3D打印技術(shù)在自制教具中的應(yīng)用

楊薈民

摘? ?要：教師在自制教具的過(guò)程實(shí)際上就是對(duì)教學(xué)進(jìn)行研究的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，教師利用3D One軟件繪制及3D打印機(jī)打印的部件與常規(guī)的材料進(jìn)行整合不僅提升了教師的思維能力、創(chuàng)造能力、教學(xué)能力等個(gè)人素質(zhì)，豐富了教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣使課堂教學(xué)更高效且增加了教具資源。

關(guān)鍵字：3D打??；自制教具；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)效果

3D打印技術(shù)是通過(guò)電腦用3D One軟件繪制模型以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)利用3D打印機(jī)運(yùn)用材料逐層堆積來(lái)實(shí)現(xiàn)構(gòu)造物體的技術(shù)。而物理就是“對(duì)物論理”，把實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用科學(xué)。把3D打印技術(shù)融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的自制教具中不僅創(chuàng)新了教育教學(xué)而且增加了課程資源。

下面就以高中物理課本必修第一冊(cè)第5章第4節(jié)“牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律”講作用力與反作用力的關(guān)系和選擇性必修第一冊(cè)第1章第2節(jié)“動(dòng)量守恒定律及其應(yīng)用”中講到反沖運(yùn)動(dòng)時(shí)都可以用到的一個(gè)自制實(shí)驗(yàn)儀器取名“螺旋槳”（如圖1所示）為例，實(shí)現(xiàn)利用3D打印技術(shù)繪制打印的部件融入物理自制教具中。

1? 利用3D One軟件繪制自制教具的部件模型

為了教具的整合，自制實(shí)驗(yàn)儀器“螺旋槳”其中有兩個(gè)部件R300電機(jī)外殼和滑片支桿是利用3D打印機(jī)打印出來(lái)的，因此先要把這兩個(gè)部件都先利用3D One軟件繪制出來(lái)。

1.1? 繪制R300電機(jī)的外殼

因?yàn)檫@個(gè)自制教具有用到R300微型直流電機(jī)，分三個(gè)步驟繪制一個(gè)R300電機(jī)的外殼，目的是能把電機(jī)固定在這個(gè)殼里。打開(kāi)電腦，雙擊打開(kāi)桌面3D One軟件圖標(biāo)，新建文件，取名為“R300電機(jī)外殼”。外殼從底部到頂部共有兩層，首先畫(huà)底部第一層方形底座，其次畫(huà)第二層圓套，最后把這兩層組合起來(lái)即可。

（1）底座

{1}在坐標(biāo)網(wǎng)格上面作圖。在命令工具欄中選基本實(shí)體中的六面體命令，鼠標(biāo)移動(dòng)到工作區(qū)，單擊左鍵選擇六面體放置的位置設(shè)置其長(zhǎng)、寬、高的數(shù)值，“動(dòng)態(tài)拾取”坐標(biāo)（0，100，0），然后點(diǎn)擊確定，這樣一個(gè)50×13×3 mm3的長(zhǎng)方體就畫(huà)好了。

{2}畫(huà)底座左右兩端的圓孔。在命令工具欄中選草圖繪制中的圓形命令，設(shè)置圓心坐標(biāo)（-20，100）直徑為4 mm；在特征造型中選擇拉伸命令，跳出一個(gè)小窗口，先選中圓形，在小窗口中布爾運(yùn)算選擇減運(yùn)算，拉伸類(lèi)型“1邊”，點(diǎn)確定完成拉伸，就在底座的左端出現(xiàn)了一個(gè)小孔。同理：在六面體上坐標(biāo)為（20，100）的位置繪制圓形的圓心，直徑也為4 mm，拉伸，選中圓形，點(diǎn)減運(yùn)算，點(diǎn)確定就把底座右端的圓孔畫(huà)好了。

{3}畫(huà)底座中段的凹槽。草圖繪制中選矩形命令，在底座中段畫(huà)一個(gè)長(zhǎng)4 mm、寬3 mm的長(zhǎng)方形；特征造型中選擇拉伸命令，選中矩形，在小窗口的布爾運(yùn)算選擇減運(yùn)算，拉伸類(lèi)型“1邊”，點(diǎn)確定就出現(xiàn)一個(gè)矩形的凹槽。

（2）圓套

確定之后，繪制第二層。在長(zhǎng)方體底座上表面繪制一個(gè)固定直流電機(jī)的圓套。

{1}在命令工具欄中選基本實(shí)體中的圓柱體命令，把其中心坐標(biāo)定在（0，0），按照R300電機(jī)的外觀尺把圓柱的底面直徑設(shè)置為28.5 mm、高為13 mm。

