3D打印技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

趙琪琪 趙嵩卿 楊書博 唐天寧

摘? 要? 隨著智能工業(yè)化的發(fā)展，3D打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)、制造及教育等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入。基于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教育理念，鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)改進(jìn)大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)科競賽及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽。實(shí)踐表明，將3D打印技術(shù)融入大學(xué)物理實(shí)踐教學(xué)中，能夠改善實(shí)驗(yàn)條件，提高實(shí)驗(yàn)效率，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，對于促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研教相結(jié)合具有重要意義。

關(guān)鍵詞? 3D打印技術(shù);大學(xué)物理實(shí)踐教學(xué);實(shí)驗(yàn)設(shè)備;大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);光電設(shè)計(jì)競賽;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）06-0047-04

Application of 3D Printing Technology in College Physics Practice Teaching//ZHAO Qiqi， ZHAO Songqing， YANG Shubo， TANG Tianning

Abstract? With the development of intelligent industrializa-tion， the application of 3D printing technology continues to deepen in industrial design， manufacturing， education and so?on. Based on the education idea of cultivating innovative talents， we encourage students to design experiment equip-ments， carry out innovative experimental teaching， guide stu-dents to participate in discipline competition and innovation competition. Practice shows that the integration of 3D prin-ting technology and college physics practice teaching can improve experimental conditions， improve experimental re-sults， stimulate students’ innovation ability and promote the combination of production， learning， research and teaching.

Key words? 3D printing technology; college physics practice teaching; experiment equipments; college physics experi-ment; photoelectric design competition; innovation experi-ment

0? 前言

3D打印技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，將某種特定的加工樣式進(jìn)行一系列數(shù)字切片編輯，生成數(shù)字化模型文件，運(yùn)用特定材料及特定設(shè)備，分層加工以疊加成型，最終打印出與模型圖相同固態(tài)物體的新興制造方法[1]。“第三次工業(yè)革命”被認(rèn)為是人類繼19世紀(jì)的蒸汽時(shí)代和20世紀(jì)的電氣化時(shí)代之后的第三次歷史性突破，而3D打印技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、新能源被并稱為“第三次工業(yè)革命”的三大核心技術(shù)[2]。

目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)大多數(shù)高校，作為日常教學(xué)教具制作以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備改造的重要工具。與此同時(shí)，3D打印技術(shù)也被引入各種實(shí)踐教學(xué)及學(xué)科競賽中，作為快速實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新想法以及提高學(xué)生創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力的重要媒介。本文通過將3D打印技術(shù)應(yīng)用在大學(xué)物理實(shí)踐教學(xué)中，極大增加了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。

1? 3D打印技術(shù)的原理及優(yōu)勢

3D打印又稱增材制造，常見的3D打印技術(shù)包括[3]分層實(shí)體制造技術(shù)（Laminated Object Manu-facturing，LOM）、熔融沉積技術(shù)（Fused Deposi-tion Modeling，F(xiàn)DM）、光敏樹脂選擇性固化技術(shù)（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、三維打印快速成型技術(shù)（Three-Dimensional Printing，3DP）、粉末材料選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（selective laser sintering，SLS）等。本文所采用熔融沉積3D打印技術(shù)，又稱為絲狀材料選擇性熔覆3D打印技術(shù)，具有成本較低、易于操作的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)的具體步驟包括[1]：

1）熱塑性絲狀材料被熱熔噴頭加熱并熔化成半液態(tài);

2）通過噴頭擠壓出工件的橫截面輪廓;

3）通過噴頭在工作臺上的往復(fù)運(yùn)動，逐層形成薄片。

與傳統(tǒng)制造工藝相比，絲狀材料選擇性熔覆3D打印技術(shù)在應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)踐教學(xué)時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)[4-5]：

1）小批量生產(chǎn)時(shí)，成本不受產(chǎn)品復(fù)雜度的影響，3D打印工藝不會因?yàn)楫a(chǎn)品復(fù)雜程度而產(chǎn)生開模及制造等由工藝造成的廢品率高的問題;

2）不受產(chǎn)品種類數(shù)的影響，3D打印機(jī)可以在一定時(shí)間內(nèi)打印多種樣件，打印種類數(shù)不影響其整體打印時(shí)間;

3）不受產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案選擇的影響，設(shè)計(jì)方案可以多樣化，產(chǎn)品的最大尺寸小于打印機(jī)整機(jī)大小即可;

