用3D打印开发物理实验教具①

罗世洪

(重庆市铜梁中学校，重庆 402560)

1 引言

实验是中学物理教学的重要内容和方法，实验教具的优劣对实验效果有重要影响，甚至关乎教学目标的达成。随着课程改革的深入和教育信息化2.0的推进，传感器技术、3D打印技术、VR技术等不断应用于教学，为设计实验、开发教具、增加实验教学的效能开辟了新的途径。在中学物理教学中应用3D打印技术开发实验教具，不但高效快捷，并且实验效果显著。

2 应用3D打印技术开发教具的意义与优势

2.1 应用3D打印技术开发教具的意义

3D打印技术是一种快速塑造成型的三维立体打印技术，又称“增材制造”技术，它以数字模型为基础，立足三维数字模型，利用粉末状的金属材料或塑料材料，通过逐层打印的方式塑造具体的物体，为中学物理实验教具开发提供了一条新型、高效的途径。

3D打印技术应用于中学物理教具的开发，有利于缩短实验教具制作的周期，降低制作成本，也有利于实验教具的不断改进，便于共享和推广。采用师生共同开发的方式，能激发学生的学习兴趣，促进学生的“模型建构”“质疑创新”“问题”“证据”等核心素养的发展，还能培养学生的通用技术和信息技术学科核心素养。

2.2 应用3D打印技术开发教具的优势

2.2.1 零件制作时间更短，制作成本更低

利用传统方式制作教具的零部件耗时长，而且结构越复杂，制作工艺就越复杂，需要的工具设备更多，花费的成本就更高。例如，在“探究感应电流的产生条件”时(图1)，线圈在磁场中左右移动、上下移动、绕轴转动时，哪些情况下会有感应电流产生？原因是什么？在理论分析的基础上，可以让学生做实验探究。为了使实验效果明显，需要将单匝线圈改为几十匝，在方木或厚PVC板上绕制线圈，不仅结构粗糙，且线圈绕制较难。而利用3D打印技术，只需用3D软件设计一个合适的三维框(图2)，然后用3D打印机打印实物。教具的部件越复杂，3D打印的优势更加明显，从而大大地节约制作时间和成本。

图1

图2

2.2.2 教具外形更美观，演示效果更好

通常的教具制作与改进，主要是依靠教师手工制作教具部件或装置，制作时需要绘图、选材、切割、打磨等。制作时，常常因测量上的不精确而造成各部件组装困难，或者组装后的成品比较粗糙，甚至无法用于实验。用3D打印制作教具，通过绘制模型草图、建立数字模型、设置模型参数、切片分层、打印出模等程序，就可制作出美观的教具。例如，设计、制作“过山车模型”实验教具，采用双股粗铁丝制作教具，制作时用铁丝绕制圆轨道不太容易实现，且小球容易脱轨。通过3D软件建构数字模型(图3)，3D打印机直接打印(图4)，加装底座即可完成，不仅美观，而且实验效果良好。学生在进行实验时，通过合作探究，观察、分析实验现象，很容易得出实验结论：为使小球能做完整的圆周运动，必须从一定高度释放小球。该实验教具还可以进一步优化，可在最高点和最低点加上DIS力传感器和速度传感器，进行定量分析。

图3

图4

2.2.3 教具参数变更容易，推广性强

利用传统的技术手段开发教具时一般都是手工制作，有时一件稍微复杂一点的教具需要花费很长的时间，制作程序也很复杂，制作出来的教具尺寸、形状依据设计固定，变更参数难。在不同的实验环境或实验条件下，为了使实验效果更明显，往往要调整教具的规格，用3D技术设计、制作一个实验教具，只需要改变计算机上相关的指令，就可调整教具参数，同时将数字化三维模型共享，其他师生根据自己做实验的需要，可变更参数，通过3D打印制作教具成品，增强了推广性，更具有实用价值。

3 利用3D打印技术开发物理实验教具的原则

实践表明，不是任何教具的制作和改进都需要使用3D打印技术，应用3D打印技术制作教具的目的是让实验效果更好，帮助学生建构物理模型，开展科学探究，促进学生核心素养的发展，用3D打印技术开发教具时应遵循一定的原则。

3.1 实用性原则

用3D打印技术开发物理实验教具要有实用性。例如，图5所示的器材用于说明物体所受向心力的来源，甲中物体单独放在圆盘上，乙中两个相同的物体放在圆盘上的不同位置，丙中两个相同的物体用细线连接，逐渐增大圆盘的角速度，研究物体滑动的临界问题。在制作圆盘时，可以利用木板或PVC板作为材料，不需要使用3D打印技术。实际上，实验室的普通3D打印机打印一个直径30 cm、厚度2 cm的大圆盘需要数小时才能完成，实用性不强，制作圆盘用传统方式更好。若要制作“过山车模型”，研究圆周运动特点，采用3D打印制作的教具，实验效果好，复制也更容易。

