最后，由教師審核3D模型，確認(rèn)無誤后導(dǎo)出為“stl”格式文件（File-export-stl），用preform或Cura等3D打印軟件打開stl文件后傳輸?shù)?D打印機(jī)進(jìn)行打印，打印成品可贈予學(xué)生留念或用于今后的教學(xué)，見圖3。

制作分子模型的過程中，學(xué)生通過在3D建模軟件中對“球”、“棍”等基本構(gòu)建單元的調(diào)整和連接的不斷嘗試以及相互間的交流和討論，對不同分子的空間構(gòu)型和立體結(jié)構(gòu)有了深入了解和直觀的認(rèn)識。與傳統(tǒng)教學(xué)模式中僅通過圖片展示或模型觀看，要求學(xué)生記住不同的分子構(gòu)型和鍵角等參數(shù)不同，學(xué)生在3D建模過程中自然而然地就掌握了這些知識并能熟練運(yùn)用。實踐過程中，有些學(xué)生甚至在課后進(jìn)一步提出要求構(gòu)建更為復(fù)雜的分子模型，如二茂鐵、C60、金剛石晶胞等3D模型并進(jìn)行3D打印。

2.2 用于冷凝回流裝置的尾氣吸收部件制作及討論

文中提到該裝置的優(yōu)點(diǎn)是：可以將冷凝管流出的水通入其中一側(cè)的進(jìn)水管，在球型容器中充分吸收另一側(cè)通入的由冷凝管口產(chǎn)生的尾氣，從而達(dá)到將廢氣有效密封并充分吸收的作用。該裝置的另一優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)入儀器的水流對廢氣進(jìn)行有效吸收的同時還源源不斷地將溶有廢氣的液體排出下端出水口，增大了廢氣吸收容量。同時液體的流動阻止了水流的逆流倒吸，有效防止了傳統(tǒng)裝置中水倒吸至反應(yīng)瓶的情況出現(xiàn)。

但學(xué)生在制作過程中也提到該改進(jìn)裝置的不足：排出的廢水若直接排放，則會對環(huán)境造成危害；若再用其他試劑處理，則由于低濃度廢水量相對較大會造成尾氣處理的困難和成本的上升。

3 結(jié)語

將3D打印技術(shù)引入分子模型和化學(xué)實驗的教學(xué)，取得了較好的效果，小結(jié)如下：endprint