4）易于掌握，便于上手，一到兩周內(nèi)即可具有設(shè)計(jì)制造能力;

5）生產(chǎn)過程安全且環(huán)境污染較小，避免了傳統(tǒng)車鉗刨銑操作的危險(xiǎn)性，且生產(chǎn)過程無廢屑粉塵，不影響操作者健康;

6）3D打印具有精確的實(shí)體復(fù)制特點(diǎn)，樣品調(diào)試后可小規(guī)模生產(chǎn)。

2? 3D打印技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

隨著教育教學(xué)改革的不斷深化，高校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和裝備條件有了很大程度的提高[7-8]。然而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，在不同程度地影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。例如：

1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)間和空間的約束;

2）實(shí)驗(yàn)儀器的數(shù)量和質(zhì)量以及其他教育資源增加投入的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上實(shí)際發(fā)展的需要;

3）實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備維修周期長、更新率低;

4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，教學(xué)方法和手段比較落后。

在這種環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)很容易形成教師照本宣科“領(lǐng)著走”、學(xué)生似懂非懂“照著做”的局面。為了更好地完成大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，學(xué)校將3D打印技術(shù)引入教學(xué)實(shí)踐中，一方面讓學(xué)生接觸當(dāng)前的先進(jìn)制造技術(shù)，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;另一方面帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，極大地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

液體的粘滯系數(shù)和人們的生產(chǎn)生活關(guān)系緊密，利用落球法測量液體粘滯系數(shù)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的基本實(shí)驗(yàn)之一[9-11]。落球法液體粘滯系數(shù)測定儀主要包括測量架、兩個(gè)激光發(fā)射接收底座、兩對激光發(fā)射接收調(diào)節(jié)器和兩對激光發(fā)射器與接收器，如圖1所示。兩對激光發(fā)射器與接收器分別安裝于兩對激光發(fā)射接收調(diào)節(jié)器上，每對激光發(fā)射接收調(diào)節(jié)器固定于一個(gè)激光發(fā)射接收底座上，各裝置的調(diào)節(jié)范圍極小。因此，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常會出現(xiàn)發(fā)射器發(fā)射的激光無法被接收器接收的現(xiàn)象，需要花費(fèi)大量時(shí)間在激光探頭對準(zhǔn)的調(diào)試上。這樣既有悖于實(shí)驗(yàn)?zāi)康模灿绊憣W(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情，會極大地降低實(shí)驗(yàn)課堂的質(zhì)量。

為了改善這一現(xiàn)象，鼓勵(lì)學(xué)生利用3D打印技術(shù)對現(xiàn)有的落球法測量液體粘滯系數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作及市場現(xiàn)有設(shè)備的充分調(diào)研，學(xué)生設(shè)計(jì)一種3D打印激光發(fā)射接收兩軸調(diào)節(jié)器，如圖2所示。相比原有的激光發(fā)射接收調(diào)節(jié)器，增加與底座連接、用于調(diào)整水平方向旋轉(zhuǎn)角度的軸，增加與激光發(fā)射器和接收器連接、用于調(diào)整豎直方向旋轉(zhuǎn)角度的軸。改進(jìn)后的調(diào)節(jié)器自由度為2，可以滿足實(shí)驗(yàn)操作需要。同時(shí)，考慮到直視激光會造成眼部損傷，對兩軸調(diào)節(jié)器進(jìn)行俯仰機(jī)械限位設(shè)計(jì)，消除學(xué)生誤操作可能造成的安全隱患。

下面介紹落球法液體粘滯系數(shù)測量儀改進(jìn)的具體過程。

1）繪制激光發(fā)射接收兩軸調(diào)節(jié)器的CAD設(shè)計(jì)圖，并將其導(dǎo)入切片軟件，完成打印前的預(yù)處理工作，如圖2-a所示。

2）將切片處理后的設(shè)計(jì)圖導(dǎo)入打印機(jī)，得到打印件，如圖2-b所示。

3）將最終成品安裝至測量儀，如圖2-c所示。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與改進(jìn)前的實(shí)驗(yàn)設(shè)備測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，但每次實(shí)驗(yàn)設(shè)備調(diào)試的時(shí)間由原有的25～40分鐘縮短至3～5分鐘，實(shí)驗(yàn)效率大幅提高，從而使得學(xué)生將更多的精力轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)原理的理解上。

