3D打印技術在中學物理教學中的創新應用研究

課題項目：福州市電化教育館批準，《基于“3Done類”軟件的中學自制教具開發與應用》列為2023年度福州市教育信息技術研究立項課題，課題編號：FZDJ2023A10。

作者簡介：黃艷娟（1984～），女，漢族，福建福州人，福建省福州外國語學校，研究方向：中學物理。

摘 要：隨著科技的快速發展，3D打印技術已經成為教育領域創新應用的前沿技術之一，特別是在中學物理教學中，其已經展現出了巨大的潛力和優勢。文章詳細闡述3D打印技術在中學物理教學中的創新應用，包括制作教學模型、設計實驗裝置、創建互動教具以及提供學生課余學習資源等方面。通過這些應用，3D打印技術不僅能夠直觀展示物理概念和原理，提高學生的學習興趣和參與度，還能促進學生的實驗技能發展和創新思維能力。此外，文章還探討了3D打印技術在實際教學中的應用挑戰，以及未來發展趨勢和潛在的教學模式創新。

關鍵詞：3D打印技術；中學物理教學；創新應用

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8918（2024）43-0113-04

中學生思維比較活躍，認知發展水平正在快速提升，教師要重視教學模式的創新和教學工具的改變，不斷激發學生的學習興趣。在傳統的中學物理教學中，學生往往面臨著理解抽象物理概念和原理的挑戰，限制了對物理學的探究興趣，難以產生深入學習的動力。3D打印技術的發展和教育領域的應用，為物理教學帶來了新的機遇，3D打印技術以其獨特的優勢，為中學物理教學提供了直觀的學習工具和實驗裝置，使得抽象的物理概念和原理能夠通過實物模型得以直觀展示和探索。

一、 3D打印技術的發展背景

隨著科技的快速發展，3D打印技術已經從新興概念成長為具有革命性影響力的制造工具。自20世紀80年代末首次出現以來，3D打印技術經歷了快速的發展，從最初的快速原型制造演變為復雜的數字制造過程，該種技術能夠根據數字模型直接制造出三維實體物品，為設計、工程、制造甚至藝術創作開辟新的途徑。在教育領域，3D打印技術能夠提供實踐學習的機會，促進學生創造力、解決問題能力的發展，以及對復雜概念的理解。尤其在科學、技術、工程和數學教育中，3D打印提供了獨特的方式，其可通過直觀的物理模型演示和探索抽象的概念和原理，加深學生的學習體驗。

二、 3D打印技術在中學物理教學中的應用意義

（一）提升學生的學習興趣和參與度

傳統的物理教學依賴課本和二維圖像傳遞知識，隨著信息技術的發展，教學中引入視頻，但是仍然無法實現教學情境的真實課堂體驗，所以許多學生在抽象概念和物理原理的理解上依然存在困難。而3D打印技術可以制作出可觸摸和操作的三維物理模型，能將抽象的物理概念轉化為直觀的物理對象，將物理原理轉化為真實的情境教學。例如，通過3D打印出的杠桿、滑輪系統或照相機、投影儀模型，學生可以直接觀察和操作這些模型，從而更加深刻地理解力學原理和光學原理。此外，3D打印技術不僅僅是制作模型的工具，還是激發學生創造力和探索精神的平臺。在設計和制作自己的物理模型的過程中，學生需要運用所學的物理知識解決實際問題，這一過程可激發學生主動學習和探索的欲望。

（二）促進學生深層次的理解和認知

物理學充滿了抽象的概念和理論，如力、能量、電磁場等，3D打印技術能夠將這些抽象的概念通過實物模型具象化。比如，通過打印出磁感線模型，學生可以直觀地看到磁場的分布，或通過打印不同形狀的物體來探索重心，這樣的直觀體驗有助于學生更好地理解物理概念的本質。此外，3D打印出的模型可以觸摸和操作，多感官的學習過程能夠加深學生對物理概念的理解和記憶。例如，在學習分子結構時，通過操作3D打印的分子模型，學生可以直接感受到分子間的空間排布和相互作用，這種體驗是傳統教具無法提供的。

