基于3D打印技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教具應(yīng)用探究

摘 要：物理學(xué)科作為一門以觀察與實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在教學(xué)過程中，物理教具的作用舉足輕重.教師常常需要自行制作教具，然而傳統(tǒng)自制教具存在制作工藝復(fù)雜煩瑣、成品較為粗糙以及尺寸難以精準(zhǔn)把控等缺陷.3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，猶如一場及時(shí)雨，巧妙地解決了這些難題，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ).文章探討了3D打印技術(shù)在中學(xué)物理教具中的創(chuàng)新應(yīng)用，闡述了3D打印技術(shù)的起源、發(fā)展及優(yōu)勢，包括設(shè)備簡便、制作工藝簡單、材料成本低等，為中學(xué)物理教學(xué)帶來變革與機(jī)遇.

關(guān)鍵詞：物理教學(xué);物理教具;3D打印技術(shù)

中圖分類號(hào)：G632

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0333（2024）30-0110-03

收稿日期：2024-07-25

作者簡介：陳再清（1990—），男，江蘇省淮安人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中物理教學(xué)研究.

在科技飛速發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代，教育領(lǐng)域也在不斷探索創(chuàng)新之路，以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).物理學(xué)科作為一門對觀察與實(shí)驗(yàn)有著高度依賴的學(xué)科，其教學(xué)方法的創(chuàng)新尤為關(guān)鍵.當(dāng)傳統(tǒng)自制教具在制作工藝與效果上逐漸顯露出諸多不足時(shí)，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，猶如一顆璀璨的新星，為中學(xué)物理教學(xué)帶來了新的曙光.它不僅能夠巧妙地解決傳統(tǒng)自制教具的難題，將抽象的物理知識(shí)轉(zhuǎn)化為直觀的現(xiàn)象，幫助學(xué)生更好地理解和掌握物理規(guī)律，更能為學(xué)生打開一扇通往科技前沿的大門，開啟一段充滿創(chuàng)新與探索的物理學(xué)習(xí)之旅.文章將深入探討3D打印技術(shù)在中學(xué)物理教具中的創(chuàng)新應(yīng)用，分析其優(yōu)勢和價(jià)值，為推動(dòng)中學(xué)物理教學(xué)的改革與發(fā)展提供新的思路和方法.

1 背景及意義

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出“培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)”“滿足學(xué)生終生發(fā)展的需求”“關(guān)注科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展需求”“學(xué)生自主學(xué)習(xí)”“教學(xué)方式多樣化”“注重過程評價(jià)”等基本理念^［1］.這些理念要求教師在教學(xué)過程中積極轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)方式，注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引領(lǐng)學(xué)生親身經(jīng)歷真實(shí)的科學(xué)探究歷程，通過實(shí)驗(yàn)探究物理規(guī)律，在探究中體悟科學(xué)探究方法，培養(yǎng)物理核心素養(yǎng).同時(shí)，教師應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，助力學(xué)生塑造科學(xué)思維與創(chuàng)新精神，進(jìn)而獲得終身學(xué)習(xí)的能力.

實(shí)驗(yàn)教具在物理教學(xué)中扮演著至關(guān)重要的角色，它能夠以直觀形象的方式將物理現(xiàn)象或規(guī)律生動(dòng)地展示出來，使學(xué)生更加真切地感受物理規(guī)律，從而加深對物理規(guī)律的理解，更有利于學(xué)生形成科學(xué)態(tài)度.現(xiàn)成的教具雖在一定程度上發(fā)揮了促進(jìn)作用，但缺乏靈活性與創(chuàng)造性.而自制教具由教師自行設(shè)計(jì)制作，不僅能夠緊密貼合教學(xué)內(nèi)容，還可以促進(jìn)教師技能發(fā)展和學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展.傳統(tǒng)自制教具制作過程中存在的諸多弊端，在3D打印技術(shù)面前得以有效解決.我們可以將3D打印等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)融入傳統(tǒng)自制教具，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)^［2］.

杜威認(rèn)為“教育即生長”“教育即生活”“教育即生活的改組和改造”，這三個(gè)觀點(diǎn)共同揭示了實(shí)用主義的教育觀點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)教育不應(yīng)脫離社會(huì)，而應(yīng)與社會(huì)緊密相連.3D打印技術(shù)作為當(dāng)今社會(huì)前沿科技，源自實(shí)際社會(huì)生產(chǎn)，學(xué)生接觸3D打印技術(shù)，不僅有利于與社會(huì)建立聯(lián)系，更能培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和科技強(qiáng)國的責(zé)任擔(dān)當(dāng)^［3］.

