淺談利用3D打印模型輔助物理模型建構(gòu)

童有彩　張安軍

摘要：物理是我國(guó)中學(xué)基礎(chǔ)教育中的重要科學(xué)。將3D打印技術(shù)運(yùn)用到物理課堂教學(xué)和學(xué)生實(shí)際問(wèn)題分析的過(guò)程中，可以將課本練習(xí)中物理情境以實(shí)物模型展現(xiàn)在學(xué)生的面前，從而輔助教師教學(xué)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。3D打印技術(shù)，讓物理情境不再是單純依靠想象，而是變?yōu)檎鎸?shí)的觀察、觸摸、感知的模型，增強(qiáng)學(xué)生物理學(xué)習(xí)真實(shí)體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)輔助教學(xué)力學(xué)

力學(xué)是高中物理知識(shí)體系中非常重要的部分。當(dāng)在課堂實(shí)際教學(xué)中涉及一些較為抽象的力學(xué)物理模型時(shí)，我們往往希望能夠?qū)⑽锢砟Ｐ驼w展示給學(xué)生看，同時(shí)讓學(xué)生從不同角度觀察物理模型。物理模型的多角度演示，可以讓學(xué)生觀察得更全面更充分，降低他們理解抽象物理模型的難度，并且讓他們?cè)诶斫饬W(xué)概念等知識(shí)的同時(shí)，增強(qiáng)自身空間想象能力和空間建構(gòu)能力。在實(shí)際教學(xué)中，每當(dāng)需要進(jìn)行實(shí)物模型展示時(shí)，為了達(dá)到更深層的教學(xué)目的、取得更好的教學(xué)效果，我們經(jīng)常會(huì)引導(dǎo)學(xué)生觀察模型的立體圖、三視圖或者截面圖，然而圖片難以讓學(xué)生獲得足夠的視覺(jué)刺激，學(xué)生聽(tīng)課效率不高，理解吸收比較慢。當(dāng)孩子獨(dú)立遇到書(shū)本或練習(xí)中設(shè)立的物理情境時(shí)，模型的立體性、多樣化往往會(huì)讓孩子難以思考全面、無(wú)法分析準(zhǔn)確。3D打印技術(shù)的日益發(fā)展與成熟，為物理教學(xué)提供了多一種可能。

一、3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的一種快速成型技術(shù)。我們可以把一些平日只存在于書(shū)本中的物理情境圖，利用3D設(shè)計(jì)軟件做出三維圖，再通過(guò)3D打印機(jī)將其變成真實(shí)可觸的模型供孩子們學(xué)習(xí)使用。

二、利用3D打印制作物理基礎(chǔ)模型

其實(shí)很多物理模型并不復(fù)雜，一般是把物體理想化為質(zhì)點(diǎn)、木塊、小球、木板，物體之間一般直接接觸或通過(guò)輕繩、輕桿、橡皮筋或彈簧連接，物體置于水平面、斜面以及圓弧軌道、管道等曲面中。這些基礎(chǔ)模型我們完全可以通過(guò)3D打印直接制作出來(lái)，用于孩子們課上課下學(xué)習(xí)使用。由于3D打印材料本身成本不高，我們完全可以打印出成套模型，每套配有多個(gè)木塊、小球、環(huán)、桿、斜面等多個(gè)模型，來(lái)滿足教學(xué)活動(dòng)中不同情景需要。利用3D打印可以直接打印出想要的尺寸，可以制作較大的模型供教師演示，也可以制作小模型發(fā)給孩子們使用。利用3D打印可以直接制作一些尺寸匹配的配套模型，打印一些尺寸樣式一樣的模型等。

三、利用基礎(chǔ)模型組合力學(xué)常見(jiàn)模型

（一）輔助力學(xué)模型教學(xué)演示

基礎(chǔ)模型打印制作完畢后，我們就可以根據(jù)課本和練習(xí)中所設(shè)立的情景利用模型輔助教學(xué)。以人教版必修第一冊(cè)為例，在共點(diǎn)力平衡中的所描述的一些情景中，如斜面上的小球在豎直擋板的作用下保持靜止這一模型的受力分析。利用3D模型學(xué)生可以直觀感受到小球的受力情況。只需要撤去擋板或者輕微移動(dòng)擋板，學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)模型變化情況，通過(guò)這種方式，孩子們很容易明白斜面和擋板起到的作用，以及它們之間彈力作用效果。這將有助于加深孩子對(duì)彈力的大小方向等概念規(guī)律的理解。