{2}選擇特殊功能命令組下的抽殼命令，對(duì)圓柱體進(jìn)行處理。選擇抽殼命令，在彈出的對(duì)話框中，造型選擇圓柱體，厚度選擇-2，開(kāi)放面為圓柱體的上表面，然后點(diǎn)擊確定，完成抽殼。

{3}繪制圓套背面的三個(gè)圓孔。在草圖繪制中選中圓形命令，令其圓心為（0，0），直徑為6.5 mm；然后在特征造型中點(diǎn)擊拉伸命令，選中圓形，在跳出的小窗口中布爾運(yùn)算選擇減運(yùn)算，拉伸類(lèi)型“1邊”，然后點(diǎn)擊確定，就把圓套背面中心稍大的孔畫(huà)好了。同理再畫(huà)這個(gè)孔上下的兩個(gè)小孔：在坐標(biāo)（-8.25，0）和（8.25，0）的位置畫(huà)兩個(gè)直徑為1.7 mm的圓，在特征造型中選拉伸對(duì)圓做減運(yùn)算，點(diǎn)確定就出現(xiàn)兩個(gè)直徑為1.7 mm的小孔。

{4}在圓套側(cè)面挖一個(gè)矩形的凹槽與底座的矩形凹槽一樣大。注意圓套側(cè)面凹槽的位置應(yīng)該在其背面三個(gè)孔共同所在的軸線上。在草圖繪制中選中矩形命令，通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)將坐標(biāo)移到圓套的左側(cè)在坐標(biāo)點(diǎn)1（-1.5，2.5）、點(diǎn)2（1.5，6.5）畫(huà)一個(gè)長(zhǎng)4 mm、寬3 mm的矩形，通過(guò)特征造型選擇拉伸命令，選中小矩形，選減運(yùn)算，方向（1，0，0），使得左側(cè)開(kāi)了一個(gè)長(zhǎng)4 mm、寬3 mm的矩形凹槽。

（3）組合

R300電機(jī)外殼的兩層都畫(huà)好了，為了讓兩層形成一個(gè)整體，接下來(lái)要把它們組合在一起。

{1}在命令工具欄中選基本編輯點(diǎn)擊移動(dòng)選擇動(dòng)態(tài)移動(dòng)讓六面體和圓柱體移成相切，各自的凹槽重疊在一起。

{2}點(diǎn)擊命令工具欄中的組合編輯命令，在彈出的對(duì)話框中布爾運(yùn)算選擇加運(yùn)算，設(shè)置基體為六面體底座、合并體為挖空的圓柱體圓套、邊界是圓柱體外邊，點(diǎn)確定即完成利用3D One軟件繪制R300電機(jī)的外殼。整體效果如圖2。

1.2? 繪制滑片支桿

滑片支桿是卡在鋁合金橫桿的中間，其作用是為了通過(guò)移動(dòng)它找到橫桿在水平面的平衡位置又可以把組裝好的整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放在針形支架上使裝置可以繞著支架轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。用3D One軟件分三個(gè)步驟繪制一個(gè)滑片支桿，如圖3所示，它也是有兩層。雙擊打開(kāi)桌面3D One軟件圖標(biāo)，新建文件，取名為“滑片支桿”。

（1）下層大長(zhǎng)方體

{1}先畫(huà)一個(gè)長(zhǎng)方體。在命令工具欄中選基本實(shí)體中的六面體命令，把鼠標(biāo)移動(dòng)到坐標(biāo)網(wǎng)格上畫(huà)一個(gè)長(zhǎng)、寬、高尺寸為60×16×4 mm3的長(zhǎng)方體，點(diǎn)擊確定后這個(gè)長(zhǎng)方體積木就畫(huà)好了。

{2}再畫(huà)滑片支桿放在針形支架上對(duì)應(yīng)的小孔槽。在命令工具欄中選草圖繪制中選圓形命令，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)視圖導(dǎo)航器，翻轉(zhuǎn)長(zhǎng)方體選擇其下表面為坐標(biāo)面，在其中心位置畫(huà)一個(gè)直徑為1 mm的圓形。在特征造型中選擇拉伸命令，選中圓形，在小窗口的布爾運(yùn)算選擇減運(yùn)算，拉伸值填-5 mm表示向內(nèi)摳了5 mm深，點(diǎn)確定后就在長(zhǎng)方體下表面出現(xiàn)一個(gè)直徑為1 mm、深5 mm的小孔槽。

（2）上層三個(gè)小長(zhǎng)方體

{1}在命令工具欄中選草圖繪制中的矩形命令，先把坐標(biāo)網(wǎng)格選在剛畫(huà)的長(zhǎng)方體的上表面，畫(huà)兩個(gè)長(zhǎng)、寬為60×3 mm2和一個(gè)長(zhǎng)、寬為60×8 mm2的長(zhǎng)方形。

