3D打印技术在中学物理教学中的创新应用研究

课题项目：福州市电化教育馆批准，《基于“3Done类”软件的中学自制教具开发与应用》列为2023年度福州市教育信息技术研究立项课题，课题编号：FZDJ2023A10。

作者简介：黄艳娟（1984～），女，汉族，福建福州人，福建省福州外国语学校，研究方向：中学物理。

摘 要：随着科技的快速发展，3D打印技术已经成为教育领域创新应用的前沿技术之一，特别是在中学物理教学中，其已经展现出了巨大的潜力和优势。文章详细阐述3D打印技术在中学物理教学中的创新应用，包括制作教学模型、设计实验装置、创建互动教具以及提供学生课余学习资源等方面。通过这些应用，3D打印技术不仅能够直观展示物理概念和原理，提高学生的学习兴趣和参与度，还能促进学生的实验技能发展和创新思维能力。此外，文章还探讨了3D打印技术在实际教学中的应用挑战，以及未来发展趋势和潜在的教学模式创新。

关键词：3D打印技术；中学物理教学；创新应用

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1673-8918（2024）43-0113-04

中学生思维比较活跃，认知发展水平正在快速提升，教师要重视教学模式的创新和教学工具的改变，不断激发学生的学习兴趣。在传统的中学物理教学中，学生往往面临着理解抽象物理概念和原理的挑战，限制了对物理学的探究兴趣，难以产生深入学习的动力。3D打印技术的发展和教育领域的应用，为物理教学带来了新的机遇，3D打印技术以其独特的优势，为中学物理教学提供了直观的学习工具和实验装置，使得抽象的物理概念和原理能够通过实物模型得以直观展示和探索。

一、 3D打印技术的发展背景

随着科技的快速发展，3D打印技术已经从新兴概念成长为具有革命性影响力的制造工具。自20世纪80年代末首次出现以来，3D打印技术经历了快速的发展，从最初的快速原型制造演变为复杂的数字制造过程，该种技术能够根据数字模型直接制造出三维实体物品，为设计、工程、制造甚至艺术创作开辟新的途径。在教育领域，3D打印技术能够提供实践学习的机会，促进学生创造力、解决问题能力的发展，以及对复杂概念的理解。尤其在科学、技术、工程和数学教育中，3D打印提供了独特的方式，其可通过直观的物理模型演示和探索抽象的概念和原理，加深学生的学习体验。

二、 3D打印技术在中学物理教学中的应用意义

（一）提升学生的学习兴趣和参与度

传统的物理教学依赖课本和二维图像传递知识，随着信息技术的发展，教学中引入视频，但是仍然无法实现教学情境的真实课堂体验，所以许多学生在抽象概念和物理原理的理解上依然存在困难。而3D打印技术可以制作出可触摸和操作的三维物理模型，能将抽象的物理概念转化为直观的物理对象，将物理原理转化为真实的情境教学。例如，通过3D打印出的杠杆、滑轮系统或照相机、投影仪模型，学生可以直接观察和操作这些模型，从而更加深刻地理解力学原理和光学原理。此外，3D打印技术不仅仅是制作模型的工具，还是激发学生创造力和探索精神的平台。在设计和制作自己的物理模型的过程中，学生需要运用所学的物理知识解决实际问题，这一过程可激发学生主动学习和探索的欲望。

（二）促进学生深层次的理解和认知

物理学充满了抽象的概念和理论，如力、能量、电磁场等，3D打印技术能够将这些抽象的概念通过实物模型具象化。比如，通过打印出磁感线模型，学生可以直观地看到磁场的分布，或通过打印不同形状的物体来探索重心，这样的直观体验有助于学生更好地理解物理概念的本质。此外，3D打印出的模型可以触摸和操作，多感官的学习过程能够加深学生对物理概念的理解和记忆。例如，在学习分子结构时，通过操作3D打印的分子模型，学生可以直接感受到分子间的空间排布和相互作用，这种体验是传统教具无法提供的。

（三）增强学生创新能力和实践技能

通过3D打印，学生可以设计和制造自己的物理模型，这一过程不仅要求学生了解物理概念，还要思考如何将这些概念应用到实际的设计中，这种从零开始的创造过程能促使学生跳出传统教育模式的思维框架，激发创新思维。例如，在设计用于演示能量转换的模型时，学生需要考虑如何有效展示重力势能和动能之间的转换，进而提出全新的设计理念或改进现有模型的方法。另外，3D打印项目往往伴随着一系列设计和技术上的挑战，如模型的可行性评估、材料的选择和优化设计等。面对这些挑战，学生应运用知识和创造力寻找解决方案，这不仅可锻炼学生的逻辑思维能力，还能提高学生解决问题的能力。

（四）为课堂教学提供个性化支持

学生的学习风格多种多样，包括视觉型、听觉型、动手操作型等，3D打印技术能够为学习者提供适合他们学习方式的教学资源。例如，对偏好视觉学习的学生，教师可以设计和打印出具体的物理模型，帮助他们更好地理解复杂的物理概念；而对偏好动手操作的学生，则可以通过亲自参与模型的设计和打印过程，增强学习体验。3D打印技术的灵活性允许教师快速制作或修改教学模型，以适应教学策略的变化，这种快速响应的能力是传统教学资源难以比拟的，有助于教师更有效地实施教学调整，确保教学活动的有效性和学生学习的连续性。

