動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)換——3D打印重力小車

管軼

學(xué)習(xí)背景

人類社會(huì)進(jìn)入21世紀(jì)，信息化浪潮席卷全球，以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以及3D打印等技術(shù)為代表的先進(jìn)信息技術(shù)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了深刻影響。這些技術(shù)日益改變著我們的生活方式，并且已經(jīng)影響到了學(xué)校教育與人才培養(yǎng)。

物理是一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理常用的教學(xué)方式，實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中具有十分重要的地位。初中物理作為基礎(chǔ)教育的重要組成部分，對(duì)學(xué)生形成完善的知識(shí)體系，掌握初中生應(yīng)該掌握的基礎(chǔ)知識(shí)和基礎(chǔ)技能，意義重大。初中物理課時(shí)較為緊張，教學(xué)內(nèi)容較為豐富，涵蓋了力、熱、聲、光、電和原子物理等諸多知識(shí)內(nèi)容，要在有限的課時(shí)中讓學(xué)生盡可能提高對(duì)知識(shí)的掌握程度，實(shí)驗(yàn)教學(xué)就起到了很大的作用。

3D打印技術(shù)自20世紀(jì)80年代出現(xiàn)以來(lái)，一直因打印成本昂貴而無(wú)法得到普及與應(yīng)用，而目前它正處在關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，正如計(jì)算機(jī)由昂貴的工業(yè)品向家庭民用轉(zhuǎn)變一般，3D打印目前正在快速發(fā)展過(guò)程中，打印成本的持續(xù)走低使其很快走入公眾視野。越來(lái)越多的事實(shí)證明，3D打印已不再局限于工業(yè)設(shè)計(jì)、科研等高端領(lǐng)域，它正逐漸走出工廠與實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)家庭與學(xué)校，走進(jìn)每個(gè)人日常生活的方方面面。3D打印同時(shí)滿足了物理實(shí)驗(yàn)的各種需求，因此，一線教師嘗試將3D打印運(yùn)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，助力物理教學(xué)的開展。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能 1.知道重力勢(shì)能和動(dòng)能之間可以相互轉(zhuǎn)化。2.能夠判斷重力勢(shì)能和動(dòng)能大小變化。3.掌握3D模型制作軟件基本操作。

過(guò)程與方法 1.經(jīng)歷重力勢(shì)能（動(dòng)能）概念的形成過(guò)程、重力勢(shì)能（動(dòng)能）與相關(guān)因素間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程以及能的轉(zhuǎn)化研究過(guò)程。2.了解用科學(xué)語(yǔ)言描述物理現(xiàn)象和規(guī)律的方法，感受實(shí)驗(yàn)探究中的控制變量法和猜想、分析、歸納等思維方法。

情感態(tài)度與價(jià)值觀 1.培養(yǎng)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。2.跨學(xué)科教學(xué)，讓學(xué)生了解自己所學(xué)的知識(shí)不是紙上的，而是可以使用的。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn) 設(shè)計(jì)制作重力小車。

教學(xué)難點(diǎn) 在安裝運(yùn)行重力小車時(shí)，找出重心不穩(wěn)導(dǎo)致翻車的解決方案。

教學(xué)準(zhǔn)備

PPT、3DOne軟件、3D打印機(jī)、木棒、滑輪、鉤碼、車輪、車軸。

教學(xué)過(guò)程

一、聚焦任務(wù)，激發(fā)興趣

播放賽車影片，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。（掃描右側(cè)課件講解視頻二維碼）

教師提出本節(jié)課教學(xué)任務(wù)：用3DOne軟件設(shè)計(jì)一輛小車。

二、設(shè)計(jì)指導(dǎo)，著手實(shí)施

設(shè)計(jì)引導(dǎo)一、制作設(shè)計(jì)以重力為動(dòng)力可以行駛的小車

1.提問(wèn)：如何讓重力成為小車的動(dòng)力？

2.引導(dǎo)：利用簡(jiǎn)單的機(jī)械工具來(lái)改變力的方向，從而使重力成為動(dòng)力。引出工具滑輪，給予學(xué)生初步設(shè)計(jì)草圖與基礎(chǔ)材料。（如圖1）