{2}在命令工具欄中選基本編輯中的移動(dòng)命令，把剛畫(huà)的三個(gè)小長(zhǎng)方形分別移動(dòng)到大長(zhǎng)方體上表面的規(guī)定位置。

{3}在特征造型中點(diǎn)擊拉伸，分別拉伸：選中兩個(gè)長(zhǎng)、寬為60×3 mm2的長(zhǎng)方形向上拉伸5 mm；選中長(zhǎng)、寬為60×8 mm2稍大的長(zhǎng)方形向上拉伸4 mm。

（3）組合

點(diǎn)擊命令工具欄中的組合編輯命令選擇加運(yùn)算，設(shè)置基體為下層的大長(zhǎng)方體、合并體為上層拉伸的三個(gè)小長(zhǎng)方體、邊界是長(zhǎng)方體外邊，點(diǎn)確定即完成利用3D One軟件繪制的支架。

利用3D One軟件來(lái)繪制滑片支桿是很科學(xué)的，因?yàn)樵谥拔疫€嘗試了其他方式，效果都沒(méi)有這個(gè)滑片支桿來(lái)得好，所以最終選擇利用3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2? 3D打印繪制的部件與常規(guī)材料進(jìn)行整合

2.1? 利用3D打印機(jī)打印部件

想要利用3D打印機(jī)把繪制好的部件模型打印出來(lái)還需要做一些前期的準(zhǔn)備處理工作。首先，在電腦桌面上雙擊打開(kāi)已經(jīng)用3D One軟件繪制好的部件設(shè)計(jì)圖，點(diǎn)擊3D One軟件界面的菜單欄把設(shè)計(jì)圖另存為擴(kuò)展名為STL的文件，這樣做的目的是因?yàn)?D打印機(jī)和設(shè)計(jì)軟件之間是以STL文件格式為協(xié)作標(biāo)準(zhǔn)的。接著，要將另存為STL文件的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行切片處理，即把繪制好的模型分成厚度均勻的很多層，3D打印機(jī)的路徑就是按這個(gè)分好的層一層一層地打印，如果我們想打印出來(lái)的實(shí)體精度高一些就把層的厚度分得小一些，所以分成的厚度決定了打印機(jī)打印的精度。雙擊打開(kāi)切片軟件Cura，打印機(jī)選用的是極光爾沃A6桌面級(jí)3D打印機(jī)這個(gè)型號(hào)及其耗材使用的是PLA，在打開(kāi)的切片軟件的小窗口中找到快速工具欄點(diǎn)擊導(dǎo)入模型按鈕導(dǎo)入剛另存為STL的文件進(jìn)行切片的模型，設(shè)置好左側(cè)參數(shù)欄的各種參數(shù)后點(diǎn)擊切片按鈕（如圖4所示），這個(gè)切片軟件就會(huì)自動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)，使3D打印機(jī)最終獲得一個(gè)可以識(shí)別的G代碼文件；導(dǎo)出G代碼，即把導(dǎo)出切片好的模型文件保存到電腦或SD卡中，注意保存Gcode代碼的文件名不可是中文可以是任意的字母或者數(shù)字。最后，聯(lián)機(jī)打印時(shí)，將切片文件數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱蛴C(jī)上，通過(guò)打印機(jī)上的觸屏選擇要打印的G代碼文件。

從上面的表述可以看出，使用3D打印機(jī)時(shí)并不像使用普通的文本文件打印機(jī)那樣只需要將文本文件雙擊打開(kāi)點(diǎn)擊打印就可以直接打印出想要的當(dāng)前文本，而3D打印機(jī)在打印之前要做一系列復(fù)雜的準(zhǔn)備處理工作后才能打印出需要的實(shí)體。

2.2? 教具整合

根據(jù)自制教具“螺旋槳”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇只需要能驅(qū)動(dòng)小扇葉的R300微型直流電動(dòng)機(jī)，同時(shí)想要把電機(jī)固定在事先購(gòu)買(mǎi)的鋁合金橫桿的一端，但電機(jī)外觀較光滑，沒(méi)有辦法直接固定在鋁合金桿上，同時(shí)因?yàn)椴幌胗脽崛勰z來(lái)固定，雖然熱熔膠在使用的時(shí)候很方便但是不美觀且不耐用，為了自制教具的美觀耐用，最后還是決定用螺絲、螺母把電機(jī)固定在桿上，這時(shí)就利用3D打印機(jī)打印出來(lái)的外殼套在R300電機(jī)外，就可以把外殼底座左右兩端的圓孔與在鋁合金桿上開(kāi)的孔對(duì)齊用螺絲、螺母固定在桿上。電機(jī)需要使用電池供電，就在桿的另一端拿實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)成的電池盒也用螺絲、螺母同樣固定在桿上，如圖5所示。在桿的中段還有一個(gè)用3D打印機(jī)打印的滑片支桿卡在桿的凹槽中間，其作用是通過(guò)移動(dòng)滑片支桿找到桿在水平面的平衡位置后可以把整個(gè)鋁合金桿架在針尖支架上，還可以把電機(jī)和電池之間的連接線卡在鋁合金桿的凹槽里。教具整合后的整體效果就是圖1。