图5

3.2 简洁性原则

利用3D打印技术开发物理实验教具要具有简洁性。如果能够利用身边现有的器材开发实验装置，就没有必要费时、费力设计、制作新的实验器材。如果现有的材料不合适，就需要在设计、制作时，遵从简洁性原则，尽量增加教具的功能。例如，探究向心力的来源和离心运动时，可以利用3D打印技术制作如图6所示的可动式圆环轨道。演示时，在小滚珠上涂上墨水，然后让小滚珠在圆环内做圆周运动，在进行了圆周运动之后，把圆环的一部分拆除，则小滚珠离开缺口后的运动轨迹会印在底板上，根据墨迹可判断小滚珠离开圆环后沿着切线做直线运动。

图6

3.3 创新性原则

用3D打印技术开发物理实验教具要有创新性。利用教具进行教学的目的是为了使实验效果更好，这就需要对实验方式、方法或者实验装置进行创新。因此，应用3D打印技术开发教具不是简单的复制已有的实验教具，而应有所创新。

4 利用3D打印技术开发实验教具的流程和示例

用3D打印技术开发实验教具的流程主要包括6步：需求分析，数字建模，3D打印，教具组装，效果验证，参数修正(图7)。以下用“探究动量守恒”的实验教具开发示例予以说明。

图7

4.1 需求分析

在“动量守恒”教学中常会解析以下习题：如图8所示，小车静止在光滑的水平面上，小车的AB段是半径为R的四分之一光滑圆弧轨道，BC段是水平粗糙轨道，两段轨道相切于B点，质量为m的滑块在小车上从A点由静止开始沿轨道滑下，然后滑入BC轨道，最后没有滑离小车，求小车运动的距离。这是一道有关动量和能量的综合题，大部分学生对于此类问题在物理模型建构和物理过程分析方面存在困难。为了突破教学难点，可以运用3D打印技术制作教具，通过实验演示、视频播放进行教学。

图8

4.2 数字建模

教具部件分为两部分，左边是圆弧弯轨道，右边是水平轨道。预设圆弧轨道半径为10 cm，水平轨道为8 cm，宽度均为2 cm，采用凹槽结构，应用3D软件，建立数字模型，命名为“动量守恒演示轨道”(图9)。

图9

4.3 教具的3D打印

根据3D打印机的不同品牌和型号，先用配套软件将3D数字模型切片。设置打印参数，然后按照3D打印机的操作要求，调平、加热、进料，直接打印，完成后去掉冗余部分。

4.4 教具组装

图10中的水平和圆弧轨道部分是利用3D打印的，其他部分是利用实验室的物品制作。根据预设，需要将轨道固定在小车上，实验发现，若将轨道固定在小车上，但是由于小球的质量较小(22 g)，远小于小车质量，因此实验现象不明显。实际的教具是将轨道固定在长为15 cm的钢尺上，将两组车轮的轮轴固定在钢尺上。同时在轨道左边固定了一块橡皮泥，橡皮泥捏成了一个中空漏斗形，小球滚进橡皮泥后，不会弹出来，改进后的小车和轨道总质量为93 g。为了让小球从静止释放，这里加装了平抛运动实验中的电磁铁装置，通过小木杆固定在铁架台支架上，支架可以上下移动，调节合适的释放高度。同时为了观察小球和轨道车的运动情况，利用纸板和打印纸，制作了一个带坐标的背景板。

图10

4.5 效果验证

实验装置组装完成之后，就可以开展实验了。打开电磁铁开关，小球由静止释放，小球在下滑的过程中，小车向右移动，通过测量小球到达水平轨道左端停止时小球和小车的水平位移，判断在水平方向上的动量是否守恒。实验发现这个过程的持续时间很短，实验时可采用录制视频或者手机连拍方式，笔者在实验中采用数码相机录制方式，然后利用编辑软件每0.04 s截取一帧图片，以展示实验过程(图11)。通过多次实验发现，小球水平位移为16.5 cm，轨道车水平位移为3.4 cm。对于小球有：m1x1=0.003 63 kg·m，对于轨道车有：m2x2=0.003 16 kg·m。由于小车所受摩擦力等的影响，实验误差比预期大了一些，但是小车和小球的运动情境效果明显，小车与小球运动方向相反。

图11

4.6 参数修正

根据实验的验证情况，可调整数字模型的参数，美化、优化实验装置。如在条件允许的情况下，可以将水平轨道加长，增大小球和小车的相对位移，减小实验误差。

5 结语

中学物理实验的传统教具在研发上往往存在一些难以解决的问题，在引入3D打印技术之后，这些问题得到了较好解决，教具可以批量化生产，教具制作成本大幅降低，可以更加精准地控制参数。当然，3D打印应用于中学物理实验教具开发，需要在理论指导下实践，通过实践验证理论，旨在培养学生的建构模型能力，提升学生的核心素养。