設(shè)計(jì)引導(dǎo)二、學(xué)生設(shè)計(jì)車架底座與傳動(dòng)裝置

1.制作車軸孔半徑為0.5mm，木棒連接口半徑為1.5cm的車架底盤，在3DOne軟件中進(jìn)行操作。

（1）選擇基本實(shí)體正方體：80mm×60mm×10mm，放置在原點(diǎn)處。（如圖2）

（2）對(duì)新完成的正方體進(jìn)行鏡像。移除添加實(shí)體。（如圖3）

（3）選擇基本實(shí)體圓柱體：半徑2mm，長(zhǎng)70mm，放置在一側(cè)穿過(guò)目標(biāo)。（如圖4）

（4）對(duì)圓柱體進(jìn)行鏡像。移除選中實(shí)體。（如圖5）

（5）選擇基本實(shí)體圓柱體：半徑2mm，長(zhǎng)60mm，經(jīng)過(guò)剛剛開的孔。（如圖6）

（6）對(duì)圓柱體進(jìn)行鏡像。在車子的中間位置放置圓錐體，上底8mm，下底15mm，高25mm。（如圖7）

（7）在圓錐體上放置圓柱體：半徑為3.5mm，高為25mm，與圓錐體重合。選擇圓錐體與圓柱體組合編輯減運(yùn)算。（如圖8）

2.制作傳動(dòng)裝置：安裝滑輪，連接細(xì)線傳輸小車的動(dòng)力。成品展示如圖9。

三、課后總結(jié)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

學(xué)生對(duì)重力小車難以把握重心，比較容易翻車。有的學(xué)生認(rèn)為，小車越高越好，因此選擇很長(zhǎng)的木棒安裝在底座上，導(dǎo)致小車重心偏高，容易翻車。有的學(xué)生認(rèn)為，小車要有速度，因此選擇較重的鉤碼，鉤碼的下降速度是快了，但是小車的重心向前，放在地上一下子就把小車?yán)沽?，根本行駛不了?/p>

實(shí)踐反思

本課是對(duì)3D打印課程在教育教學(xué)中的一種嘗試，重點(diǎn)在于通過(guò)項(xiàng)目制作與組裝運(yùn)行，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)將自己的理論知識(shí)與解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題綜合起來(lái)，能將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際生活中。有時(shí)并不是學(xué)生沒(méi)有能力做事，而是他們沒(méi)有機(jī)會(huì)去做，作為教師，我們不應(yīng)只是死板地傳授學(xué)生知識(shí)，而應(yīng)該讓學(xué)生主動(dòng)去探索、去學(xué)習(xí)。初中學(xué)生已經(jīng)有一定的認(rèn)知與探索能力，因此教師應(yīng)該給予他們更多的機(jī)會(huì)和時(shí)間去探索、去學(xué)習(xí)，他們的設(shè)計(jì)與創(chuàng)造力可能是我們教師無(wú)法想象的。

專家點(diǎn)評(píng)

本設(shè)計(jì)是對(duì)3D打印課程在學(xué)校中有效實(shí)施途徑的一種有益嘗試，將3D打印與“重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能”的知識(shí)相結(jié)合，使學(xué)生能夠?qū)W以致用，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際生活。

本設(shè)計(jì)向?qū)W生展示了動(dòng)能與勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程：鉤碼向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)小車向前運(yùn)動(dòng)，往復(fù)循環(huán);小車底座和傳動(dòng)裝置是3D打印設(shè)計(jì)制作。在課堂上教師演示該實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小車競(jìng)賽，這一活動(dòng)不僅可以提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，也是指導(dǎo)學(xué)生理解和應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)。（點(diǎn)評(píng)人：金建萍，上海市嘉定區(qū)南苑中學(xué)，物理高級(jí)教師）