【摘" 要】基于“3D One類”軟件可以有效地應(yīng)用于中學(xué)物理自制教具的設(shè)計、開發(fā)和優(yōu)化，以提高教具的精確度、可復(fù)制性和推廣性，突破傳統(tǒng)自制教具的局限性。通過使用“3D One類”軟件，教師可以更加便捷地繪制三維模型，配合切片軟件和3D打印機實現(xiàn)自制教具的制作，從而更好地呈現(xiàn)物理問題，引導(dǎo)學(xué)生突破重難點。此外，通過本文的拋磚引玉，可以收集整理已有的自制教具設(shè)計圖稿，結(jié)合已有的初高中課內(nèi)外實驗教具進行再設(shè)計再優(yōu)化，將教學(xué)過程中產(chǎn)生的新創(chuàng)意、新火花、新思路付諸實踐，制作出新的自制教具，以豐富中學(xué)物理教學(xué)手段。

【關(guān)鍵詞】3D打印技術(shù)；自制教具；設(shè)計優(yōu)化；教學(xué)手段

隨著科技的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)在各個領(lǐng)域展現(xiàn)出了強大的應(yīng)用潛力，其中包括中學(xué)物理教育。傳統(tǒng)的物理自制教具設(shè)計與制作往往受技術(shù)難度、材料成本等方面的限制，而3D打印技術(shù)的引入提供了創(chuàng)新的解決方案。通過使用“3D One類”軟件，教師可以更加便捷地設(shè)計并制作出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自制教具，從而更好地服務(wù)于中學(xué)物理教學(xué)的需要。本文旨在通過詳細闡述3D打印技術(shù)在中學(xué)物理自制教具中的應(yīng)用，為教育領(lǐng)域引入更先進的技術(shù)手段，提高教學(xué)效果。

一、3D打印技術(shù)在中學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在中學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用具有革命性的意義。引入3D打印，不僅能夠為學(xué)生提供更直觀、具體的學(xué)習(xí)體驗，而且能夠創(chuàng)造性地改變傳統(tǒng)教學(xué)模式。在中學(xué)物理教學(xué)中，通過3D打印技術(shù)，教師可以設(shè)計并制作出真實物體的三維模型，使抽象的物理概念變得更具體可見。學(xué)生可以通過觀察、觸摸這些打印出的模型，更好地理解物理原理。此外，3D打印技術(shù)還為學(xué)生提供了參與設(shè)計和制作的機會，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力和實踐能力。這種親自參與的學(xué)習(xí)方式不僅提高了學(xué)科知識的學(xué)習(xí)效率，還培養(yǎng)了學(xué)生解決問題和團隊協(xié)作的能力。因此，3D打印技術(shù)在中學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用不僅是技術(shù)的引入，更是一種創(chuàng)新教學(xué)方式的嶄新嘗試，為學(xué)生提供了更深入、全面的學(xué)習(xí)體驗。

二、利用3D打印技術(shù)自制教具及其優(yōu)勢

（一）用3D打印技術(shù)設(shè)計制作教具的過程

3D打印技術(shù)設(shè)計制作物理自制教具是一項充滿創(chuàng)新和前瞻性的工作。教師利用“3D One類”軟件，通過簡便而強大的界面，能夠快速繪制出具體的三維模型。在設(shè)計過程中，教師可以根據(jù)教學(xué)需求和物理原理，精確控制每個零部件的尺寸和形狀，確保教具的準(zhǔn)確度和可操作性。再通過切片軟件對設(shè)計好的模型進行處理，生成適合3D打印機進行打印的切片文件。在這一過程中，教師需要考慮打印材料的選擇、打印層厚、填充密度等參數(shù)，以確保最終打印出的教具具有足夠的強度和穩(wěn)定性。接下來，利用3D打印機進行實際的制造過程，逐層堆疊打印材料，將設(shè)計好的三維模型逐漸變成實體教具。這個過程不僅要對打印機進行精準(zhǔn)的調(diào)試，還要對打印過程進行監(jiān)控，確保每一層都能夠正確打印。一旦打印完成，教師可以得到一個精確、個性化的物理自制教具。