（三）增強學生創新能力和實踐技能

通過3D打印，學生可以設計和制造自己的物理模型，這一過程不僅要求學生了解物理概念，還要思考如何將這些概念應用到實際的設計中，這種從零開始的創造過程能促使學生跳出傳統教育模式的思維框架，激發創新思維。例如，在設計用于演示能量轉換的模型時，學生需要考慮如何有效展示重力勢能和動能之間的轉換，進而提出全新的設計理念或改進現有模型的方法。另外，3D打印項目往往伴隨著一系列設計和技術上的挑戰，如模型的可行性評估、材料的選擇和優化設計等。面對這些挑戰，學生應運用知識和創造力尋找解決方案，這不僅可鍛煉學生的邏輯思維能力，還能提高學生解決問題的能力。

（四）為課堂教學提供個性化支持

學生的學習風格多種多樣，包括視覺型、聽覺型、動手操作型等，3D打印技術能夠為學習者提供適合他們學習方式的教學資源。例如，對偏好視覺學習的學生，教師可以設計和打印出具體的物理模型，幫助他們更好地理解復雜的物理概念；而對偏好動手操作的學生，則可以通過親自參與模型的設計和打印過程，增強學習體驗。3D打印技術的靈活性允許教師快速制作或修改教學模型，以適應教學策略的變化，這種快速響應的能力是傳統教學資源難以比擬的，有助于教師更有效地實施教學調整，確保教學活動的有效性和學生學習的連續性。

三、 3D打印技術在中學物理教學中的應用現狀

（一）成本和資源的限制

3D打印機的價格從幾百美元的桌面型打印機到幾萬美元的工業級打印機不等。雖然教育中不需要高端的工業級設備，但即使是中等規格的3D打印機，對預算緊張的學校來說也是一筆不小的開支。同時，為了滿足整個學校或多個班級的需要，需要購買多臺設備，進一步增加了成本負擔。此外，3D打印機雖然能夠制作出各種教學模型和輔助工具，但這些打印過程需要消耗特定的材料，如ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）或PLA（聚乳酸）等塑料絲，材料的消耗也將成為持續的成本，并且3D打印機的維護和修理也需要專業知識和額外費用。

（二）教師技術熟練度待提高

3D打印技術相對較新，要求教師了解其工作原理、熟悉操作流程，并能夠解決在使用過程中遇到的技術問題，不僅包括設計或選擇適合打印的模型，還包括操作3D打印機、選擇適合的打印材料以及維護和修理打印設備。教師還需要學會使用設計軟件創建或修改3D模型。因而，這是一個全新的技能領域，教師需要接受關于3D打印技術和相關軟件的培訓，然而，對許多學校來說，提供這樣的專業發展機會是一大挑戰。

（三）教學資源開發有難度

雖然市場上已有許多3D打印模型和資源可用于教育，但這些資源往往是通用的，無法完全符合特定課程的需求或滿足特定教學目標。因此，教師需要根據班級的具體需求和學生的學習水平，開發或調整現有的3D模型和教學資源，這不僅是一項技術上的挑戰，也是一個創意和創新的過程。同時，開發適合特定教學目的的3D打印模型，需要教師投入大量的時間和精力，從設計模型開始，到調整設計以確保模型的教學有效性，再到最終的打印和測試，每一步都會面臨技術和實踐上的挑戰，對同時承擔教學、備課和其他學校責任的教師而言，擁有足夠的時間來完成這些額外任務并不容易。

（四）學校設施待完善

3D打印設備及其操作需要專門的空間，這些設備通常需要放置在通風良好、溫度適宜的環境中，以確保打印質量和設備長期運行。此外，為了便于教學和學生操作，這些空間還需要考慮到學生的安全和便利性。對空間有限的學校來說，找到或重新配置這樣的空間是一個挑戰。另外，3D打印技術的有效運用和持續維護需要專業的技術支持服務，包括定期的設備維護、軟件更新、故障排除和維修服務。但多數學校內部缺乏足夠的專業人才提供這種支持，因而需要外部服務提供商的協助，但確保持續有效的技術支持需要更多財政投入和良好的供應商關系管理。

