动势能转换——3D打印重力小车

管轶

学习背景

人类社会进入21世纪，信息化浪潮席卷全球，以云计算、大数据、物联网、移动互联网以及3D打印等技术为代表的先进信息技术，对社会经济发展产生了深刻影响。这些技术日益改变着我们的生活方式，并且已经影响到了学校教育与人才培养。

物理是一门建立在实验基础上的自然科学，实验教学是物理常用的教学方式，实验在物理教学中具有十分重要的地位。初中物理作为基础教育的重要组成部分，对学生形成完善的知识体系，掌握初中生应该掌握的基础知识和基础技能，意义重大。初中物理课时较为紧张，教学内容较为丰富，涵盖了力、热、声、光、电和原子物理等诸多知识内容，要在有限的课时中让学生尽可能提高对知识的掌握程度，实验教学就起到了很大的作用。

3D打印技术自20世纪80年代出现以来，一直因打印成本昂贵而无法得到普及与应用，而目前它正处在关键的转折点，正如计算机由昂贵的工业品向家庭民用转变一般，3D打印目前正在快速发展过程中，打印成本的持续走低使其很快走入公众视野。越来越多的事实证明，3D打印已不再局限于工业设计、科研等高端领域，它正逐渐走出工厂与实验室，走进家庭与学校，走进每个人日常生活的方方面面。3D打印同时满足了物理实验的各种需求，因此，一线教师尝试将3D打印运用到物理实验教学中，助力物理教学的开展。

教学目标

知识与技能 1.知道重力势能和动能之间可以相互转化。2.能够判断重力势能和动能大小变化。3.掌握3D模型制作软件基本操作。

过程与方法 1.经历重力势能（动能）概念的形成过程、重力势能（动能）与相关因素间关系的实验探究过程以及能的转化研究过程。2.了解用科学语言描述物理现象和规律的方法，感受实验探究中的控制变量法和猜想、分析、归纳等思维方法。

情感态度与价值观 1.培养学生自己发现问题、解决问题的能力。2.跨学科教学，让学生了解自己所学的知识不是纸上的，而是可以使用的。

教学重点与难点

教学重点 设计制作重力小车。

教学难点 在安装运行重力小车时，找出重心不稳导致翻车的解决方案。

教学准备

PPT、3DOne软件、3D打印机、木棒、滑轮、钩码、车轮、车轴。

教学过程

一、聚焦任务，激发兴趣

播放赛车影片，激发学生的学习兴趣，让学生主动学习。（扫描右侧课件讲解视频二维码）

教师提出本节课教学任务：用3DOne软件设计一辆小车。

二、设计指导，着手实施

设计引导一、制作设计以重力为动力可以行驶的小车

1.提问：如何让重力成为小车的动力？

2.引导：利用简单的机械工具来改变力的方向，从而使重力成为动力。引出工具滑轮，给予学生初步设计草图与基础材料。（如图1）

设计引导二、学生设计车架底座与传动装置

1.制作车轴孔半径为0.5mm，木棒连接口半径为1.5cm的车架底盘，在3DOne软件中进行操作。

（1）选择基本实体正方体：80mm×60mm×10mm，放置在原点处。（如图2）

（2）对新完成的正方体进行镜像。移除添加实体。（如图3）

（3）选择基本实体圆柱体：半径2mm，长70mm，放置在一侧穿过目标。（如图4）

（4）对圆柱体进行镜像。移除选中实体。（如图5）

（5）选择基本实体圆柱体：半径2mm，长60mm，经过刚刚开的孔。（如图6）

（6）对圆柱体进行镜像。在车子的中间位置放置圆锥体，上底8mm，下底15mm，高25mm。（如图7）

（7）在圆锥体上放置圆柱体：半径为3.5mm，高为25mm，与圆锥体重合。选择圆锥体与圆柱体组合编辑减运算。（如图8）

2.制作传动装置：安装滑轮，连接细线传输小车的动力。成品展示如图9。

三、课后总结，发现问题

学生对重力小车难以把握重心，比较容易翻车。有的学生认为，小车越高越好，因此选择很长的木棒安装在底座上，导致小车重心偏高，容易翻车。有的学生认为，小车要有速度，因此选择较重的钩码，钩码的下降速度是快了，但是小车的重心向前，放在地上一下子就把小车拉倒了，根本行驶不了。

实践反思

本课是对3D打印课程在教育教学中的一种尝试，重点在于通过项目制作与组装运行，让学生有机会将自己的理论知识与解决现实问题综合起来，能将知识应用于实际生活中。有时并不是学生没有能力做事，而是他们没有机会去做，作为教师，我们不应只是死板地传授学生知识，而应该让学生主动去探索、去学习。初中学生已经有一定的认知与探索能力，因此教师应该给予他们更多的机会和时间去探索、去学习，他们的设计与创造力可能是我们教师无法想象的。

專家点评

本设计是对3D打印课程在学校中有效实施途径的一种有益尝试，将3D打印与“重力势能转化成动能”的知识相结合，使学生能够学以致用，将所学知识应用于实际生活。

本设计向学生展示了动能与势能的相互转化过程：钩码向下运动，带动小车向前运动，往复循环;小车底座和传动装置是3D打印设计制作。在课堂上教师演示该实验，指导学生进行小车竞赛，这一活动不仅可以提高学生的创新意识和创新能力，也是指导学生理解和应用所学的知识。（点评人：金建萍，上海市嘉定区南苑中学，物理高级教师）