基于3D打印技術的中學物理實驗教具應用探究

摘 要：物理學科作為一門以觀察與實驗為基礎的學科，在教學過程中，物理教具的作用舉足輕重.教師常常需要自行制作教具，然而傳統自制教具存在制作工藝復雜煩瑣、成品較為粗糙以及尺寸難以精準把控等缺陷.3D打印技術的出現，猶如一場及時雨，巧妙地解決了這些難題，實現了優勢互補.文章探討了3D打印技術在中學物理教具中的創新應用，闡述了3D打印技術的起源、發展及優勢，包括設備簡便、制作工藝簡單、材料成本低等，為中學物理教學帶來變革與機遇.

關鍵詞：物理教學;物理教具;3D打印技術

中圖分類號：G632

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0333（2024）30-0110-03

收稿日期：2024-07-25

作者簡介：陳再清（1990—），男，江蘇省淮安人，碩士，中學一級教師，從事高中物理教學研究.

在科技飛速發展的當今時代，教育領域也在不斷探索創新之路，以更好地激發學生的學習興趣，培養學生的科學素養.物理學科作為一門對觀察與實驗有著高度依賴的學科，其教學方法的創新尤為關鍵.當傳統自制教具在制作工藝與效果上逐漸顯露出諸多不足時，3D打印技術的出現，猶如一顆璀璨的新星，為中學物理教學帶來了新的曙光.它不僅能夠巧妙地解決傳統自制教具的難題，將抽象的物理知識轉化為直觀的現象，幫助學生更好地理解和掌握物理規律，更能為學生打開一扇通往科技前沿的大門，開啟一段充滿創新與探索的物理學習之旅.文章將深入探討3D打印技術在中學物理教具中的創新應用，分析其優勢和價值，為推動中學物理教學的改革與發展提供新的思路和方法.

1 背景及意義

《普通高中物理課程標準》中明確指出“培養學生物理核心素養”“滿足學生終生發展的需求”“關注科技進步和社會發展需求”“學生自主學習”“教學方式多樣化”“注重過程評價”等基本理念^［1］.這些理念要求教師在教學過程中積極轉變傳統教學方式，注重激發學生的學習興趣，引領學生親身經歷真實的科學探究歷程，通過實驗探究物理規律，在探究中體悟科學探究方法，培養物理核心素養.同時，教師應當密切關注先進科學技術，助力學生塑造科學思維與創新精神，進而獲得終身學習的能力.

實驗教具在物理教學中扮演著至關重要的角色，它能夠以直觀形象的方式將物理現象或規律生動地展示出來，使學生更加真切地感受物理規律，從而加深對物理規律的理解，更有利于學生形成科學態度.現成的教具雖在一定程度上發揮了促進作用，但缺乏靈活性與創造性.而自制教具由教師自行設計制作，不僅能夠緊密貼合教學內容，還可以促進教師技能發展和學生創新思維的發展.傳統自制教具制作過程中存在的諸多弊端，在3D打印技術面前得以有效解決.我們可以將3D打印等先進科學技術融入傳統自制教具，從而實現優勢互補^［2］.

杜威認為“教育即生長”“教育即生活”“教育即生活的改組和改造”，這三個觀點共同揭示了實用主義的教育觀點，強調教育不應脫離社會，而應與社會緊密相連.3D打印技術作為當今社會前沿科技，源自實際社會生產，學生接觸3D打印技術，不僅有利于與社會建立聯系，更能培養學生的社會責任感和科技強國的責任擔當^［3］.

2 3D打印技術簡介

3D打印技術即快速成型的三維立體打印技術.它以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式構造物體.

2.1 數字模型構建

數字模型是借助三維設計軟件構建三維立體物體或場景模型，常用的3D建模軟件有AutoCAD、123D Design、3D one等.

2.2 模型打印

傳統打印機在X軸和Y軸組成的二維平面內進行2D打印，而3D打印技術則將打印維度提升至X、Y、Z軸組成的三維立體空間進行3D打印.在打印過程中，需將復雜的三維物體轉化為一系列二維圖形，逐層打印、疊加，最終形成三維模型.

2.3 3D打印設備

3D打印機大致分為個人用、專業用、工業用三類.隨著技術的不斷升級以及成本的降低，個人用3D打印機的普及率日益提高.個人用3D打印機一般基于FDM成型工藝，打印設備所需的原材料以ABS塑料或PLA塑料為主.這類打印機在精度和打印時間上雖較專業級和工業級稍遜一籌，但具有體積小巧、價格便宜等優勢，能夠滿足個人的基本使用需求.

2.4 3D打印技術優勢

傳統自制教具的結構一旦復雜，在制作過程中所需的工具設備便會增多，制作工藝也會更為復雜，進而導致制作成本相對較高.然而，3D打印技術卻能出色地解決這一問題.個人用3D打印機操作極為簡便，對技術的要求較低，其所使用的PLA材料屬于可降解的環保材料，符合節約型社會的發展要求.傳統自制教具通常需要分別制作各個部件，隨后進行組裝.而3D打印技術能夠實現器材的一體化成型，無須再次進行組裝.在傳統自制教具的制作過程中，往往依賴手工測量，容易導致測量精度不足，制作出的教具參數不準確，因此，傳統教具常常存在不美觀、粗糙等問題.而利用3D打印技術制作模型時，可以對模型的各項參數進行極為精確的控制.同時，3D打印技術可在建模時對建好的模型進行復制，從而實現教具的批量生產.