3? 3D打印技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)競賽中的應(yīng)用

全國大學(xué)生光電設(shè)計(jì)競賽是大學(xué)物理學(xué)科重要的學(xué)科競賽之一。在比賽中，學(xué)生可以將理論知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，對提高創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力具有重要意義。近年來，能夠?qū)W(xué)生的想法快速轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物模型的3D打印技術(shù)，為相關(guān)競賽的順利進(jìn)行提供了重要保障。在第七屆全國大學(xué)生光電設(shè)計(jì)競賽中，對西北賽區(qū)一等獎(jiǎng)作品“基于光電技術(shù)的油氣管道綜合智能檢測平臺”，學(xué)生利用3D打印技術(shù)制作遠(yuǎn)場渦流傳感器支撐件及太陽能板支座，如圖3所示。3D打印的遠(yuǎn)場渦流傳感器支撐件和太陽能板支座分別作為傳感器和太陽能板與主機(jī)的有效連接部件，具有調(diào)整方便、加工便捷且穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

為助力學(xué)生學(xué)科競賽及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，學(xué)校開設(shè)一系列創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程，包括單片機(jī)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、光學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、聲學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等。3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括三部分（以學(xué)生在3D打印創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課上創(chuàng)作的作品哈勃衛(wèi)星模型為例）。

1）形態(tài)設(shè)計(jì)及建模軟件的使用。利用Solid-Works或AutoCAD等軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4-a所示。

2）結(jié)構(gòu)力學(xué)分析及切片軟件的使用。利用ANSYS

等軟件對完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的受力部件進(jìn)行力學(xué)分析，完成形態(tài)調(diào)整后，利用Cura軟件進(jìn)行模型切片并導(dǎo)出分層模型信息，如圖4-b所示。

3）3D打印機(jī)的使用。安裝絲狀打印材料，調(diào)整打印機(jī)噴頭位置及加熱板平整度，操作打印機(jī)加載存儲卡中的分層模型信息，最終完成實(shí)物的打印。

通過一系列的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)校為學(xué)生應(yīng)用3D打印技術(shù)參加大學(xué)物理學(xué)科競賽打造了實(shí)踐平臺，也為學(xué)生在各類學(xué)科競賽及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽中取得優(yōu)良賽績提供了可能。

4? 結(jié)語

3D打印是一個(gè)集設(shè)計(jì)、分析、制造為一體的實(shí)踐過程，是創(chuàng)新思想物化的強(qiáng)有力工具。本文對3D打印技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，改變制約教學(xué)開展的實(shí)驗(yàn)條件，增強(qiáng)大學(xué)物理的學(xué)科競爭實(shí)力，為培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才發(fā)揮了重要的作用。利用3D打印技術(shù)，對大學(xué)物理實(shí)踐教學(xué)中的設(shè)備進(jìn)行功能改進(jìn)，可以縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高研發(fā)效率。基于3D打印技術(shù)，開展學(xué)科競賽指導(dǎo)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織和管理模式，激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣和創(chuàng)新思維，形成學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主研究、自主實(shí)驗(yàn)的良好局面。未來隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用將不斷深化，進(jìn)而在提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率、挖掘教師創(chuàng)造潛能等方面發(fā)揮更重要的作用。■

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*項(xiàng)目來源：自治區(qū)高校本科教育教學(xué)研究及改革項(xiàng)目“基于復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo)的《工程物理及實(shí)驗(yàn)競賽》的課程改革”（PT-2021083）;中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“智能3D打印國風(fēng)石大畢業(yè)紀(jì)念系列文創(chuàng)項(xiàng)目”“面向俄語初學(xué)者的發(fā)音評估嵌入式系統(tǒng)研究與應(yīng)用”（S202019414014）;中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)大學(xué)物理及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程群建設(shè)資助項(xiàng)目（JX030016）。

作者：趙琪琪，中國石油大學(xué)文理學(xué)院，工程師，研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)物理;趙嵩卿，中國石油大學(xué)文理學(xué)院，教授，研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)物理;楊書博，中石化石油工程技術(shù)研究院，研究員，研究方向?yàn)楣こ淘O(shè)備（100101）;唐天寧，中國石油大學(xué)文理學(xué)院，研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)物理（834000）。