3D打印技术在大学物理实践教学中的应用

赵琪琪 赵嵩卿 杨书博 唐天宁

摘  要  随着智能工业化的发展，3D打印技术在工业设计、制造及教育等领域的应用不断深入。基于培养创新型人才的教育理念，鼓勵学生自主设计改进大学物理教学实验设备，指导学生进行学科竞赛及创新创业比赛。实践表明，将3D打印技术融入大学物理实践教学中，能够改善实验条件，提高实验效率，激发学生的创新能力，对于促进产学研教相结合具有重要意义。

关键词  3D打印技术;大学物理实践教学;实验设备;大学物理实验;光电设计竞赛;创新实验

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）06-0047-04

Application of 3D Printing Technology in College Physics Practice Teaching//ZHAO Qiqi， ZHAO Songqing， YANG Shubo， TANG Tianning

Abstract  With the development of intelligent industrializa-tion， the application of 3D printing technology continues to deepen in industrial design， manufacturing， education and so on. Based on the education idea of cultivating innovative talents， we encourage students to design experiment equip-ments， carry out innovative experimental teaching， guide stu-dents to participate in discipline competition and innovation competition. Practice shows that the integration of 3D prin-ting technology and college physics practice teaching can improve experimental conditions， improve experimental re-sults， stimulate students’ innovation ability and promote the combination of production， learning， research and teaching.

Key words  3D printing technology; college physics practice teaching; experiment equipments; college physics experi-ment; photoelectric design competition; innovation experi-ment

0  前言

3D打印技术是一种利用计算机辅助设计软件，将某种特定的加工样式进行一系列数字切片编辑，生成数字化模型文件，运用特定材料及特定设备，分层加工以叠加成型，最终打印出与模型图相同固态物体的新兴制造方法[1]。“第三次工业革命”被认为是人类继19世纪的蒸汽时代和20世纪的电气化时代之后的第三次历史性突破，而3D打印技术与互联网、新能源被并称为“第三次工业革命”的三大核心技术[2]。

目前，3D打印技术已经走进大多数高校，作为日常教学教具制作以及实验设备改造的重要工具。与此同时，3D打印技术也被引入各种实践教学及学科竞赛中，作为快速实现学生创新想法以及提高学生创新能力与实践能力的重要媒介。本文通过将3D打印技术应用在大学物理实践教学中，极大增加了学生的实验兴趣，激发了学生的创新思维，提高了学生的实践能力。

1  3D打印技术的原理及优势

3D打印又称增材制造，常见的3D打印技术包括[3]分层实体制造技术（Laminated Object Manu-facturing，LOM）、熔融沉积技术（Fused Deposi-tion Modeling，FDM）、光敏树脂选择性固化技术（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、三维打印快速成型技术（Three-Dimensional Printing，3DP）、粉末材料选择性激光烧结技术（selective laser sintering，SLS）等。本文所采用熔融沉积3D打印技术，又称为丝状材料选择性熔覆3D打印技术，具有成本较低、易于操作的优点。该技术的具体步骤包括[1]：

1）热塑性丝状材料被热熔喷头加热并熔化成半液态;

2）通过喷头挤压出工件的横截面轮廓;

3）通过喷头在工作台上的往复运动，逐层形成薄片。

与传统制造工艺相比，丝状材料选择性熔覆3D打印技术在应用于大学物理实践教学时具有以下优点[4-5]：

1）小批量生产时，成本不受产品复杂度的影响，3D打印工艺不会因为产品复杂程度而产生开模及制造等由工艺造成的废品率高的问题;

2）不受产品种类数的影响，3D打印机可以在一定时间内打印多种样件，打印种类数不影响其整体打印时间;

3）不受产品设计方案选择的影响，设计方案可以多样化，产品的最大尺寸小于打印机整机大小即可;

4）易于掌握，便于上手，一到两周内即可具有设计制造能力;

5）生产过程安全且环境污染较小，避免了传统车钳刨铣操作的危险性，且生产过程无废屑粉尘，不影响操作者健康;