2 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)即快速成型的三維立體打印技術(shù).它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體.

2.1 數(shù)字模型構(gòu)建

數(shù)字模型是借助三維設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建三維立體物體或場景模型，常用的3D建模軟件有AutoCAD、123D Design、3D one等.

2.2 模型打印

傳統(tǒng)打印機(jī)在X軸和Y軸組成的二維平面內(nèi)進(jìn)行2D打印，而3D打印技術(shù)則將打印維度提升至X、Y、Z軸組成的三維立體空間進(jìn)行3D打印.在打印過程中，需將復(fù)雜的三維物體轉(zhuǎn)化為一系列二維圖形，逐層打印、疊加，最終形成三維模型.

2.3 3D打印設(shè)備

3D打印機(jī)大致分為個(gè)人用、專業(yè)用、工業(yè)用三類.隨著技術(shù)的不斷升級(jí)以及成本的降低，個(gè)人用3D打印機(jī)的普及率日益提高.個(gè)人用3D打印機(jī)一般基于FDM成型工藝，打印設(shè)備所需的原材料以ABS塑料或PLA塑料為主.這類打印機(jī)在精度和打印時(shí)間上雖較專業(yè)級(jí)和工業(yè)級(jí)稍遜一籌，但具有體積小巧、價(jià)格便宜等優(yōu)勢，能夠滿足個(gè)人的基本使用需求.

2.4 3D打印技術(shù)優(yōu)勢

傳統(tǒng)自制教具的結(jié)構(gòu)一旦復(fù)雜，在制作過程中所需的工具設(shè)備便會(huì)增多，制作工藝也會(huì)更為復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致制作成本相對較高.然而，3D打印技術(shù)卻能出色地解決這一問題.個(gè)人用3D打印機(jī)操作極為簡便，對技術(shù)的要求較低，其所使用的PLA材料屬于可降解的環(huán)保材料，符合節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展要求.傳統(tǒng)自制教具通常需要分別制作各個(gè)部件，隨后進(jìn)行組裝.而3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)器材的一體化成型，無須再次進(jìn)行組裝.在傳統(tǒng)自制教具的制作過程中，往往依賴手工測量，容易導(dǎo)致測量精度不足，制作出的教具參數(shù)不準(zhǔn)確，因此，傳統(tǒng)教具常常存在不美觀、粗糙等問題.而利用3D打印技術(shù)制作模型時(shí)，可以對模型的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行極為精確的控制.同時(shí)，3D打印技術(shù)可在建模時(shí)對建好的模型進(jìn)行復(fù)制，從而實(shí)現(xiàn)教具的批量生產(chǎn).

3 基于3D打印技術(shù)的中學(xué)物理教具實(shí)例

3.1 向心力演示實(shí)驗(yàn)教具的制作

對高一學(xué)生來說，向心力相關(guān)知識(shí)是全新的內(nèi)容，這部分內(nèi)容對后面的圓周運(yùn)動(dòng)以及天體運(yùn)動(dòng)起著至關(guān)重要的作用.此內(nèi)容的重點(diǎn)在于概念的建立以及向心力的來源.在實(shí)際教學(xué)過程中，大部分教師往往通過講授法直接告知學(xué)生結(jié)論.對于向心力與圓周運(yùn)動(dòng)的供需關(guān)系的探究，如果缺乏教具的輔助教學(xué)，學(xué)生對這一抽象概念的理解存在一定難度.因此，設(shè)計(jì)這一教具不僅能幫助教師在教學(xué)中突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，還能更有效地幫助學(xué)生理解向心力這一概念，使其更加形象直觀.

首先，利用123D軟件進(jìn)行三維立體建模，在平面上生成一個(gè)可拆卸的圓環(huán)，該圓環(huán)由A、B兩部分組成，如圖1.在設(shè)計(jì)時(shí)需注意模型的尺寸大小控制，并調(diào)整好該模型在空間中的合適打印位置，一般居中打印.

