羅世洪

(重慶市銅梁中學(xué)校，重慶 402560)

1 引言

實驗是中學(xué)物理教學(xué)的重要內(nèi)容和方法，實驗教具的優(yōu)劣對實驗效果有重要影響，甚至關(guān)乎教學(xué)目標的達成。隨著課程改革的深入和教育信息化2.0的推進，傳感器技術(shù)、3D打印技術(shù)、VR技術(shù)等不斷應(yīng)用于教學(xué)，為設(shè)計實驗、開發(fā)教具、增加實驗教學(xué)的效能開辟了新的途徑。在中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用3D打印技術(shù)開發(fā)實驗教具，不但高效快捷，并且實驗效果顯著。

2 應(yīng)用3D打印技術(shù)開發(fā)教具的意義與優(yōu)勢

2.1 應(yīng)用3D打印技術(shù)開發(fā)教具的意義

3D打印技術(shù)是一種快速塑造成型的三維立體打印技術(shù)，又稱“增材制造”技術(shù)，它以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，立足三維數(shù)字模型，利用粉末狀的金屬材料或塑料材料，通過逐層打印的方式塑造具體的物體，為中學(xué)物理實驗教具開發(fā)提供了一條新型、高效的途徑。

3D打印技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)物理教具的開發(fā)，有利于縮短實驗教具制作的周期，降低制作成本，也有利于實驗教具的不斷改進，便于共享和推廣。采用師生共同開發(fā)的方式，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生的“模型建構(gòu)”“質(zhì)疑創(chuàng)新”“問題”“證據(jù)”等核心素養(yǎng)的發(fā)展，還能培養(yǎng)學(xué)生的通用技術(shù)和信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.2 應(yīng)用3D打印技術(shù)開發(fā)教具的優(yōu)勢

2.2.1 零件制作時間更短，制作成本更低

利用傳統(tǒng)方式制作教具的零部件耗時長，而且結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，制作工藝就越復(fù)雜，需要的工具設(shè)備更多，花費的成本就更高。例如，在“探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件”時(圖1)，線圈在磁場中左右移動、上下移動、繞軸轉(zhuǎn)動時，哪些情況下會有感應(yīng)電流產(chǎn)生？原因是什么？在理論分析的基礎(chǔ)上，可以讓學(xué)生做實驗探究。為了使實驗效果明顯，需要將單匝線圈改為幾十匝，在方木或厚PVC板上繞制線圈，不僅結(jié)構(gòu)粗糙，且線圈繞制較難。而利用3D打印技術(shù)，只需用3D軟件設(shè)計一個合適的三維框(圖2)，然后用3D打印機打印實物。教具的部件越復(fù)雜，3D打印的優(yōu)勢更加明顯，從而大大地節(jié)約制作時間和成本。

圖1

圖2

2.2.2 教具外形更美觀，演示效果更好

通常的教具制作與改進，主要是依靠教師手工制作教具部件或裝置，制作時需要繪圖、選材、切割、打磨等。制作時，常常因測量上的不精確而造成各部件組裝困難，或者組裝后的成品比較粗糙，甚至無法用于實驗。用3D打印制作教具，通過繪制模型草圖、建立數(shù)字模型、設(shè)置模型參數(shù)、切片分層、打印出模等程序，就可制作出美觀的教具。例如，設(shè)計、制作“過山車模型”實驗教具，采用雙股粗鐵絲制作教具，制作時用鐵絲繞制圓軌道不太容易實現(xiàn)，且小球容易脫軌。通過3D軟件建構(gòu)數(shù)字模型(圖3)，3D打印機直接打印(圖4)，加裝底座即可完成，不僅美觀，而且實驗效果良好。學(xué)生在進行實驗時，通過合作探究，觀察、分析實驗現(xiàn)象，很容易得出實驗結(jié)論：為使小球能做完整的圓周運動，必須從一定高度釋放小球。該實驗教具還可以進一步優(yōu)化，可在最高點和最低點加上DIS力傳感器和速度傳感器，進行定量分析。

