用3D打印開發物理實驗教具①

羅世洪

(重慶市銅梁中學校，重慶 402560)

1 引言

實驗是中學物理教學的重要內容和方法，實驗教具的優劣對實驗效果有重要影響，甚至關乎教學目標的達成。隨著課程改革的深入和教育信息化2.0的推進，傳感器技術、3D打印技術、VR技術等不斷應用于教學，為設計實驗、開發教具、增加實驗教學的效能開辟了新的途徑。在中學物理教學中應用3D打印技術開發實驗教具，不但高效快捷，并且實驗效果顯著。

2 應用3D打印技術開發教具的意義與優勢

2.1 應用3D打印技術開發教具的意義

3D打印技術是一種快速塑造成型的三維立體打印技術，又稱“增材制造”技術，它以數字模型為基礎，立足三維數字模型，利用粉末狀的金屬材料或塑料材料，通過逐層打印的方式塑造具體的物體，為中學物理實驗教具開發提供了一條新型、高效的途徑。

3D打印技術應用于中學物理教具的開發，有利于縮短實驗教具制作的周期，降低制作成本，也有利于實驗教具的不斷改進，便于共享和推廣。采用師生共同開發的方式，能激發學生的學習興趣，促進學生的“模型建構”“質疑創新”“問題”“證據”等核心素養的發展，還能培養學生的通用技術和信息技術學科核心素養。

2.2 應用3D打印技術開發教具的優勢

2.2.1 零件制作時間更短，制作成本更低

利用傳統方式制作教具的零部件耗時長，而且結構越復雜，制作工藝就越復雜，需要的工具設備更多，花費的成本就更高。例如，在“探究感應電流的產生條件”時(圖1)，線圈在磁場中左右移動、上下移動、繞軸轉動時，哪些情況下會有感應電流產生？原因是什么？在理論分析的基礎上，可以讓學生做實驗探究。為了使實驗效果明顯，需要將單匝線圈改為幾十匝，在方木或厚PVC板上繞制線圈，不僅結構粗糙，且線圈繞制較難。而利用3D打印技術，只需用3D軟件設計一個合適的三維框(圖2)，然后用3D打印機打印實物。教具的部件越復雜，3D打印的優勢更加明顯，從而大大地節約制作時間和成本。

圖1

圖2

2.2.2 教具外形更美觀，演示效果更好

通常的教具制作與改進，主要是依靠教師手工制作教具部件或裝置，制作時需要繪圖、選材、切割、打磨等。制作時，常常因測量上的不精確而造成各部件組裝困難，或者組裝后的成品比較粗糙，甚至無法用于實驗。用3D打印制作教具，通過繪制模型草圖、建立數字模型、設置模型參數、切片分層、打印出模等程序，就可制作出美觀的教具。例如，設計、制作“過山車模型”實驗教具，采用雙股粗鐵絲制作教具，制作時用鐵絲繞制圓軌道不太容易實現，且小球容易脫軌。通過3D軟件建構數字模型(圖3)，3D打印機直接打印(圖4)，加裝底座即可完成，不僅美觀，而且實驗效果良好。學生在進行實驗時，通過合作探究，觀察、分析實驗現象，很容易得出實驗結論：為使小球能做完整的圓周運動，必須從一定高度釋放小球。該實驗教具還可以進一步優化，可在最高點和最低點加上DIS力傳感器和速度傳感器，進行定量分析。

圖3

圖4

2.2.3 教具參數變更容易，推廣性強

利用傳統的技術手段開發教具時一般都是手工制作，有時一件稍微復雜一點的教具需要花費很長的時間，制作程序也很復雜，制作出來的教具尺寸、形狀依據設計固定，變更參數難。在不同的實驗環境或實驗條件下，為了使實驗效果更明顯，往往要調整教具的規格，用3D技術設計、制作一個實驗教具，只需要改變計算機上相關的指令，就可調整教具參數，同時將數字化三維模型共享，其他師生根據自己做實驗的需要，可變更參數，通過3D打印制作教具成品，增強了推廣性，更具有實用價值。

3 利用3D打印技術開發物理實驗教具的原則

實踐表明，不是任何教具的制作和改進都需要使用3D打印技術，應用3D打印技術制作教具的目的是讓實驗效果更好，幫助學生建構物理模型，開展科學探究，促進學生核心素養的發展，用3D打印技術開發教具時應遵循一定的原則。

3.1 實用性原則

用3D打印技術開發物理實驗教具要有實用性。例如，圖5所示的器材用于說明物體所受向心力的來源，甲中物體單獨放在圓盤上，乙中兩個相同的物體放在圓盤上的不同位置，丙中兩個相同的物體用細線連接，逐漸增大圓盤的角速度，研究物體滑動的臨界問題。在制作圓盤時，可以利用木板或PVC板作為材料，不需要使用3D打印技術。實際上，實驗室的普通3D打印機打印一個直徑30 cm、厚度2 cm的大圓盤需要數小時才能完成，實用性不強，制作圓盤用傳統方式更好。若要制作“過山車模型”，研究圓周運動特點，采用3D打印制作的教具，實驗效果好，復制也更容易。