（二）3D打印技術(shù)相比自制教具傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢

1.無須大量工具和設(shè)備

3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)的自制教具制作技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在3D打印技術(shù)能夠輕松制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型或零部件，而無須大量的工具和設(shè)備。傳統(tǒng)的自制教具通常需要依賴手工制作或基礎(chǔ)的加工設(shè)備，這在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)或精密零部件時存在一定的局限性。而通過3D打印技術(shù)，教師可以通過“3D One類”軟件直觀設(shè)計和生成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型，無須依賴傳統(tǒng)的加工工具，這使得教師能夠更靈活地應(yīng)對不同的物理教學(xué)場景和實驗需求。在3D打印技術(shù)中，模型的制作過程是通過逐層堆疊材料實現(xiàn)的，因此能夠精確控制每一層的形狀和位置，使即便是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型也能夠被精準(zhǔn)制造。這種精細度和靈活性是傳統(tǒng)自制教具不具備的。同時，無須大量工具和設(shè)備的制作過程也減輕了教師的操作負擔(dān)，提高了教具的制作效率。3D打印技術(shù)還在材料選擇上更加靈活，可以選擇適合特定實驗要求的材料進行打印。傳統(tǒng)自制教具的制作通常依賴于常見的手工材料，而3D打印技術(shù)則可以選擇更先進的材料，如各種塑料、金屬合金等，以滿足不同實驗的特殊需求。

2.降低技術(shù)難度和材料成本

3D打印技術(shù)相對于傳統(tǒng)的自制教具技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，主要體現(xiàn)為3D打印技術(shù)去除了繁雜的手工制作，降低了制作過程的技術(shù)難度和材料成本。傳統(tǒng)的自制教具通常需要教師具備一定的手工制作技能，包括切割、粘接、組裝等煩瑣的手工操作。這些手工加工不僅需要教師耗費大量時間和精力，而且容易受人為因素的影響，導(dǎo)致制作的教具質(zhì)量參差不齊。通過3D打印技術(shù)，教師可以通過“3D One類”軟件直接將設(shè)計好的三維模型轉(zhuǎn)化為實體教具，無須手工制作。一方面，3D打印機根據(jù)設(shè)計圖紙逐層堆疊材料，精確地還原模型的形狀，從而避免了煩瑣的手工步驟，不僅降低了教師在制作過程中的技術(shù)難度，同時也提高了教具的制作精度和一致性。另一方面，3D打印技術(shù)的應(yīng)用能夠顯著降低材料成本。傳統(tǒng)自制教具可能需要購買各種材料和工具，而3D打印技術(shù)只需相應(yīng)的打印材料，減少了教具制作的成本。此外，通過優(yōu)化設(shè)計和合理利用打印材料，可以最大程度地減少材料浪費，進一步提高了成本效益。

3.能夠精準(zhǔn)控制教具的各項參數(shù)

3D打印技術(shù)相對于傳統(tǒng)的自制教具技術(shù)的顯著優(yōu)勢在于3D打印技術(shù)能夠精準(zhǔn)控制教具的各項參數(shù)。在傳統(tǒng)的手工制作過程中，教師通常面臨著難以精確掌握尺寸、比例和結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵參數(shù)的挑戰(zhàn)，從而導(dǎo)致制作出的教具存在尺寸偏差，影響實驗效果和學(xué)生對物理現(xiàn)象的理解。而通過3D打印技術(shù)，教師可以在“3D One類”軟件中精確設(shè)計和調(diào)整每一個教具的參數(shù)，包括尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)等。這一設(shè)計過程不僅直觀便捷，而且允許教師根據(jù)具體實驗需求進行個性化定制，確保教具的尺寸和形態(tài)符合實驗設(shè)計的要求。3D打印機按照精確的設(shè)計圖紙逐層打印，保證了教具能夠準(zhǔn)確還原設(shè)計意圖。精準(zhǔn)控制教具的各項參數(shù)使教師能夠更好地適應(yīng)不同教學(xué)場景。無論是展示物理原理、進行定量實驗還是引導(dǎo)學(xué)生進行探究性學(xué)習(xí)，都可以根據(jù)具體需求調(diào)整教具的參數(shù)，提高實驗的靈活性和教學(xué)的針對性。這一優(yōu)勢不僅有助于提高教學(xué)效果，還為創(chuàng)新教學(xué)提供了更多可能性。通過3D打印技術(shù)，教師可以更靈活地設(shè)計和制作新穎的教學(xué)工具，激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)科的興趣，加深學(xué)生對知識的深入理解。

