3D打印技術在物理自制教具中的應用

【摘" 要】基于“3D One類”軟件可以有效地應用于中學物理自制教具的設計、開發和優化，以提高教具的精確度、可復制性和推廣性，突破傳統自制教具的局限性。通過使用“3D One類”軟件，教師可以更加便捷地繪制三維模型，配合切片軟件和3D打印機實現自制教具的制作，從而更好地呈現物理問題，引導學生突破重難點。此外，通過本文的拋磚引玉，可以收集整理已有的自制教具設計圖稿，結合已有的初高中課內外實驗教具進行再設計再優化，將教學過程中產生的新創意、新火花、新思路付諸實踐，制作出新的自制教具，以豐富中學物理教學手段。

【關鍵詞】3D打印技術；自制教具；設計優化；教學手段

隨著科技的不斷發展，3D打印技術在各個領域展現出了強大的應用潛力，其中包括中學物理教育。傳統的物理自制教具設計與制作往往受技術難度、材料成本等方面的限制，而3D打印技術的引入提供了創新的解決方案。通過使用“3D One類”軟件，教師可以更加便捷地設計并制作出具有復雜結構的自制教具，從而更好地服務于中學物理教學的需要。本文旨在通過詳細闡述3D打印技術在中學物理自制教具中的應用，為教育領域引入更先進的技術手段，提高教學效果。

一、3D打印技術在中學教育領域的應用

3D打印技術在中學教育領域的應用具有革命性的意義。引入3D打印，不僅能夠為學生提供更直觀、具體的學習體驗，而且能夠創造性地改變傳統教學模式。在中學物理教學中，通過3D打印技術，教師可以設計并制作出真實物體的三維模型，使抽象的物理概念變得更具體可見。學生可以通過觀察、觸摸這些打印出的模型，更好地理解物理原理。此外，3D打印技術還為學生提供了參與設計和制作的機會，激發了學生的創造力和實踐能力。這種親自參與的學習方式不僅提高了學科知識的學習效率，還培養了學生解決問題和團隊協作的能力。因此，3D打印技術在中學教育領域的應用不僅是技術的引入，更是一種創新教學方式的嶄新嘗試，為學生提供了更深入、全面的學習體驗。

二、利用3D打印技術自制教具及其優勢

（一）用3D打印技術設計制作教具的過程

3D打印技術設計制作物理自制教具是一項充滿創新和前瞻性的工作。教師利用“3D One類”軟件，通過簡便而強大的界面，能夠快速繪制出具體的三維模型。在設計過程中，教師可以根據教學需求和物理原理，精確控制每個零部件的尺寸和形狀，確保教具的準確度和可操作性。再通過切片軟件對設計好的模型進行處理，生成適合3D打印機進行打印的切片文件。在這一過程中，教師需要考慮打印材料的選擇、打印層厚、填充密度等參數，以確保最終打印出的教具具有足夠的強度和穩定性。接下來，利用3D打印機進行實際的制造過程，逐層堆疊打印材料，將設計好的三維模型逐漸變成實體教具。這個過程不僅要對打印機進行精準的調試，還要對打印過程進行監控，確保每一層都能夠正確打印。一旦打印完成，教師可以得到一個精確、個性化的物理自制教具。