圖3

圖4

2.2.3 教具參數(shù)變更容易，推廣性強

利用傳統(tǒng)的技術(shù)手段開發(fā)教具時一般都是手工制作，有時一件稍微復(fù)雜一點的教具需要花費很長的時間，制作程序也很復(fù)雜，制作出來的教具尺寸、形狀依據(jù)設(shè)計固定，變更參數(shù)難。在不同的實驗環(huán)境或?qū)嶒灄l件下，為了使實驗效果更明顯，往往要調(diào)整教具的規(guī)格，用3D技術(shù)設(shè)計、制作一個實驗教具，只需要改變計算機上相關(guān)的指令，就可調(diào)整教具參數(shù)，同時將數(shù)字化三維模型共享，其他師生根據(jù)自己做實驗的需要，可變更參數(shù)，通過3D打印制作教具成品，增強了推廣性，更具有實用價值。

3 利用3D打印技術(shù)開發(fā)物理實驗教具的原則

實踐表明，不是任何教具的制作和改進都需要使用3D打印技術(shù)，應(yīng)用3D打印技術(shù)制作教具的目的是讓實驗效果更好，幫助學(xué)生建構(gòu)物理模型，開展科學(xué)探究，促進學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，用3D打印技術(shù)開發(fā)教具時應(yīng)遵循一定的原則。

3.1 實用性原則

用3D打印技術(shù)開發(fā)物理實驗教具要有實用性。例如，圖5所示的器材用于說明物體所受向心力的來源，甲中物體單獨放在圓盤上，乙中兩個相同的物體放在圓盤上的不同位置，丙中兩個相同的物體用細線連接，逐漸增大圓盤的角速度，研究物體滑動的臨界問題。在制作圓盤時，可以利用木板或PVC板作為材料，不需要使用3D打印技術(shù)。實際上，實驗室的普通3D打印機打印一個直徑30 cm、厚度2 cm的大圓盤需要數(shù)小時才能完成，實用性不強，制作圓盤用傳統(tǒng)方式更好。若要制作“過山車模型”，研究圓周運動特點，采用3D打印制作的教具，實驗效果好，復(fù)制也更容易。

圖5

3.2 簡潔性原則

利用3D打印技術(shù)開發(fā)物理實驗教具要具有簡潔性。如果能夠利用身邊現(xiàn)有的器材開發(fā)實驗裝置，就沒有必要費時、費力設(shè)計、制作新的實驗器材。如果現(xiàn)有的材料不合適，就需要在設(shè)計、制作時，遵從簡潔性原則，盡量增加教具的功能。例如，探究向心力的來源和離心運動時，可以利用3D打印技術(shù)制作如圖6所示的可動式圓環(huán)軌道。演示時，在小滾珠上涂上墨水，然后讓小滾珠在圓環(huán)內(nèi)做圓周運動，在進行了圓周運動之后，把圓環(huán)的一部分拆除，則小滾珠離開缺口后的運動軌跡會印在底板上，根據(jù)墨跡可判斷小滾珠離開圓環(huán)后沿著切線做直線運動。

圖6

3.3 創(chuàng)新性原則

用3D打印技術(shù)開發(fā)物理實驗教具要有創(chuàng)新性。利用教具進行教學(xué)的目的是為了使實驗效果更好，這就需要對實驗方式、方法或者實驗裝置進行創(chuàng)新。因此，應(yīng)用3D打印技術(shù)開發(fā)教具不是簡單的復(fù)制已有的實驗教具，而應(yīng)有所創(chuàng)新。

4 利用3D打印技術(shù)開發(fā)實驗教具的流程和示例

用3D打印技術(shù)開發(fā)實驗教具的流程主要包括6步：需求分析，數(shù)字建模，3D打印，教具組裝，效果驗證，參數(shù)修正(圖7)。以下用“探究動量守恒”的實驗教具開發(fā)示例予以說明。