教材中還給出過(guò)一臺(tái)空調(diào)外機(jī)用兩個(gè)三角形支架固定在外墻上的圖片，而課本給出的實(shí)物圖只是一個(gè)側(cè)視圖，學(xué)生根本看不到有兩個(gè)支架。學(xué)生需要通過(guò)結(jié)合圖片解讀題目，并且憑借生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)理解整個(gè)模型的樣子。教師在進(jìn)行這個(gè)模型的分解講解時(shí)，一般需要畫(huà)出相應(yīng)的立體圖或正視圖來(lái)配合教學(xué)。而利用3D打印模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合，就能夠把這個(gè)情境真實(shí)地展現(xiàn)在學(xué)生面前。學(xué)生自然就能通過(guò)觀察，快速抓住這個(gè)模型的特點(diǎn)，理解支架在這個(gè)模型中的作用。

由于生活中的很多彈力是由微小形變導(dǎo)致的。所以單看圖片展現(xiàn)的情景學(xué)生很難知道是否有彈力的存在，以及彈力的大小和方向，只能通過(guò)一些物理方法和學(xué)過(guò)的物理概念規(guī)律來(lái)側(cè)面地對(duì)物理情景進(jìn)行分析和判斷。而由于分析得來(lái)的結(jié)論很難得到真實(shí)的驗(yàn)證，學(xué)生其實(shí)一直都在理論層面上學(xué)習(xí)物理，被動(dòng)掌握物理的方法、理解物理的規(guī)律，又如何能將所學(xué)的物理知識(shí)規(guī)律用于生活實(shí)際問(wèn)題分析呢？

（二）輔助力學(xué)模型受力分析

相互作用力與彈力的教學(xué)中經(jīng)常會(huì)給出一些物理情境，讓學(xué)生判斷彈力的有無(wú)。例如把一個(gè)小球放在水平面或曲面上，旁邊緊挨著放一個(gè)立方體或者球體。判斷兩者之間是否有彈力。對(duì)于這一類問(wèn)題我們可以運(yùn)用假設(shè)法，或者利用簡(jiǎn)單的平衡力知識(shí)去分析判斷彈力的有無(wú)。但其實(shí)究竟有沒(méi)有彈力？現(xiàn)實(shí)中是否真的如此？學(xué)生是無(wú)法去驗(yàn)證的，最終他們只能也只是通過(guò)固有的理論去分析。如果我們能把這個(gè)情境以實(shí)物的方式展現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生只要把旁邊的物體挪走。看看小球動(dòng)不動(dòng)就能判斷之前兩個(gè)物體之間是否有擠壓，是否有彈力。這樣通過(guò)實(shí)際情境的觀察感知，再上升到理論的分析，最后得到結(jié)論理解物理概念規(guī)律。這樣更符合物理知識(shí)規(guī)律的理解認(rèn)知的建構(gòu)。

掌握彈力和摩擦力大小、方向的判斷一直是教學(xué)的重點(diǎn)難點(diǎn)。例如，將一個(gè)輕質(zhì)小環(huán)或小球套在桿上?！熬拖翊呛J一樣?！蔽覀兘?jīng)常需要通過(guò)這樣的比喻描述來(lái)幫助學(xué)生理解這樣的一個(gè)模型所展示的情景。但即便如此孩子也很難僅僅通過(guò)觀察圖片就能快速理解情景，對(duì)其中的受力進(jìn)行準(zhǔn)確分析。學(xué)生其實(shí)內(nèi)心有很多疑問(wèn)，桿是如何給小球彈力的作用，摩擦的作用？所給的彈力和摩擦力又是朝著什么方向？為什么小球只能沿桿方向運(yùn)動(dòng)？為什么小球在垂直桿方向一定是受力平衡的？其實(shí)，有的時(shí)候我們也在想要是能把這么一個(gè)模型直接放在孩子面前，讓他們看該多好，會(huì)大大促進(jìn)他們對(duì)這個(gè)模型的理解。

我們可以根據(jù)需要讓小球靜止或者運(yùn)動(dòng)，學(xué)生自然能觀察到小球只能沿著桿運(yùn)動(dòng)，可以很輕松地理解彈力在其中起到的作用，我們可以調(diào)整桿的角度或者施加外力讓小球相對(duì)桿靜止或運(yùn)動(dòng)，學(xué)生也很容易發(fā)現(xiàn)摩擦力的種類和方向也隨之改變，有的時(shí)候只需讓孩子看得真切，就能降低他們理解的難度，而3D打印技術(shù)能夠打印出我們所需要的模型，起到很好的輔助教學(xué)的作用。

責(zé)任編輯：黃大燦2827F5D8-C1DA-4E93-8FD2-46ABC46B9726