3? 自制教具在中學(xué)物理中的作用

3.1? 培養(yǎng)教師素質(zhì)，豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)

自制教具的成功誕生，是教師智慧和汗水的結(jié)晶，即要求教師要有較高的知識(shí)水平，在經(jīng)過(guò)好幾年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的積累對(duì)教材和課程標(biāo)準(zhǔn)及課程方案有較深刻的領(lǐng)會(huì)，又要具有很好的動(dòng)手能力。自制教具的過(guò)程中，教師要先弄懂教材的內(nèi)容，在剖析書(shū)本知識(shí)的時(shí)候出現(xiàn)一種頓悟可以改進(jìn)或創(chuàng)新某種教具的大概樣子，根據(jù)頓悟出的教具輪廓在設(shè)計(jì)、研究、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上去制作出教具的初樣。經(jīng)過(guò)多次的實(shí)際操作，改進(jìn)操作過(guò)程中不方便、不合理的地方，這一過(guò)程需要教師反復(fù)觀察和思考，直到出現(xiàn)最優(yōu)方案，最后拿到教學(xué)中去用才能得心應(yīng)手。教師用心去制作教具的過(guò)程，專(zhuān)業(yè)知識(shí)得到檢驗(yàn)，思想和意志得到考驗(yàn)，能力得到鍛煉，教師應(yīng)有的素質(zhì)得到了培養(yǎng)同時(shí)豐富了教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

3.2? 激發(fā)學(xué)生興趣，提高課堂效率

物理學(xué)科是以實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，教師自制的教具能夠給學(xué)生帶來(lái)親切的感覺(jué)還會(huì)讓他們從心里佩服和喜歡自己的老師，從而充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力更有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。教師在教學(xué)的過(guò)程中通過(guò)實(shí)驗(yàn)教具的展示、現(xiàn)象的分析，讓學(xué)生將實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為物理基本模型，不僅強(qiáng)化建模的意識(shí)以及提升建模的能力，更重要的是在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生全程積極參與從而激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)觀察教具展示的現(xiàn)象而對(duì)流露出的問(wèn)題的討論與交流，培養(yǎng)學(xué)生具體問(wèn)題具體分析的能力，培養(yǎng)實(shí)事求是的精神的同時(shí)提高了課堂的效率。教師通過(guò)演示自制教具能夠把高中階段抽象、單調(diào)、乏味的物理知識(shí)在學(xué)生的腦海里加深印象，有效地促進(jìn)了教與學(xué)的和諧發(fā)展。

3.3? 減少成本，擴(kuò)展現(xiàn)有教具的種類(lèi)和規(guī)模

自制教具一般都是教師利用身邊現(xiàn)成的容易進(jìn)行加工的材料加上使用具有科技含量的技術(shù)制作成教學(xué)上有用的教具，因此自制教具的成本一般都比較低，最大的優(yōu)點(diǎn)就是減少了成本節(jié)約了資金。自制教具通常都是教師在備課階段對(duì)課本內(nèi)容進(jìn)行處理時(shí)對(duì)產(chǎn)生的想法進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施的體現(xiàn)，為的是使書(shū)本所涉及的概念和規(guī)律變得更直觀，都是很有針對(duì)性的，教師在把教具做好后是能夠保存在實(shí)驗(yàn)室并長(zhǎng)期供大家使用的，這樣就豐富了教學(xué)儀器和教具資源。

總之，利用3D技術(shù)繪制打印的部件融入自制教具中體現(xiàn)教師掌握了更有科技含量的技術(shù)使對(duì)教具部件形狀大小的選取更自由。在自制教具的過(guò)程中也使教師的各種業(yè)務(wù)水平得到提高，自制教具從無(wú)到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到精的創(chuàng)新過(guò)程，通過(guò)言傳身教影響著學(xué)生。《普通高中物理課堂標(biāo)準(zhǔn)解讀》中提到“強(qiáng)調(diào)物理實(shí)驗(yàn)和科學(xué)實(shí)踐”，為了加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，本次修訂加強(qiáng)了物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要性，這就要求學(xué)校有大量的實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)滿足新課標(biāo)的裝備標(biāo)準(zhǔn)。教師把3D技術(shù)融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的自制教具中不僅豐富了教學(xué)資源而且創(chuàng)新了教育教學(xué)。