圖7

4.1 需求分析

在“動量守恒”教學(xué)中常會解析以下習(xí)題：如圖8所示，小車靜止在光滑的水平面上，小車的AB段是半徑為R的四分之一光滑圓弧軌道，BC段是水平粗糙軌道，兩段軌道相切于B點，質(zhì)量為m的滑塊在小車上從A點由靜止開始沿軌道滑下，然后滑入BC軌道，最后沒有滑離小車，求小車運動的距離。這是一道有關(guān)動量和能量的綜合題，大部分學(xué)生對于此類問題在物理模型建構(gòu)和物理過程分析方面存在困難。為了突破教學(xué)難點，可以運用3D打印技術(shù)制作教具，通過實驗演示、視頻播放進行教學(xué)。

圖8

4.2 數(shù)字建模

教具部件分為兩部分，左邊是圓弧彎軌道，右邊是水平軌道。預(yù)設(shè)圓弧軌道半徑為10 cm，水平軌道為8 cm，寬度均為2 cm，采用凹槽結(jié)構(gòu)，應(yīng)用3D軟件，建立數(shù)字模型，命名為“動量守恒演示軌道”(圖9)。

圖9

4.3 教具的3D打印

根據(jù)3D打印機的不同品牌和型號，先用配套軟件將3D數(shù)字模型切片。設(shè)置打印參數(shù)，然后按照3D打印機的操作要求，調(diào)平、加熱、進料，直接打印，完成后去掉冗余部分。

4.4 教具組裝

圖10中的水平和圓弧軌道部分是利用3D打印的，其他部分是利用實驗室的物品制作。根據(jù)預(yù)設(shè)，需要將軌道固定在小車上，實驗發(fā)現(xiàn)，若將軌道固定在小車上，但是由于小球的質(zhì)量較小(22 g)，遠小于小車質(zhì)量，因此實驗現(xiàn)象不明顯。實際的教具是將軌道固定在長為15 cm的鋼尺上，將兩組車輪的輪軸固定在鋼尺上。同時在軌道左邊固定了一塊橡皮泥，橡皮泥捏成了一個中空漏斗形，小球滾進橡皮泥后，不會彈出來，改進后的小車和軌道總質(zhì)量為93 g。為了讓小球從靜止釋放，這里加裝了平拋運動實驗中的電磁鐵裝置，通過小木桿固定在鐵架臺支架上，支架可以上下移動，調(diào)節(jié)合適的釋放高度。同時為了觀察小球和軌道車的運動情況，利用紙板和打印紙，制作了一個帶坐標的背景板。

圖10

4.5 效果驗證

實驗裝置組裝完成之后，就可以開展實驗了。打開電磁鐵開關(guān)，小球由靜止釋放，小球在下滑的過程中，小車向右移動，通過測量小球到達水平軌道左端停止時小球和小車的水平位移，判斷在水平方向上的動量是否守恒。實驗發(fā)現(xiàn)這個過程的持續(xù)時間很短，實驗時可采用錄制視頻或者手機連拍方式，筆者在實驗中采用數(shù)碼相機錄制方式，然后利用編輯軟件每0.04 s截取一幀圖片，以展示實驗過程(圖11)。通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，小球水平位移為16.5 cm，軌道車水平位移為3.4 cm。對于小球有：m1x1=0.003 63 kg·m，對于軌道車有：m2x2=0.003 16 kg·m。由于小車所受摩擦力等的影響，實驗誤差比預(yù)期大了一些，但是小車和小球的運動情境效果明顯，小車與小球運動方向相反。

圖11

4.6 參數(shù)修正

根據(jù)實驗的驗證情況，可調(diào)整數(shù)字模型的參數(shù)，美化、優(yōu)化實驗裝置。如在條件允許的情況下，可以將水平軌道加長，增大小球和小車的相對位移，減小實驗誤差。

5 結(jié)語

中學(xué)物理實驗的傳統(tǒng)教具在研發(fā)上往往存在一些難以解決的問題，在引入3D打印技術(shù)之后，這些問題得到了較好解決，教具可以批量化生產(chǎn)，教具制作成本大幅降低，可以更加精準地控制參數(shù)。當然，3D打印應(yīng)用于中學(xué)物理實驗教具開發(fā)，需要在理論指導(dǎo)下實踐，通過實踐驗證理論，旨在培養(yǎng)學(xué)生的建構(gòu)模型能力，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。