三、 3D打印技术在中学物理教学中的应用现状

（一）成本和资源的限制

3D打印机的价格从几百美元的桌面型打印机到几万美元的工业级打印机不等。虽然教育中不需要高端的工业级设备，但即使是中等规格的3D打印机，对预算紧张的学校来说也是一笔不小的开支。同时，为了满足整个学校或多个班级的需要，需要购买多台设备，进一步增加了成本负担。此外，3D打印机虽然能够制作出各种教学模型和辅助工具，但这些打印过程需要消耗特定的材料，如ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）或PLA（聚乳酸）等塑料丝，材料的消耗也将成为持续的成本，并且3D打印机的维护和修理也需要专业知识和额外费用。

（二）教师技术熟练度待提高

3D打印技术相对较新，要求教师了解其工作原理、熟悉操作流程，并能够解决在使用过程中遇到的技术问题，不仅包括设计或选择适合打印的模型，还包括操作3D打印机、选择适合的打印材料以及维护和修理打印设备。教师还需要学会使用设计软件创建或修改3D模型。因而，这是一个全新的技能领域，教师需要接受关于3D打印技术和相关软件的培训，然而，对许多学校来说，提供这样的专业发展机会是一大挑战。

（三）教学资源开发有难度

虽然市场上已有许多3D打印模型和资源可用于教育，但这些资源往往是通用的，无法完全符合特定课程的需求或满足特定教学目标。因此，教师需要根据班级的具体需求和学生的学习水平，开发或调整现有的3D模型和教学资源，这不仅是一项技术上的挑战，也是一个创意和创新的过程。同时，开发适合特定教学目的的3D打印模型，需要教师投入大量的时间和精力，从设计模型开始，到调整设计以确保模型的教学有效性，再到最终的打印和测试，每一步都会面临技术和实践上的挑战，对同时承担教学、备课和其他学校责任的教师而言，拥有足够的时间来完成这些额外任务并不容易。

（四）学校设施待完善

3D打印设备及其操作需要专门的空间，这些设备通常需要放置在通风良好、温度适宜的环境中，以确保打印质量和设备长期运行。此外，为了便于教学和学生操作，这些空间还需要考虑到学生的安全和便利性。对空间有限的学校来说，找到或重新配置这样的空间是一个挑战。另外，3D打印技术的有效运用和持续维护需要专业的技术支持服务，包括定期的设备维护、软件更新、故障排除和维修服务。但多数学校内部缺乏足够的专业人才提供这种支持，因而需要外部服务提供商的协助，但确保持续有效的技术支持需要更多财政投入和良好的供应商关系管理。

四、 3D打印技术在中学物理教学中的应用措施

（一）制作教学模型，增强学生对抽象概念的理解

物理学本质上探讨的是自然界的规律，许多概念对中学生来说都显得相当抽象，如力的作用、能量的转换、磁场等，这些抽象概念的教学和学习往往需要依靠直观的教学工具和模型。3D打印技术制作教学模型可以将抽象的物理概念具象化，形成可以触摸和操作的物理对象，这种直观性对学生理解复杂的物理现象和原理至关重要，可以帮助其更快地理解和记住概念。

以力学中的杠杆系统为例，教师先介绍杠杆的基本概念和类型，以及杠杆五个要素（支点、力的作用线和力臂），然后，设计一个包含不同类型杠杆（如省力杠杆、费力杠杆和等臂杠杆）的模型，设计时要考虑模型的教学功能，如可调节的力臂长度、可更换的重量块等，便于演示杠杆的平衡条件和力的作用效果。接着，使用3D打印机打印设计好的杠杆模型各个部分，并组装完成，准备好与实验相关的附件，如重量块、测量工具等。课堂上教师展示3D打印的杠杆系统模型，邀请学生探索模型的不同部分所对应的杠杆类型，并提出他们对杠杆如何工作的假设。学生分小组，每组分配一套3D打印的杠杆系统模型，通过改变力臂长度和调整重量块的位置，使杠杆达到平衡状态。其间，学生记录不同配置下所需的力量大小，计算并验证杠杆平衡条件。最后，各小组分享他们的实验结果，讨论为何杠杆会达到平衡，不同类型杠杆的特点和应用。教师再通过讲解实际案例（如核桃钳、天平、撬棍等），让学生理解杠杆系统的广泛应用，并鼓励学生设计自己的杠杆应用模型，使用3D打印技术实现，以培养学习创新思维和解决问题的能力。通过与模型的互动操作，学生的学习过程更加主动和富有探索性，学习兴趣和参与度显著提高。

（二）设计实验装置，促进学生的实验技能发展

实验是物理学习中不可或缺的一部分，其不仅可以验证理论知识，还能培养学生的观察力、思维能力和动手能力。通过设计并使用3D打印的各种实验装置，学生可以亲手操作实验，相较于仅仅观看演示或进行理论学习，其更能够激发学生的学习兴趣和主动探索精神。此外，3D打印出的实验装置相比传统的实验器材成本低廉，易于制作和替换，学校能够以较小的预算扩大实验教学的范围。

