3D打印技術在大學物理實踐教學中的應用

趙琪琪 趙嵩卿 楊書博 唐天寧

摘? 要? 隨著智能工業化的發展，3D打印技術在工業設計、制造及教育等領域的應用不斷深入?；谂囵B創新型人才的教育理念，鼓勵學生自主設計改進大學物理教學實驗設備，指導學生進行學科競賽及創新創業比賽。實踐表明，將3D打印技術融入大學物理實踐教學中，能夠改善實驗條件，提高實驗效率，激發學生的創新能力，對于促進產學研教相結合具有重要意義。

關鍵詞? 3D打印技術;大學物理實踐教學;實驗設備;大學物理實驗;光電設計競賽;創新實驗

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：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打印技術是一種利用計算機輔助設計軟件，將某種特定的加工樣式進行一系列數字切片編輯，生成數字化模型文件，運用特定材料及特定設備，分層加工以疊加成型，最終打印出與模型圖相同固態物體的新興制造方法[1]。“第三次工業革命”被認為是人類繼19世紀的蒸汽時代和20世紀的電氣化時代之后的第三次歷史性突破，而3D打印技術與互聯網、新能源被并稱為“第三次工業革命”的三大核心技術[2]。

目前，3D打印技術已經走進大多數高校，作為日常教學教具制作以及實驗設備改造的重要工具。與此同時，3D打印技術也被引入各種實踐教學及學科競賽中，作為快速實現學生創新想法以及提高學生創新能力與實踐能力的重要媒介。本文通過將3D打印技術應用在大學物理實踐教學中，極大增加了學生的實驗興趣，激發了學生的創新思維，提高了學生的實踐能力。

1? 3D打印技術的原理及優勢

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

1）熱塑性絲狀材料被熱熔噴頭加熱并熔化成半液態;

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運動，逐層形成薄片。

與傳統制造工藝相比，絲狀材料選擇性熔覆3D打印技術在應用于大學物理實踐教學時具有以下優點[4-5]：

1）小批量生產時，成本不受產品復雜度的影響，3D打印工藝不會因為產品復雜程度而產生開模及制造等由工藝造成的廢品率高的問題;

2）不受產品種類數的影響，3D打印機可以在一定時間內打印多種樣件，打印種類數不影響其整體打印時間;

3）不受產品設計方案選擇的影響，設計方案可以多樣化，產品的最大尺寸小于打印機整機大小即可;

4）易于掌握，便于上手，一到兩周內即可具有設計制造能力;

5）生產過程安全且環境污染較小，避免了傳統車鉗刨銑操作的危險性，且生產過程無廢屑粉塵，不影響操作者健康;

6）3D打印具有精確的實體復制特點，樣品調試后可小規模生產。

2? 3D打印技術在大學物理實驗教學中的應用

隨著教育教學改革的不斷深化，高校的實驗室建設和裝備條件有了很大程度的提高[7-8]。然而現有的實驗教學仍存在諸多嚴峻的挑戰，在不同程度地影響學生的學習效果。例如：

1）實驗教學受時間和空間的約束;

2）實驗儀器的數量和質量以及其他教育資源增加投入的速度遠遠趕不上實際發展的需要;

3）實驗儀器設備維修周期長、更新率低;

4）實驗教學內容陳舊，教學方法和手段比較落后。

在這種環境下，實驗教學很容易形成教師照本宣科“領著走”、學生似懂非懂“照著做”的局面。為了更好地完成大學物理實驗教學任務，學校將3D打印技術引入教學實踐中，一方面讓學生接觸當前的先進制造技術，極大地激發學生的學習興趣;另一方面帶領學生進行創新實踐，極大地提高學生的創新能力。

液體的粘滯系數和人們的生產生活關系緊密，利用落球法測量液體粘滯系數是大學物理實驗中的基本實驗之一[9-11]。落球法液體粘滯系數測定儀主要包括測量架、兩個激光發射接收底座、兩對激光發射接收調節器和兩對激光發射器與接收器，如圖1所示。兩對激光發射器與接收器分別安裝于兩對激光發射接收調節器上，每對激光發射接收調節器固定于一個激光發射接收底座上，各裝置的調節范圍極小。因此，學生在做實驗時經常會出現發射器發射的激光無法被接收器接收的現象，需要花費大量時間在激光探頭對準的調試上。這樣既有悖于實驗目的，也影響學生的實驗熱情，會極大地降低實驗課堂的質量。

為了改善這一現象，鼓勵學生利用3D打印技術對現有的落球法測量液體粘滯系數的實驗設備進行改進。經過對實驗原理、實驗操作及市場現有設備的充分調研，學生設計一種3D打印激光發射接收兩軸調節器，如圖2所示。相比原有的激光發射接收調節器，增加與底座連接、用于調整水平方向旋轉角度的軸，增加與激光發射器和接收器連接、用于調整豎直方向旋轉角度的軸。改進后的調節器自由度為2，可以滿足實驗操作需要。同時，考慮到直視激光會造成眼部損傷，對兩軸調節器進行俯仰機械限位設計，消除學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測量儀改進的具體過程。