3 基于3D打印技術的中學物理教具實例

3.1 向心力演示實驗教具的制作

對高一學生來說，向心力相關知識是全新的內容，這部分內容對后面的圓周運動以及天體運動起著至關重要的作用.此內容的重點在于概念的建立以及向心力的來源.在實際教學過程中，大部分教師往往通過講授法直接告知學生結論.對于向心力與圓周運動的供需關系的探究，如果缺乏教具的輔助教學，學生對這一抽象概念的理解存在一定難度.因此，設計這一教具不僅能幫助教師在教學中突出重點、突破難點，還能更有效地幫助學生理解向心力這一概念，使其更加形象直觀.

首先，利用123D軟件進行三維立體建模，在平面上生成一個可拆卸的圓環，該圓環由A、B兩部分組成，如圖1.在設計時需注意模型的尺寸大小控制，并調整好該模型在空間中的合適打印位置，一般居中打印.

接著，將123D生成的stl格式的三維模型導入到3D打印機自帶的切片軟件進行切片.筆者所使用的3D打印機為極光爾沃的A3S，如圖2，該打印機為入門級設備，價格便宜，完全能夠滿足教師平時自制教具的需求.在導入切片軟件中，通過調整合理的位置以減少模型的支撐結構，減少耗材的浪費，如圖3.三維模型切片的層數、填充密度、打印速度等參數都會影響后期模型的精度，一般而言，填充密度越高、中等打印速度的模型精度較高.

最后，將生成的gcode文件通過SD卡拷入3D打印機即可完成打印工作.模型打印結束后，可以根據需求對支架進行剝離以及表面拋光處理等.將打印好的A、B兩部分模型組合在一起，通過熱熔膠將B部分固定在打印好的底板上.實驗時，讓小球在圓環內做圓周運動，引導學生對小球進行受力分析，并思考哪個力讓小球做圓周運動.其中，重力與板對球的支持力在豎直方向上是一對平衡力，二力平衡.對于圓周運動，根據牛頓定律可知，運動狀態發生變化，必然受到了力的作用.學生猜想是圓環的彈力提供了圓周運動的向心力.將小球粘上印泥，先讓小球在圓環內運動幾次完整的圓周運動，然后拆下A部分，當小球運動到缺口處，由于失去了環給的彈力，從缺口處滾出，并在白色底板上留下清晰的運動軌跡，如圖4.通過軌跡分析可得小球離開圓環后沿著切線方向做直線運動，說明小球做圓周運動的向心力來源于環對小球的彈力.而彈力的產生是由于球跟環壁發生了擠壓，因此，該彈力方向時刻在改變，但始終指向圓心.總結彈力的作用效果是讓小球做圓周運動，我們將這樣的力定義為向心力.在定義完向心力后，聯系前面所學的性質力，加深學生對性質力的理解.

3.2 薄板重心的尋找和驗證教具的應用

重心是重力的等效作用點，在物理學中屬于一種常用的物理思想，即等效替代.從作用效果上來看，我們可以將所有的重力看作集中于一點.利用3D打印機打印出形狀各異的薄板，通過懸掛法找出兩條重力所在的直線，兩直線的交點即為重心.這個簡單的實驗，在教師平常的教學過程中往往一帶而過，并未進行實驗.原因之一在于形狀不規則的薄板制作需要去尋找合適的材料，費時費力，而3D打印技術可以輕松完成這種薄板的制作，可以對薄板的厚度進行精確控制，筆者所制作的薄板厚度為0.3 mm.

在教學過程中，我們可以通過懸掛法確定重心后，再通過帶有底座的支柱對重心進行驗證.如果該點能夠在支柱上保持平衡，說明該點為薄板的重心，如圖5.薄板和支架的制作簡單，可以進行批量制作，讓學生自己動手進行探究.融合懸掛法和支撐法對重心進行驗證，不僅可以培養學生的動手操作能力，還可以培養學生的科學探究精神等科學素養.

4 結束語

3D打印技術在自制教具方面具有極大的優勢，能夠充分發揮教師的智慧，培養學生對物理學科的學習興趣.除了用于自制教具以外，還可以應用于校本課程.教師可以開設3D打印社團，激發學生學習興趣，促進學生關注前沿科技，增強學生探索未知事物的精神，從而提綜合能力與科學素養.

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標準（2017版）［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］ 吳睿佳，程敏熙. 基于3D打印技術的中學物理科技活動課程設計［J］.物理通報，2020（6）：66-69.

［3］ 李剛，侯恕.3D打印技術：中學物理實驗教學優化新思路［J］.物理教師，2015，36（12）：65-68.

［責任編輯：李 璟］