6）3D打印具有精确的实体复制特点，样品调试后可小规模生产。

2  3D打印技术在大学物理实验教学中的应用

随着教育教学改革的不斷深化，高校的实验室建设和装备条件有了很大程度的提高[7-8]。然而现有的实验教学仍存在诸多严峻的挑战，在不同程度地影响学生的学习效果。例如：

1）实验教学受时间和空间的约束;

2）实验仪器的数量和质量以及其他教育资源增加投入的速度远远赶不上实际发展的需要;

3）实验仪器设备维修周期长、更新率低;

4）实验教学内容陈旧，教学方法和手段比较落后。

在这种环境下，实验教学很容易形成教师照本宣科“领着走”、学生似懂非懂“照着做”的局面。为了更好地完成大学物理实验教学任务，学校将3D打印技术引入教学实践中，一方面让学生接触当前的先进制造技术，极大地激发学生的学习兴趣;另一方面带领学生进行创新实践，极大地提高学生的创新能力。

液体的粘滞系数和人们的生产生活关系紧密，利用落球法测量液体粘滞系数是大学物理实验中的基本实验之一[9-11]。落球法液体粘滞系数测定仪主要包括测量架、两个激光发射接收底座、两对激光发射接收调节器和两对激光发射器与接收器，如图1所示。两对激光发射器与接收器分别安装于两对激光发射接收调节器上，每对激光发射接收调节器固定于一个激光发射接收底座上，各装置的调节范围极小。因此，学生在做实验时经常会出现发射器发射的激光无法被接收器接收的现象，需要花费大量时间在激光探头对准的调试上。这样既有悖于实验目的，也影响学生的实验热情，会极大地降低实验课堂的质量。

为了改善这一现象，鼓励学生利用3D打印技术对现有的落球法测量液体粘滞系数的实验设备进行改进。经过对实验原理、实验操作及市场现有设备的充分调研，学生设计一种3D打印激光发射接收两轴调节器，如图2所示。相比原有的激光发射接收调节器，增加与底座连接、用于调整水平方向旋转角度的轴，增加与激光发射器和接收器连接、用于调整竖直方向旋转角度的轴。改进后的调节器自由度为2，可以满足实验操作需要。同时，考虑到直视激光会造成眼部损伤，对两轴调节器进行俯仰机械限位设计，消除学生误操作可能造成的安全隐患。

下面介绍落球法液体粘滞系数测量仪改进的具体过程。

1）绘制激光发射接收两轴调节器的CAD设计图，并将其导入切片软件，完成打印前的预处理工作，如图2-a所示。

2）将切片处理后的设计图导入打印机，得到打印件，如图2-b所示。

3）将最终成品安装至测量仪，如图2-c所示。

经实验测试，改进后的实验设备测得的实验数据与改进前的实验设备测得的实验数据一致，但每次实验设备调试的时间由原有的25～40分钟缩短至3～5分钟，实验效率大幅提高，从而使得学生将更多的精力转移到实验原理的理解上。

3  3D打印技术在大学物理实验竞赛中的应用

全国大学生光电设计竞赛是大学物理学科重要的学科竞赛之一。在比赛中，学生可以将理论知识与实际应用相结合，对提高创新能力与实践能力具有重要意义。近年来，能够将学生的想法快速转变为实物模型的3D打印技术，为相关竞赛的顺利进行提供了重要保障。在第七届全国大学生光电设计竞赛中，对西北赛区一等奖作品“基于光电技术的油气管道综合智能检测平台”，学生利用3D打印技术制作远场涡流传感器支撑件及太阳能板支座，如图3所示。3D打印的远场涡流传感器支撑件和太阳能板支座分别作为传感器和太阳能板与主机的有效连接部件，具有调整方便、加工便捷且稳定性高的优点。

为助力学生学科竞赛及创新创业比赛，学校开设一系列创新性实验课程，包括单片机创新实验、光学创新实验、声学创新实验、3D打印创新实验等。3D打印创新实验课程的学习内容主要包括三部分（以学生在3D打印创新实验课上创作的作品哈勃卫星模型为例）。