四、 3D打印技術在中學物理教學中的應用措施

（一）制作教學模型，增強學生對抽象概念的理解

物理學本質上探討的是自然界的規律，許多概念對中學生來說都顯得相當抽象，如力的作用、能量的轉換、磁場等，這些抽象概念的教學和學習往往需要依靠直觀的教學工具和模型。3D打印技術制作教學模型可以將抽象的物理概念具象化，形成可以觸摸和操作的物理對象，這種直觀性對學生理解復雜的物理現象和原理至關重要，可以幫助其更快地理解和記住概念。

以力學中的杠桿系統為例，教師先介紹杠桿的基本概念和類型，以及杠桿五個要素（支點、力的作用線和力臂），然后，設計一個包含不同類型杠桿（如省力杠桿、費力杠桿和等臂杠桿）的模型，設計時要考慮模型的教學功能，如可調節的力臂長度、可更換的重量塊等，便于演示杠桿的平衡條件和力的作用效果。接著，使用3D打印機打印設計好的杠桿模型各個部分，并組裝完成，準備好與實驗相關的附件，如重量塊、測量工具等。課堂上教師展示3D打印的杠桿系統模型，邀請學生探索模型的不同部分所對應的杠桿類型，并提出他們對杠桿如何工作的假設。學生分小組，每組分配一套3D打印的杠桿系統模型，通過改變力臂長度和調整重量塊的位置，使杠桿達到平衡狀態。其間，學生記錄不同配置下所需的力量大小，計算并驗證杠桿平衡條件。最后，各小組分享他們的實驗結果，討論為何杠桿會達到平衡，不同類型杠桿的特點和應用。教師再通過講解實際案例（如核桃鉗、天平、撬棍等），讓學生理解杠桿系統的廣泛應用，并鼓勵學生設計自己的杠桿應用模型，使用3D打印技術實現，以培養學習創新思維和解決問題的能力。通過與模型的互動操作，學生的學習過程更加主動和富有探索性，學習興趣和參與度顯著提高。

（二）設計實驗裝置，促進學生的實驗技能發展

實驗是物理學習中不可或缺的一部分，其不僅可以驗證理論知識，還能培養學生的觀察力、思維能力和動手能力。通過設計并使用3D打印的各種實驗裝置，學生可以親手操作實驗，相較于僅僅觀看演示或進行理論學習，其更能夠激發學生的學習興趣和主動探索精神。此外，3D打印出的實驗裝置相比傳統的實驗器材成本低廉，易于制作和替換，學校能夠以較小的預算擴大實驗教學的范圍。

電學實驗中，教師可以利用3D打印技術制作“電路學習套裝”，幫助學生學習基本電路的組成、電路圖的識別與繪制，以及簡單電路的搭建和測試。教師提前設計包含電池座、開關、燈泡座、導線和各種電阻的3D模型，確保模型易于操作，且可以安全連接電源和其他組件，并利用3D打印技術打印。為了確保電路的安全和實用性，部分如導線和電池可能需要使用標準部件。然后，教師讓學生觀察并描述各個部件，介紹基本電路的組成部分，包括電源、導線、開關和用電器（如燈泡），以及這些組件是如何通過電路圖表示的。學生操作開關，觀察并記錄電路工作狀態（如燈泡亮起），同時，測量并記錄電路的電流和電壓，討論電路的工作原理及其與電路圖的對應關系。最后，教師總結常見的錯誤和疑難點，解答學生在搭建和測試電路過程中遇到的問題，并鼓勵學生設計自己的簡單電路（如加入更多的燈泡或電阻），嘗試繪制對應的電路圖。這樣一來，就將電路圖的識別和電路的實際搭建結合起來，可以幫助學生理解理論與實踐之間的聯系，提升學習效率。