接著，將123D生成的stl格式的三維模型導(dǎo)入到3D打印機(jī)自帶的切片軟件進(jìn)行切片.筆者所使用的3D打印機(jī)為極光爾沃的A3S，如圖2，該打印機(jī)為入門級(jí)設(shè)備，價(jià)格便宜，完全能夠滿足教師平時(shí)自制教具的需求.在導(dǎo)入切片軟件中，通過調(diào)整合理的位置以減少模型的支撐結(jié)構(gòu)，減少耗材的浪費(fèi)，如圖3.三維模型切片的層數(shù)、填充密度、打印速度等參數(shù)都會(huì)影響后期模型的精度，一般而言，填充密度越高、中等打印速度的模型精度較高.

最后，將生成的gcode文件通過SD卡拷入3D打印機(jī)即可完成打印工作.模型打印結(jié)束后，可以根據(jù)需求對支架進(jìn)行剝離以及表面拋光處理等.將打印好的A、B兩部分模型組合在一起，通過熱熔膠將B部分固定在打印好的底板上.實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓小球在圓環(huán)內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生對小球進(jìn)行受力分析，并思考哪個(gè)力讓小球做圓周運(yùn)動(dòng).其中，重力與板對球的支持力在豎直方向上是一對平衡力，二力平衡.對于圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓定律可知，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，必然受到了力的作用.學(xué)生猜想是圓環(huán)的彈力提供了圓周運(yùn)動(dòng)的向心力.將小球粘上印泥，先讓小球在圓環(huán)內(nèi)運(yùn)動(dòng)幾次完整的圓周運(yùn)動(dòng)，然后拆下A部分，當(dāng)小球運(yùn)動(dòng)到缺口處，由于失去了環(huán)給的彈力，從缺口處滾出，并在白色底板上留下清晰的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4.通過軌跡分析可得小球離開圓環(huán)后沿著切線方向做直線運(yùn)動(dòng)，說明小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力來源于環(huán)對小球的彈力.而彈力的產(chǎn)生是由于球跟環(huán)壁發(fā)生了擠壓，因此，該彈力方向時(shí)刻在改變，但始終指向圓心.總結(jié)彈力的作用效果是讓小球做圓周運(yùn)動(dòng)，我們將這樣的力定義為向心力.在定義完向心力后，聯(lián)系前面所學(xué)的性質(zhì)力，加深學(xué)生對性質(zhì)力的理解.

3.2 薄板重心的尋找和驗(yàn)證教具的應(yīng)用

重心是重力的等效作用點(diǎn)，在物理學(xué)中屬于一種常用的物理思想，即等效替代.從作用效果上來看，我們可以將所有的重力看作集中于一點(diǎn).利用3D打印機(jī)打印出形狀各異的薄板，通過懸掛法找出兩條重力所在的直線，兩直線的交點(diǎn)即為重心.這個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，在教師平常的教學(xué)過程中往往一帶而過，并未進(jìn)行實(shí)驗(yàn).原因之一在于形狀不規(guī)則的薄板制作需要去尋找合適的材料，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而3D打印技術(shù)可以輕松完成這種薄板的制作，可以對薄板的厚度進(jìn)行精確控制，筆者所制作的薄板厚度為0.3 mm.

在教學(xué)過程中，我們可以通過懸掛法確定重心后，再通過帶有底座的支柱對重心進(jìn)行驗(yàn)證.如果該點(diǎn)能夠在支柱上保持平衡，說明該點(diǎn)為薄板的重心，如圖5.薄板和支架的制作簡單，可以進(jìn)行批量制作，讓學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行探究.融合懸掛法和支撐法對重心進(jìn)行驗(yàn)證，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神等科學(xué)素養(yǎng).

4 結(jié)束語

3D打印技術(shù)在自制教具方面具有極大的優(yōu)勢，能夠充分發(fā)揮教師的智慧，培養(yǎng)學(xué)生對物理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣.除了用于自制教具以外，還可以應(yīng)用于校本課程.教師可以開設(shè)3D打印社團(tuán)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生關(guān)注前沿科技，增強(qiáng)學(xué)生探索未知事物的精神，從而提綜合能力與科學(xué)素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］ 吳睿佳，程敏熙. 基于3D打印技術(shù)的中學(xué)物理科技活動(dòng)課程設(shè)計(jì)［J］.物理通報(bào)，2020（6）：66-69.

［3］ 李剛，侯恕.3D打印技術(shù)：中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)化新思路［J］.物理教師，2015，36（12）：65-68.

［責(zé)任編輯：李 璟］