1）形态设计及建模软件的使用。利用Solid-Works或AutoCAD等软件进行结构设计，如图4-a所示。

2）结构力学分析及切片软件的使用。利用ANSYS

等软件对完成结构设计的受力部件进行力学分析，完成形态调整后，利用Cura软件进行模型切片并导出分层模型信息，如图4-b所示。

3）3D打印机的使用。安装丝状打印材料，调整打印机喷头位置及加热板平整度，操作打印机加载存储卡中的分层模型信息，最终完成实物的打印。

通过一系列的创新实验课程，学校为学生应用3D打印技术参加大学物理学科竞赛打造了实践平台，也为学生在各类学科竞赛及创新创业竞赛中取得优良赛绩提供了可能。

4  结语

3D打印是一个集设计、分析、制造为一体的实践过程，是创新思想物化的强有力工具。本文对3D打印技术在大学物理实践教学中的应用进行研究，改变制约教学开展的实验条件，增强大学物理的学科竞争实力，为培养复合型创新人才发挥了重要的作用。利用3D打印技术，对大学物理实践教学中的设备进行功能改进，可以缩短研发周期，降低研发成本，提高研发效率。基于3D打印技术，开展学科竞赛指导与创新实验课程相结合的研究型实验教学组织和管理模式，激发学生对实验的兴趣和创新思维，形成学生自主学习、自主研究、自主实验的良好局面。未来随着3D打印技术的进一步发展，该技术在大学物理实践教学中的应用将不断深化，进而在提高学生学习效率、挖掘教师创造潜能等方面发挥更重要的作用。■

参考文献

[1] 赵婧.3D打印技术在汽车设计中的应用研究与前景展望[D].太原：太原理工大学，2014.

[2] 高奇，曾红，张德强.3D打印在大学生创新实验中的应用研究[J].实验技术与管理，2015，32（11）：28-30.

[3] 张珑荟.基于3D打印技术在文创产品设计中的应用研究[D].武汉：湖北工业大学，2018.

[4] 杨婧.浅谈3D打印技术在创意包装设计中的应用[D].昆明：云南大学，2016.

[5] 高奇，曾红，张德强.基于3D打印技术的快速模具 制造开放实验探讨[J].实验技术与管理，2016，33（1）：205-207.

[6] 高奇，曾红，张德强.3D打印在大学生创新实验中的应用研究[J].实验技术与管理，2015，32（11）：28-30.

[7] 张景川，石鲁珍.大学物理虚拟实验实践教学与理论分析[J].高等理科教育，2009（2）：79-82.

[8] 吴涛，刘新，朱瑞富，等.“创客+”3D打印实践教学方法研究[J].实验技术与管理，2019，36（6）：189-192.

[9] 代伟，杨晓晖.落球法液体粘滞系数测定仪的改进[J].大学物理实验，2006（4）：36-38.

[10] 赵平华.落球法测液体的粘性系数的研究[J].大 学物理，2002（7）：29-30，33.

[11] 唐果书.落球法测液体粘滞系数实验的研究[J]. 安徽教育学院学报，2006（3）：22-23，34.

*项目来源：自治区高校本科教育教学研究及改革项目“基于复合型人才培养目标的《工程物理及实验竞赛》的课程改革”（PT-2021083）;中国石油大学（北京）克拉玛依校区大学生创新创业训练计划项目“智能3D打印国风石大毕业纪念系列文创项目”“面向俄语初学者的发音评估嵌入式系统研究与应用”（S202019414014）;中国石油大学（北京）克拉玛依校区大学物理及大学物理实验课程群建设资助项目（JX030016）。

作者：赵琪琪，中国石油大学文理学院，工程师，研究方向为实验物理;赵嵩卿，中国石油大学文理学院，教授，研究方向为实验物理;杨书博，中石化石油工程技术研究院，研究员，研究方向为工程设备（100101）;唐天宁，中国石油大学文理学院，研究方向为实验物理（834000）。