1）繪制激光發射接收兩軸調節器的CAD設計圖，并將其導入切片軟件，完成打印前的預處理工作，如圖2-a所示。

2）將切片處理后的設計圖導入打印機，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。

經實驗測試，改進后的實驗設備測得的實驗數據與改進前的實驗設備測得的實驗數據一致，但每次實驗設備調試的時間由原有的25～40分鐘縮短至3～5分鐘，實驗效率大幅提高，從而使得學生將更多的精力轉移到實驗原理的理解上。

3? 3D打印技術在大學物理實驗競賽中的應用

全國大學生光電設計競賽是大學物理學科重要的學科競賽之一。在比賽中，學生可以將理論知識與實際應用相結合，對提高創新能力與實踐能力具有重要意義。近年來，能夠將學生的想法快速轉變為實物模型的3D打印技術，為相關競賽的順利進行提供了重要保障。在第七屆全國大學生光電設計競賽中，對西北賽區一等獎作品“基于光電技術的油氣管道綜合智能檢測平臺”，學生利用3D打印技術制作遠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的有效連接部件，具有調整方便、加工便捷且穩定性高的優點。

為助力學生學科競賽及創新創業比賽，學校開設一系列創新性實驗課程，包括單片機創新實驗、光學創新實驗、聲學創新實驗、3D打印創新實驗等。3D打印創新實驗課程的學習內容主要包括三部分（以學生在3D打印創新實驗課上創作的作品哈勃衛星模型為例）。

1）形態設計及建模軟件的使用。利用Solid-Works或AutoCAD等軟件進行結構設計，如圖4-a所示。

2）結構力學分析及切片軟件的使用。利用ANSYS

等軟件對完成結構設計的受力部件進行力學分析，完成形態調整后，利用Cura軟件進行模型切片并導出分層模型信息，如圖4-b所示。

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

通過一系列的創新實驗課程，學校為學生應用3D打印技術參加大學物理學科競賽打造了實踐平臺，也為學生在各類學科競賽及創新創業競賽中取得優良賽績提供了可能。

4? 結語

3D打印是一個集設計、分析、制造為一體的實踐過程，是創新思想物化的強有力工具。本文對3D打印技術在大學物理實踐教學中的應用進行研究，改變制約教學開展的實驗條件，增強大學物理的學科競爭實力，為培養復合型創新人才發揮了重要的作用。利用3D打印技術，對大學物理實踐教學中的設備進行功能改進，可以縮短研發周期，降低研發成本，提高研發效率?；?D打印技術，開展學科競賽指導與創新實驗課程相結合的研究型實驗教學組織和管理模式，激發學生對實驗的興趣和創新思維，形成學生自主學習、自主研究、自主實驗的良好局面。未來隨著3D打印技術的進一步發展，該技術在大學物理實踐教學中的應用將不斷深化，進而在提高學生學習效率、挖掘教師創造潛能等方面發揮更重要的作用。■

參考文獻

[1] 趙婧.3D打印技術在汽車設計中的應用研究與前景展望[D].太原：太原理工大學，2014.

[2] 高奇，曾紅，張德強.3D打印在大學生創新實驗中的應用研究[J].實驗技術與管理，2015，32（11）：28-30.

[3] 張瓏薈.基于3D打印技術在文創產品設計中的應用研究[D].武漢：湖北工業大學，2018.

[4] 楊婧.淺談3D打印技術在創意包裝設計中的應用[D].昆明：云南大學，2016.

[5] 高奇，曾紅，張德強.基于3D打印技術的快速模具?制造開放實驗探討[J].實驗技術與管理，2016，33（1）：205-207.

[6] 高奇，曾紅，張德強.3D打印在大學生創新實驗中的應用研究[J].實驗技術與管理，2015，32（11）：28-30.

[7] 張景川，石魯珍.大學物理虛擬實驗實踐教學與理論分析[J].高等理科教育，2009（2）：79-82.

[8] 吳濤，劉新，朱瑞富，等.“創客+”3D打印實踐教學方法研究[J].實驗技術與管理，2019，36（6）：189-192.

[9] 代偉，楊曉暉.落球法液體粘滯系數測定儀的改進[J].大學物理實驗，2006（4）：36-38.

[10] 趙平華.落球法測液體的粘性系數的研究[J].大?學物理，2002（7）：29-30，33.

[11] 唐果書.落球法測液體粘滯系數實驗的研究[J].?安徽教育學院學報，2006（3）：22-23，34.

*項目來源：自治區高校本科教育教學研究及改革項目“基于復合型人才培養目標的《工程物理及實驗競賽》的課程改革”（PT-2021083）;中國石油大學（北京）克拉瑪依校區大學生創新創業訓練計劃項目“智能3D打印國風石大畢業紀念系列文創項目”“面向俄語初學者的發音評估嵌入式系統研究與應用”（S202019414014）;中國石油大學（北京）克拉瑪依校區大學物理及大學物理實驗課程群建設資助項目（JX030016）。

作者：趙琪琪，中國石油大學文理學院，工程師，研究方向為實驗物理;趙嵩卿，中國石油大學文理學院，教授，研究方向為實驗物理;楊書博，中石化石油工程技術研究院，研究員，研究方向為工程設備（100101）;唐天寧，中國石油大學文理學院，研究方向為實驗物理（834000）。