（二）3D打印技術相比自制教具傳統技術的優勢

1.無須大量工具和設備

3D打印技術相較于傳統的自制教具制作技術具有明顯的優勢，主要體現在3D打印技術能夠輕松制造結構復雜的模型或零部件，而無須大量的工具和設備。傳統的自制教具通常需要依賴手工制作或基礎的加工設備，這在處理復雜結構或精密零部件時存在一定的局限性。而通過3D打印技術，教師可以通過“3D One類”軟件直觀設計和生成具有復雜結構的模型，無須依賴傳統的加工工具，這使得教師能夠更靈活地應對不同的物理教學場景和實驗需求。在3D打印技術中，模型的制作過程是通過逐層堆疊材料實現的，因此能夠精確控制每一層的形狀和位置，使即便是復雜結構的模型也能夠被精準制造。這種精細度和靈活性是傳統自制教具不具備的。同時，無須大量工具和設備的制作過程也減輕了教師的操作負擔，提高了教具的制作效率。3D打印技術還在材料選擇上更加靈活，可以選擇適合特定實驗要求的材料進行打印。傳統自制教具的制作通常依賴于常見的手工材料，而3D打印技術則可以選擇更先進的材料，如各種塑料、金屬合金等，以滿足不同實驗的特殊需求。

2.降低技術難度和材料成本

3D打印技術相對于傳統的自制教具技術具有顯著優勢，主要體現為3D打印技術去除了繁雜的手工制作，降低了制作過程的技術難度和材料成本。傳統的自制教具通常需要教師具備一定的手工制作技能，包括切割、粘接、組裝等煩瑣的手工操作。這些手工加工不僅需要教師耗費大量時間和精力，而且容易受人為因素的影響，導致制作的教具質量參差不齊。通過3D打印技術，教師可以通過“3D One類”軟件直接將設計好的三維模型轉化為實體教具，無須手工制作。一方面，3D打印機根據設計圖紙逐層堆疊材料，精確地還原模型的形狀，從而避免了煩瑣的手工步驟，不僅降低了教師在制作過程中的技術難度，同時也提高了教具的制作精度和一致性。另一方面，3D打印技術的應用能夠顯著降低材料成本。傳統自制教具可能需要購買各種材料和工具，而3D打印技術只需相應的打印材料，減少了教具制作的成本。此外，通過優化設計和合理利用打印材料，可以最大程度地減少材料浪費，進一步提高了成本效益。

3.能夠精準控制教具的各項參數

3D打印技術相對于傳統的自制教具技術的顯著優勢在于3D打印技術能夠精準控制教具的各項參數。在傳統的手工制作過程中，教師通常面臨著難以精確掌握尺寸、比例和結構等關鍵參數的挑戰，從而導致制作出的教具存在尺寸偏差，影響實驗效果和學生對物理現象的理解。而通過3D打印技術，教師可以在“3D One類”軟件中精確設計和調整每一個教具的參數，包括尺寸、形狀、結構等。這一設計過程不僅直觀便捷，而且允許教師根據具體實驗需求進行個性化定制，確保教具的尺寸和形態符合實驗設計的要求。3D打印機按照精確的設計圖紙逐層打印，保證了教具能夠準確還原設計意圖。精準控制教具的各項參數使教師能夠更好地適應不同教學場景。無論是展示物理原理、進行定量實驗還是引導學生進行探究性學習，都可以根據具體需求調整教具的參數，提高實驗的靈活性和教學的針對性。這一優勢不僅有助于提高教學效果，還為創新教學提供了更多可能性。通過3D打印技術，教師可以更靈活地設計和制作新穎的教學工具，激發學生對物理學科的興趣，加深學生對知識的深入理解。

4.可對自制教具精確復制，實現個性化定制教具和復制推廣

3D打印技術相較于傳統的自制教具技術具有顯著優勢，其中之一在于3D打印技術能夠對自制教具進行精確復制，實現個性化定制教具和復制推廣的特點。在傳統的自制教具過程中，由于手工制作的差異性和工藝復雜性，往往難以保證教具的精確一致性。而借助3D打印技術，教師只需設計一份高質量的三維模型，并通過3D打印機進行精準復制。這確保了每個復制品的尺寸、形狀和結構都與原始模型完全一致，從而消除了人工制作中的差異性，提高了教具的準確性和可復制性。更重要的是，3D打印技術不僅可以實現教具的精確復制，還支持個性化定制。教師可以根據特定實驗或學生的學科需求，靈活調整教具的參數，定制符合實際教學場景的個性化教具。這種個性化定制使得教學更貼近學生的實際學習需求，激發了學生對物理學科的濃厚興趣。同時，通過3D打印技術實現的教具精確復制也為推廣和分享創新教學資源提供了可能性。教師設計的優秀教具可以通過數字化的方式保存，并在需要時進行批量制作。這種數字化的制作和復制方式使得教具可以更廣泛地應用于不同學校和教學環境中，實現了教學資源的可持續共享和傳播。