4.可對自制教具精確復(fù)制，實現(xiàn)個性化定制教具和復(fù)制推廣

3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)的自制教具技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，其中之一在于3D打印技術(shù)能夠?qū)ψ灾平叹哌M行精確復(fù)制，實現(xiàn)個性化定制教具和復(fù)制推廣的特點。在傳統(tǒng)的自制教具過程中，由于手工制作的差異性和工藝復(fù)雜性，往往難以保證教具的精確一致性。而借助3D打印技術(shù)，教師只需設(shè)計一份高質(zhì)量的三維模型，并通過3D打印機進行精準(zhǔn)復(fù)制。這確保了每個復(fù)制品的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)都與原始模型完全一致，從而消除了人工制作中的差異性，提高了教具的準(zhǔn)確性和可復(fù)制性。更重要的是，3D打印技術(shù)不僅可以實現(xiàn)教具的精確復(fù)制，還支持個性化定制。教師可以根據(jù)特定實驗或?qū)W生的學(xué)科需求，靈活調(diào)整教具的參數(shù)，定制符合實際教學(xué)場景的個性化教具。這種個性化定制使得教學(xué)更貼近學(xué)生的實際學(xué)習(xí)需求，激發(fā)了學(xué)生對物理學(xué)科的濃厚興趣。同時，通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)的教具精確復(fù)制也為推廣和分享創(chuàng)新教學(xué)資源提供了可能性。教師設(shè)計的優(yōu)秀教具可以通過數(shù)字化的方式保存，并在需要時進行批量制作。這種數(shù)字化的制作和復(fù)制方式使得教具可以更廣泛地應(yīng)用于不同學(xué)校和教學(xué)環(huán)境中，實現(xiàn)了教學(xué)資源的可持續(xù)共享和傳播。

三、利用3D One軟件繪制自制教具的部件模型實例

在教育領(lǐng)域，教具的使用往往能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理解能力。尤其在物理和工程學(xué)科中，教具的使用能夠幫助學(xué)生更好地理解抽象的概念。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，利用3D建模軟件自制教具部件模型成為一種新的解決方案。例如，打開3D One軟件，進入了其直觀界面。在開始繪制滑輪模型之前，教師需要深入了解滑輪的實際結(jié)構(gòu)和工作原理，包括滑輪的直徑、輪緣形狀、軸孔位置等關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)將決定模型是否精確反映實際滑輪的工作特性。使用3D One軟件提供的繪圖工具，如線、圓弧、曲面等，教師可以開始繪制滑輪的各個部分。3D One軟件提供了豐富的工具選項，使繪制過程既精確又高效。在繪制過程中，教師還可以隨時調(diào)整滑輪的尺寸和比例，確保模型符合實際需求。例如，調(diào)整滑輪的直徑和輪緣的厚度可以影響其承受載荷的能力。完成初步繪制后，教師可以在3D One軟件中為滑輪模型添加顏色和材質(zhì)。這樣可以使模型更加逼真，幫助學(xué)生更好地理解其結(jié)構(gòu)和工作原理。例如，選擇金屬材質(zhì)可以更好地模擬真實滑輪的質(zhì)感，將滑輪設(shè)計成如圖1所示的可拆卸變形的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生認(rèn)識到“滑輪是杠桿的一種變形”形成從杠桿到滑輪的認(rèn)知遷移，突破了教學(xué)難點。利用自制教具啟發(fā)學(xué)生連續(xù)轉(zhuǎn)動的杠桿可以演變?yōu)榛?，再將滑輪抽象回杠桿模型，根據(jù)杠桿的平衡條件進行理論分析，得出使用滑輪時的省力情況。此外，3D One軟件還支持STL文件。這為后續(xù)的3D打印制作提供了便利。教師可以在3D One軟件中預(yù)覽滑輪模型的細節(jié)，并確保模型的完整性和合理性。這樣可以避免打印過程中可能出現(xiàn)的問題，如模型的分段、壁厚不均等。完成預(yù)覽并確認(rèn)無誤后，教師就可以將模型導(dǎo)出并發(fā)送給3D打印機進行打印了。整個流程中，從設(shè)計到打印出成品，只需幾天時間。而傳統(tǒng)的教具制作方法可能需要數(shù)周甚至數(shù)月的時間，因此，利用3D One軟件繪制自制教具部件模型不僅提高了效率，還大大降低了制作成本。利用3D One軟件自制教具部件模型的實例不僅是一種技術(shù)手段，更是一種創(chuàng)新的教學(xué)策略。通過這種技術(shù)手段，教師可以快速、準(zhǔn)確地設(shè)計和制作滑輪模型等教具。這種個性化的教學(xué)方式不僅能夠滿足教學(xué)需求，更能夠激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)科的興趣。學(xué)生在觀察和操作真實的滑輪模型時，能夠更直觀地理解滑輪的運動規(guī)律，深入感受物理實驗的樂趣。

四、結(jié)束語

3D打印技術(shù)的應(yīng)用為中學(xué)物理教學(xué)帶來了前所未有的變革。通過創(chuàng)新性的教學(xué)手段，能夠更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)的實效性。期待未來，科技與教育的結(jié)合將會取得更為顯著的成果，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的新一代學(xué)生奠定堅實基礎(chǔ)。

【參考文獻】

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（本文系2023年度福州市教育信息技術(shù)研究課題“基于‘3D One類’軟件的中學(xué)自制教具開發(fā)與應(yīng)用”的研究成果，課題編號：FZDJ2023A10）