电学实验中，教师可以利用3D打印技术制作“电路学习套装”，帮助学生学习基本电路的组成、电路图的识别与绘制，以及简单电路的搭建和测试。教师提前设计包含电池座、开关、灯泡座、导线和各种电阻的3D模型，确保模型易于操作，且可以安全连接电源和其他组件，并利用3D打印技术打印。为了确保电路的安全和实用性，部分如导线和电池可能需要使用标准部件。然后，教师让学生观察并描述各个部件，介绍基本电路的组成部分，包括电源、导线、开关和用电器（如灯泡），以及这些组件是如何通过电路图表示的。学生操作开关，观察并记录电路工作状态（如灯泡亮起），同时，测量并记录电路的电流和电压，讨论电路的工作原理及其与电路图的对应关系。最后，教师总结常见的错误和疑难点，解答学生在搭建和测试电路过程中遇到的问题，并鼓励学生设计自己的简单电路（如加入更多的灯泡或电阻），尝试绘制对应的电路图。这样一来，就将电路图的识别和电路的实际搭建结合起来，可以帮助学生理解理论与实践之间的联系，提升学习效率。

（三）创建互动教具，营造良好的课堂教学氛围

在传统的中学物理教学中，课堂互动常常受限于教学资源的缺乏和教学方法单一，学生以被动的方式接受知识，不仅降低了学习效率，也减弱了学生对物理学习的兴趣。随着教育技术的发展，3D打印技术为创新教学方法、增强课堂互动提供了新的可能性。通过创建具有教学功能的互动教具，可以显著提升学生的学习动力和课堂参与度，营造更加积极和互动的学习环境。

比如，为了探索牛顿运动定律和空气动力学原理，教师和学生可以共同设计和打印小型的火箭模型或其他飞行器模型，通过发射这些模型，使学生实际观察和分析各种力（如推力、阻力、重力）如何影响物体的运动状态。如设计包含可更换喷嘴和质量模块的火箭模型，以便观察不同设计对飞行性能的影响；设计不同形状和大小的飞行器模型，如纸飞机或滑翔机，用以探索空气动力学原理；3D打印一个火箭或飞行器发射台，设计可调节发射角度和力度的机制；设计简易的速度测量装置，用于测量火箭或飞行器的起飞速度。学生根据教师提供的指导手册，共同组装火箭或飞行器模型，每次发射后，学生记录实验数据，包括发射角度、飞行时间和飞行距离。通过改变火箭模型的质量和发射力度，学生观察并理解牛顿第二定律（F=ma）在实际中的应用，通过比较不同形状飞行器的飞行性能，使学生了解空气阻力、升力等空气动力学原理。通过这种互动式的教学方式，学生不仅能够直观地学习和理解物理原理，还能通过动手实践锻炼自己的科学探索能力和创新思维。

（四）提供多种资源，满足学生不同的学习需求

3D打印技术的发展和普及为学生提供可在课余时间自主探索的教学资源，这些资源能够满足学生不同的学习需求，激发学生的学习兴趣，促进自主学习。此外，通过在课余时间使用3D打印资源进行自主学习，学生不仅能够加深对物理知识的理解，还能通过设计和制作自己的3D打印模型，锻炼实践能力和创新思维，促进学生从知识的消费者转变为知识的创造者。

3D打印技术可被用来创建太阳系模型，包括行星、卫星、小行星带等复杂结构。首先，教师介绍太阳系的基本结构和特征，激发学生的兴趣。然后，学生根据自己的兴趣选择想要深入研究的天体，如地球、火星、木星或小行星带等。在教师的指导下，学生选择模型文件，使用3D打印机打印出自己选择的天体模型，并尝试自己调整模型的参数，以满足他们对模型的具体需求。之后，学生对打印出的天体模型进行观察，注意天体表面的特征、大小比例等，收集有关自己选择的天体的科学资料，包括其组成、大气、轨道、自然现象等。对一些天体，如地球和月球，学生可以设计实验来模拟日食、月食等现象。最后，学生制作展板，展示他们关于所选天体的研究成果，包括3D模型、科学资料和实验结果。

五、 结论

综上所述，3D打印技术在中学物理教学中的创新应用展现了其在促进学生学习兴趣、增强理解力、发展实验技能和激发创新能力方面的巨大潜力。通过制作教学模型、设计实验装置和创建互动教具等方式，3D打印技术为学生提供了丰富多样的学习资源和实践平台，极大地丰富了物理教学内容，提高了学生的学习效率和教学的互动性。尽管在推广应用过程中仍面临技术、成本和教师专业发展等挑战，但随着技术的进步和教育理念的更新，3D打印技术在中学物理教学中的应用前景将更加广阔，有望成为推动教育创新和改革的重要力量。未来的研究和实践应更加关注如何有效整合3D打印技术与教学大纲，探索更多符合学生学习特点和需求的教学模式，以促进学生全面发展。

参考文献：

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