3D打印技術在化學教具制作與教學中的嘗試

陸晨剛

摘要：國外3D打印技術已普遍運用于基礎教育階段，并開設相關課程和教學體系；國內雖然開展了3D打印的教學研究和課程改革，但在中學學科教學中應用的實踐案例很少。基于3D打印技術，對分子構型及特殊實驗裝置進行了教學嘗試，在培養學生能力方面取得了較好效果。

關鍵詞：3D打印；化學教具；實驗儀器

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

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

1 當前高中化學教具和實驗儀器方面存在的一些問題

高中化學教學中，教師講解分子構型、形狀時，一般通過諸如圖片或實物模型等教具開展教學。這些教具通常存在兩個問題：第一，固定靜態的平面展示。如掛圖、圖片類，不能很好地反映分子的立體形狀和空間結構，對于高一高二學生來說，單靠圖片等二維平面教具想象實際的三維立體結構相對困難。第二，傳統的分子結構實物模型成本較高，購買困難。實物模型教具可以讓學生充分了解分子在三維方向的空間結構。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），另一方面類型和數量有限，不一定能滿足所有的教學內容，且經常因為缺貨使得購買周期加長，導致不能匹配教學進度。

此外，在實驗教學中，經常在實際應用或題目中有一些設計新穎、形狀特殊、功能特別的儀器和裝置。由于無法購買到實物，難以激發學生的實驗興趣和討論氛圍。對于實驗教學中的一些基本實驗思想和實驗原理，也由于缺乏相關的儀器和實物，使得學生缺乏學習積極性，當遇到難以理解的實驗器材和原理時，不愿意多思考、多質疑，只是簡單地按照教材的說明和教師的解釋機械記憶相關原理，使得創造性思維的培養、實驗動手能力和科學實驗素養的提高都難以落到實處。

2 3D打印技術在化學教學中的應用嘗試

筆者將3D打印引入課堂，對分子構型及特殊實驗裝置進行了教學嘗試，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打印機為：Form1+光固化3D打印機、Hori Z300 PLA打印機。

2.1 分子模型的制作及教學

學生掌握上述基本繪制工具后，教師引入本節課的教學內容，請學生思考并構建SF6的空間結構和3D模型。學生在3D軟件的幫助下可以盡情地發揮他們的想象力，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分子的相關參數，如鍵長、鍵角等，學生通過比較、討論可以得出SF6正確的空間構型。最后，由教師審核3D模型，確認無誤后導出為“stl”格式文件（File-export-stl），用preform或Cura等3D打印軟件打開stl文件后傳輸到3D打印機進行打印，打印成品可贈予學生留念或用于今后的教學，見圖3。

制作分子模型的過程中，學生通過在3D建模軟件中對“球”、“棍”等基本構建單元的調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型和立體結構有了深入了解和直觀的認識。與傳統教學模式中僅通過圖片展示或模型觀看，要求學生記住不同的分子構型和鍵角等參數不同，學生在3D建模過程中自然而然地就掌握了這些知識并能熟練運用。實踐過程中，有些學生甚至在課后進一步提出要求構建更為復雜的分子模型，如二茂鐵、C60、金剛石晶胞等3D模型并進行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點是：可以將冷凝管流出的水通入其中一側的進水管，在球型容器中充分吸收另一側通入的由冷凝管口產生的尾氣，從而達到將廢氣有效密封并充分吸收的作用。該裝置的另一優點是進入儀器的水流對廢氣進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，有效防止了傳統裝置中水倒吸至反應瓶的情況出現。

但學生在制作過程中也提到該改進裝置的不足：排出的廢水若直接排放，則會對環境造成危害；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 結語

將3D打印技術引入分子模型和化學實驗的教學，取得了較好的效果，小結如下：endprint