（三）創建互動教具，營造良好的課堂教學氛圍

在傳統的中學物理教學中，課堂互動常常受限于教學資源的缺乏和教學方法單一，學生以被動的方式接受知識，不僅降低了學習效率，也減弱了學生對物理學習的興趣。隨著教育技術的發展，3D打印技術為創新教學方法、增強課堂互動提供了新的可能性。通過創建具有教學功能的互動教具，可以顯著提升學生的學習動力和課堂參與度，營造更加積極和互動的學習環境。

比如，為了探索牛頓運動定律和空氣動力學原理，教師和學生可以共同設計和打印小型的火箭模型或其他飛行器模型，通過發射這些模型，使學生實際觀察和分析各種力（如推力、阻力、重力）如何影響物體的運動狀態。如設計包含可更換噴嘴和質量模塊的火箭模型，以便觀察不同設計對飛行性能的影響；設計不同形狀和大小的飛行器模型，如紙飛機或滑翔機，用以探索空氣動力學原理；3D打印一個火箭或飛行器發射臺，設計可調節發射角度和力度的機制；設計簡易的速度測量裝置，用于測量火箭或飛行器的起飛速度。學生根據教師提供的指導手冊，共同組裝火箭或飛行器模型，每次發射后，學生記錄實驗數據，包括發射角度、飛行時間和飛行距離。通過改變火箭模型的質量和發射力度，學生觀察并理解牛頓第二定律（F=ma）在實際中的應用，通過比較不同形狀飛行器的飛行性能，使學生了解空氣阻力、升力等空氣動力學原理。通過這種互動式的教學方式，學生不僅能夠直觀地學習和理解物理原理，還能通過動手實踐鍛煉自己的科學探索能力和創新思維。

（四）提供多種資源，滿足學生不同的學習需求

3D打印技術的發展和普及為學生提供可在課余時間自主探索的教學資源，這些資源能夠滿足學生不同的學習需求，激發學生的學習興趣，促進自主學習。此外，通過在課余時間使用3D打印資源進行自主學習，學生不僅能夠加深對物理知識的理解，還能通過設計和制作自己的3D打印模型，鍛煉實踐能力和創新思維，促進學生從知識的消費者轉變為知識的創造者。

3D打印技術可被用來創建太陽系模型，包括行星、衛星、小行星帶等復雜結構。首先，教師介紹太陽系的基本結構和特征，激發學生的興趣。然后，學生根據自己的興趣選擇想要深入研究的天體，如地球、火星、木星或小行星帶等。在教師的指導下，學生選擇模型文件，使用3D打印機打印出自己選擇的天體模型，并嘗試自己調整模型的參數，以滿足他們對模型的具體需求。之后，學生對打印出的天體模型進行觀察，注意天體表面的特征、大小比例等，收集有關自己選擇的天體的科學資料，包括其組成、大氣、軌道、自然現象等。對一些天體，如地球和月球，學生可以設計實驗來模擬日食、月食等現象。最后，學生制作展板，展示他們關于所選天體的研究成果，包括3D模型、科學資料和實驗結果。

五、 結論

綜上所述，3D打印技術在中學物理教學中的創新應用展現了其在促進學生學習興趣、增強理解力、發展實驗技能和激發創新能力方面的巨大潛力。通過制作教學模型、設計實驗裝置和創建互動教具等方式，3D打印技術為學生提供了豐富多樣的學習資源和實踐平臺，極大地豐富了物理教學內容，提高了學生的學習效率和教學的互動性。盡管在推廣應用過程中仍面臨技術、成本和教師專業發展等挑戰，但隨著技術的進步和教育理念的更新，3D打印技術在中學物理教學中的應用前景將更加廣闊，有望成為推動教育創新和改革的重要力量。未來的研究和實踐應更加關注如何有效整合3D打印技術與教學大綱，探索更多符合學生學習特點和需求的教學模式，以促進學生全面發展。

參考文獻：

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