例談基于3D打印的中學物理實驗教具開發策略*

羅世洪

(銅梁中學校，重慶 銅梁 402560)

1 引言

實驗教學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，關乎教學目標的完成。隨著新課程改革的深入和教育信息化2.0的推進，各種傳感器、3D打印技術、VR技術等新技術不斷應用到教學中，設計實驗，開發教具，增加實驗教學的效能。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 基于3D打印技術的教具開發意義與優勢

2.1 基于3D打印技術教具改進的意義

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出一個具體的物體。這為中學物理實驗教具開發提供了一種新型、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，降低實驗裝置制作成本，也有利于實驗教具不斷改進，同時便于共享和推廣。若采用師生共同開發的方式，還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”等物理核心素養的發展[2]。還能促進學生通用技術和信息技術學科核心素養的培養。

2.2 基于3D打印技術教具開發的優勢

2.2.1 零件制作時間更短 成本更低

一般而言，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，在研究人教版選修3-2第四章第二節《探究感應電流的產生條件》“問題與練習”時，如圖1所示。關于線圈在磁場中左右移動、上下移動、繞軸轉動，哪些情況會有感應電流產生？原因是什么？在理論分析的基礎上，可以讓學生做實驗探究進行驗證。為了使實驗效果明顯，需要將單匝線圈改為幾十匝，則用小方木或厚的PVC板等傳統的方式制作卡框，在其上繞線圈，不僅結構粗糙，且繞線圈難。若利用3D打印技術，就只需用3D軟件設計一個合適的三維框，如圖2.4cm×4cm×1cm(長×寬×厚度)，然后用3D打印機打印實物。實際上，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 探究感應電流的產生條件實驗

圖2 線圈卡框數字模型

2.2.2 教具外形更美觀 演示效果更好

傳統方式改進教具，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、打磨等加工處理。制作時，常常因測量上的不精確而造成各部件組裝困難，或者組裝后的成品往往比較粗糙，甚至無法實驗。而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[3]。例如，設計、制作“3D過山車模型”實驗教具,先用雙股粗鐵絲制作教具，制作時鐵絲繞制圓軌道不太容易實現，且小球容易脫軌,后用3D打印制作，通過3D軟件建構數字模型（如圖3），3D打印機直接打印（如圖4中白色部分），加裝底座后整個教具即可完成，且教具美觀，實驗效果十分明顯。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：小球能做完整的圓周運動必須從一定高度釋放。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，開展定量分析。

圖3 “過山車模型”三維數字模型

圖4 3D 打印“過山車模型”實物教具

2.2.3 教具參數變更易，推廣性更強

利用傳統技術手段開發教具一般都是手工制作，有時一件稍微復雜一點的教具需要花費很長的時間和較為復雜的程序來制作，且教具尺寸、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，若用傳統制作工藝制作耗時耗力耗材，而用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，變更參數，通過3D打印制作教具成品,增強推廣性，更具有實用價值。

3 基于3D 打印技術的中學物理實驗教具開發策略

3.1 應用3D 打印技術改進實驗教具的原則

應用3D 打印技術開發中學物理教具，其優勢十分明顯，那么如何恰當的利用3D 打印技術開發物理實驗教具呢？結合目前的文獻研究和多年的教學實踐，并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，促進學生物理核心素養的發展。應用3D 打印技術開發教具時應遵循實用性、簡化性和創新性原則，

3.1.1 實用性原則

應用3D 打印技術開發物理實驗教具，應遵循實用性原則。事實上，并不是任何教具開發都需要使用3D打印技術。例如，在學習圓周運動時，可以讓學生制作“圓盤模型”，如圖5 所示，用于理解物體所受向心力的來源，圖甲是物體單獨放在圓盤上，圖乙是兩個相同的物體放在圓盤上的不同位置，丙圖是兩個相同的物體用細線連接，逐漸增大轉軸的角速度，研究物體滑動的臨界問題。師生制作圓盤時，可以利用木板或者硬紙板或PVC 材料制作圓盤，不需要使用3D 打印技術制作圓盤。實際上，實驗室的普通3D 打印機打印一個直徑30cm、厚度2cm 的大圓盤需要數小時才能完成，實用性不強，制作圓盤實驗教具傳統方式更好。若要用“過山車模型”實驗教具，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 圓周運動的幾種常見圓盤問題