三、利用3D One軟件繪制自制教具的部件模型實例

在教育領域，教具的使用往往能極大地提高學生的學習興趣和理解能力。尤其在物理和工程學科中，教具的使用能夠幫助學生更好地理解抽象的概念。隨著3D打印技術的發展，利用3D建模軟件自制教具部件模型成為一種新的解決方案。例如，打開3D One軟件，進入了其直觀界面。在開始繪制滑輪模型之前，教師需要深入了解滑輪的實際結構和工作原理，包括滑輪的直徑、輪緣形狀、軸孔位置等關鍵參數。這些參數將決定模型是否精確反映實際滑輪的工作特性。使用3D One軟件提供的繪圖工具，如線、圓弧、曲面等，教師可以開始繪制滑輪的各個部分。3D One軟件提供了豐富的工具選項，使繪制過程既精確又高效。在繪制過程中，教師還可以隨時調整滑輪的尺寸和比例，確保模型符合實際需求。例如，調整滑輪的直徑和輪緣的厚度可以影響其承受載荷的能力。完成初步繪制后，教師可以在3D One軟件中為滑輪模型添加顏色和材質。這樣可以使模型更加逼真，幫助學生更好地理解其結構和工作原理。例如，選擇金屬材質可以更好地模擬真實滑輪的質感，將滑輪設計成如圖1所示的可拆卸變形的結構，讓學生認識到“滑輪是杠桿的一種變形”形成從杠桿到滑輪的認知遷移，突破了教學難點。利用自制教具啟發學生連續轉動的杠桿可以演變為滑輪，再將滑輪抽象回杠桿模型，根據杠桿的平衡條件進行理論分析，得出使用滑輪時的省力情況。此外，3D One軟件還支持STL文件。這為后續的3D打印制作提供了便利。教師可以在3D One軟件中預覽滑輪模型的細節，并確保模型的完整性和合理性。這樣可以避免打印過程中可能出現的問題，如模型的分段、壁厚不均等。完成預覽并確認無誤后，教師就可以將模型導出并發送給3D打印機進行打印了。整個流程中，從設計到打印出成品，只需幾天時間。而傳統的教具制作方法可能需要數周甚至數月的時間，因此，利用3D One軟件繪制自制教具部件模型不僅提高了效率，還大大降低了制作成本。利用3D One軟件自制教具部件模型的實例不僅是一種技術手段，更是一種創新的教學策略。通過這種技術手段，教師可以快速、準確地設計和制作滑輪模型等教具。這種個性化的教學方式不僅能夠滿足教學需求，更能夠激發學生對物理學科的興趣。學生在觀察和操作真實的滑輪模型時，能夠更直觀地理解滑輪的運動規律，深入感受物理實驗的樂趣。

四、結束語

3D打印技術的應用為中學物理教學帶來了前所未有的變革。通過創新性的教學手段，能夠更好地激發學生的學習興趣，提高教學的實效性。期待未來，科技與教育的結合將會取得更為顯著的成果，為培養具有創新精神的新一代學生奠定堅實基礎。

【參考文獻】

[1]楊薈民.3D打印技術在自制教具中的應用[J].中學理科園地，2023（3）：87-89.

[2]柏貴友，李萍，李樂祥等.基于3D打印技術的兩軸變速器教具開發[J].汽車實用技術，2020（2）：193-195.

（本文系2023年度福州市教育信息技術研究課題“基于‘3D One類’軟件的中學自制教具開發與應用”的研究成果，課題編號：FZDJ2023A10）