圖5

3.2 簡潔性原則

利用3D打印技術開發物理實驗教具要具有簡潔性。如果能夠利用身邊現有的器材開發實驗裝置，就沒有必要費時、費力設計、制作新的實驗器材。如果現有的材料不合適，就需要在設計、制作時，遵從簡潔性原則，盡量增加教具的功能。例如，探究向心力的來源和離心運動時，可以利用3D打印技術制作如圖6所示的可動式圓環軌道。演示時，在小滾珠上涂上墨水，然后讓小滾珠在圓環內做圓周運動，在進行了圓周運動之后，把圓環的一部分拆除，則小滾珠離開缺口后的運動軌跡會印在底板上，根據墨跡可判斷小滾珠離開圓環后沿著切線做直線運動。

圖6

3.3 創新性原則

用3D打印技術開發物理實驗教具要有創新性。利用教具進行教學的目的是為了使實驗效果更好，這就需要對實驗方式、方法或者實驗裝置進行創新。因此，應用3D打印技術開發教具不是簡單的復制已有的實驗教具，而應有所創新。

4 利用3D打印技術開發實驗教具的流程和示例

用3D打印技術開發實驗教具的流程主要包括6步：需求分析，數字建模，3D打印，教具組裝，效果驗證，參數修正(圖7)。以下用“探究動量守恒”的實驗教具開發示例予以說明。

圖7

4.1 需求分析

在“動量守恒”教學中常會解析以下習題：如圖8所示，小車靜止在光滑的水平面上，小車的AB段是半徑為R的四分之一光滑圓弧軌道，BC段是水平粗糙軌道，兩段軌道相切于B點，質量為m的滑塊在小車上從A點由靜止開始沿軌道滑下，然后滑入BC軌道，最后沒有滑離小車，求小車運動的距離。這是一道有關動量和能量的綜合題，大部分學生對于此類問題在物理模型建構和物理過程分析方面存在困難。為了突破教學難點，可以運用3D打印技術制作教具，通過實驗演示、視頻播放進行教學。

圖8

4.2 數字建模

教具部件分為兩部分，左邊是圓弧彎軌道，右邊是水平軌道。預設圓弧軌道半徑為10 cm，水平軌道為8 cm，寬度均為2 cm，采用凹槽結構，應用3D軟件，建立數字模型，命名為“動量守恒演示軌道”(圖9)。

圖9

4.3 教具的3D打印

根據3D打印機的不同品牌和型號，先用配套軟件將3D數字模型切片。設置打印參數，然后按照3D打印機的操作要求，調平、加熱、進料，直接打印，完成后去掉冗余部分。

4.4 教具組裝

圖10中的水平和圓弧軌道部分是利用3D打印的，其他部分是利用實驗室的物品制作。根據預設，需要將軌道固定在小車上，實驗發現，若將軌道固定在小車上，但是由于小球的質量較小(22 g)，遠小于小車質量，因此實驗現象不明顯。實際的教具是將軌道固定在長為15 cm的鋼尺上，將兩組車輪的輪軸固定在鋼尺上。同時在軌道左邊固定了一塊橡皮泥，橡皮泥捏成了一個中空漏斗形，小球滾進橡皮泥后，不會彈出來，改進后的小車和軌道總質量為93 g。為了讓小球從靜止釋放，這里加裝了平拋運動實驗中的電磁鐵裝置，通過小木桿固定在鐵架臺支架上，支架可以上下移動，調節合適的釋放高度。同時為了觀察小球和軌道車的運動情況，利用紙板和打印紙，制作了一個帶坐標的背景板。

圖10

4.5 效果驗證

實驗裝置組裝完成之后，就可以開展實驗了。打開電磁鐵開關，小球由靜止釋放，小球在下滑的過程中，小車向右移動，通過測量小球到達水平軌道左端停止時小球和小車的水平位移，判斷在水平方向上的動量是否守恒。實驗發現這個過程的持續時間很短，實驗時可采用錄制視頻或者手機連拍方式，筆者在實驗中采用數碼相機錄制方式，然后利用編輯軟件每0.04 s截取一幀圖片，以展示實驗過程(圖11)。通過多次實驗發現，小球水平位移為16.5 cm，軌道車水平位移為3.4 cm。對于小球有：m1x1=0.003 63 kg·m，對于軌道車有：m2x2=0.003 16 kg·m。由于小車所受摩擦力等的影響，實驗誤差比預期大了一些，但是小車和小球的運動情境效果明顯，小車與小球運動方向相反。

圖11

4.6 參數修正

根據實驗的驗證情況，可調整數字模型的參數，美化、優化實驗裝置。如在條件允許的情況下，可以將水平軌道加長，增大小球和小車的相對位移，減小實驗誤差。

5 結語

中學物理實驗的傳統教具在研發上往往存在一些難以解決的問題，在引入3D打印技術之后，這些問題得到了較好解決，教具可以批量化生產，教具制作成本大幅降低，可以更加精準地控制參數。當然，3D打印應用于中學物理實驗教具開發，需要在理論指導下實踐，通過實踐驗證理論，旨在培養學生的建構模型能力，提升學生的核心素養。