3.1.2 簡化性原則

應用3D 打印技術開發物理實驗教具，應遵循簡化性原則。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，遵從簡化性原則，盡量將一個教具設計成多功能，達到多種演示效果。例如，探究向心力來源和離心運動時，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 向心力演示裝置數字模型

3.1.3 創新性原則

應用3D 打印技術開發物理實驗教具，應遵循創新性原則。利用教具進行教學目的是為了實驗效果更好，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，而是有所創新，尤其是制作新型的教具零件或者教具裝置。

3.2 應用3D 打印技術開發實驗教具的流程

通過研究發現，應用3D 打印技術開發實驗教具的流程主要包括六步，需求分析，數字建模，3D 打印，教具組裝，效果驗證，參數修正，如圖7 所示。下面結合“動量守恒”實驗教具的開發，進行簡要闡述。

圖7 應用3D 打印技術改進實驗教具的流程

3.3 “動量守恒”實驗教具開發案例

3.3.1 需求分析

在學習動量守恒這部分內容時，常常會遇到如圖8 所示的這類問題，小車靜止在光滑的水平面上，小車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。本題是某一方向（水平）動量守恒和能量問題的綜合應用，大部分學生對于這類問題，感覺建立物理模型和分析物理過程比較困難。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 水平方向動量守恒問題

3.3.2 數字建模

根據實驗需求，該部件分為兩部分，左邊是圓弧彎軌道，右邊是水平軌道。預設圓弧軌道半徑為10cm，水平軌道為8cm，寬度均為2cm，采用凹槽結構，應用3Done 軟件或其它3D 軟件，建立數字模型，另存為stl 類型，命名為“動量守恒演示模型軌道”，如圖9。

圖9 動量守恒演示模型軌道

3.3.3 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，如調平、加熱、進料等步驟直接打印，完成后，去掉支撐和冗余部分。

3.3.4 教具組裝

圖10 中的紅色軌道是利用3D 軟件直接打印的，其它部分是利用實驗室的物品制作而成。根據預設，需要將軌道固定在小車上，但是通過實驗發現，若將軌道固定在小車上，但是由于小球的質量較小（22g）,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了一把15cm 的小鋼尺上，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，不彈出來，改進后的小車和軌道總質量為93g。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A4 打印紙，制作了一個帶坐標格的背板。

圖10 動量守恒演示裝置

3.3.5 效果驗證

實驗裝置組裝完成之后，就可以開展實驗效果驗證了。打開電磁鐵開關，小球將靜止釋放，小球在下滑的過程中，小車將向右移動，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，估算是否滿足水平方向動量守恒。通過實驗發現，這個過程實際上很短。因此，實驗時可采用錄制視頻或者手機連拍，本實驗采用的是數碼相機錄制，然后在編輯軟件上每0.04s 截取一張照片，觀察實驗過程，（教學時可以播放視頻，控制播放進程，測量各個運動過程，小車和小球運動的水平位移，研究它們水平方向動量關系。）如圖11。通過多次實驗發現，若研究開始到結束過程，小球水平位移為16.5cm,軌道車水平位移為3.4cm。對小球：；對軌道車：。由于摩擦等影響，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，能說明小車和小球組成的系統水平動量守恒。幫助學生建構這類題型的物理過程和解題模型，培養了學生的物理核心素養。

圖11 動量守恒實驗演示過程部分

3.3.6 參數修正

最后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3D 打印機允許的情況下，可以水平軌道加長，增大小球和小車的相對位移大，減小讀數的相對誤，可在軌道末端加裝2cm 長的平軌道，便于加裝橡皮泥，設置兩底座，便于安裝車輪，既美觀，又減少了軌道裝置（含小車）的質量，這樣使實驗效果更加顯著。

4 結語

中學物理實驗的傳統教具在研發技術上往往存在著一些難以解決的問題，在引入3D 打印技術之后，這些傳統技術難以跨越的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等等。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，培養學生的建構模型能力，提升學生的核心素養，希望本文可以拋磚引玉，引起更多的研究者關注和研究。