楊薈民

摘? ?要：教師在自制教具的過程實(shí)際上就是對教學(xué)進(jìn)行研究的過程，在這個(gè)過程中，教師利用3D One軟件繪制及3D打印機(jī)打印的部件與常規(guī)的材料進(jìn)行整合不僅提升了教師的思維能力、創(chuàng)造能力、教學(xué)能力等個(gè)人素質(zhì)，豐富了教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣使課堂教學(xué)更高效且增加了教具資源。

關(guān)鍵字：3D打??；自制教具；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)效果

3D打印技術(shù)是通過電腦用3D One軟件繪制模型以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)利用3D打印機(jī)運(yùn)用材料逐層堆積來實(shí)現(xiàn)構(gòu)造物體的技術(shù)。而物理就是“對物論理”，把實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用科學(xué)。把3D打印技術(shù)融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的自制教具中不僅創(chuàng)新了教育教學(xué)而且增加了課程資源。

下面就以高中物理課本必修第一冊第5章第4節(jié)“牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律”講作用力與反作用力的關(guān)系和選擇性必修第一冊第1章第2節(jié)“動(dòng)量守恒定律及其應(yīng)用”中講到反沖運(yùn)動(dòng)時(shí)都可以用到的一個(gè)自制實(shí)驗(yàn)儀器取名“螺旋槳”（如圖1所示）為例，實(shí)現(xiàn)利用3D打印技術(shù)繪制打印的部件融入物理自制教具中。

1? 利用3D One軟件繪制自制教具的部件模型

為了教具的整合，自制實(shí)驗(yàn)儀器“螺旋槳”其中有兩個(gè)部件R300電機(jī)外殼和滑片支桿是利用3D打印機(jī)打印出來的，因此先要把這兩個(gè)部件都先利用3D One軟件繪制出來。

1.1? 繪制R300電機(jī)的外殼

因?yàn)檫@個(gè)自制教具有用到R300微型直流電機(jī)，分三個(gè)步驟繪制一個(gè)R300電機(jī)的外殼，目的是能把電機(jī)固定在這個(gè)殼里。打開電腦，雙擊打開桌面3D One軟件圖標(biāo)，新建文件，取名為“R300電機(jī)外殼”。外殼從底部到頂部共有兩層，首先畫底部第一層方形底座，其次畫第二層圓套，最后把這兩層組合起來即可。

（1）底座

{1}在坐標(biāo)網(wǎng)格上面作圖。在命令工具欄中選基本實(shí)體中的六面體命令，鼠標(biāo)移動(dòng)到工作區(qū)，單擊左鍵選擇六面體放置的位置設(shè)置其長、寬、高的數(shù)值，“動(dòng)態(tài)拾取”坐標(biāo)（0，100，0），然后點(diǎn)擊確定，這樣一個(gè)50×13×3 mm3的長方體就畫好了。

{2}畫底座左右兩端的圓孔。在命令工具欄中選草圖繪制中的圓形命令，設(shè)置圓心坐標(biāo)（-20，100）直徑為4 mm；在特征造型中選擇拉伸命令，跳出一個(gè)小窗口，先選中圓形，在小窗口中布爾運(yùn)算選擇減運(yùn)算，拉伸類型“1邊”，點(diǎn)確定完成拉伸，就在底座的左端出現(xiàn)了一個(gè)小孔。同理：在六面體上坐標(biāo)為（20，100）的位置繪制圓形的圓心，直徑也為4 mm，拉伸，選中圓形，點(diǎn)減運(yùn)算，點(diǎn)確定就把底座右端的圓孔畫好了。

{3}畫底座中段的凹槽。草圖繪制中選矩形命令，在底座中段畫一個(gè)長4 mm、寬3 mm的長方形；特征造型中選擇拉伸命令，選中矩形，在小窗口的布爾運(yùn)算選擇減運(yùn)算，拉伸類型“1邊”，點(diǎn)確定就出現(xiàn)一個(gè)矩形的凹槽。

（2）圓套

確定之后，繪制第二層。在長方體底座上表面繪制一個(gè)固定直流電機(jī)的圓套。

{1}在命令工具欄中選基本實(shí)體中的圓柱體命令，把其中心坐標(biāo)定在（0，0），按照R300電機(jī)的外觀尺把圓柱的底面直徑設(shè)置為28.5 mm、高為13 mm。

{2}選擇特殊功能命令組下的抽殼命令，對圓柱體進(jìn)行處理。選擇抽殼命令，在彈出的對話框中，造型選擇圓柱體，厚度選擇-2，開放面為圓柱體的上表面，然后點(diǎn)擊確定，完成抽殼。

{3}繪制圓套背面的三個(gè)圓孔。在草圖繪制中選中圓形命令，令其圓心為（0，0），直徑為6.5 mm；然后在特征造型中點(diǎn)擊拉伸命令，選中圓形，在跳出的小窗口中布爾運(yùn)算選擇減運(yùn)算，拉伸類型“1邊”，然后點(diǎn)擊確定，就把圓套背面中心稍大的孔畫好了。同理再畫這個(gè)孔上下的兩個(gè)小孔：在坐標(biāo)（-8.25，0）和（8.25，0）的位置畫兩個(gè)直徑為1.7 mm的圓，在特征造型中選拉伸對圓做減運(yùn)算，點(diǎn)確定就出現(xiàn)兩個(gè)直徑為1.7 mm的小孔。

{4}在圓套側(cè)面挖一個(gè)矩形的凹槽與底座的矩形凹槽一樣大。注意圓套側(cè)面凹槽的位置應(yīng)該在其背面三個(gè)孔共同所在的軸線上。在草圖繪制中選中矩形命令，通過移動(dòng)鼠標(biāo)將坐標(biāo)移到圓套的左側(cè)在坐標(biāo)點(diǎn)1（-1.5，2.5）、點(diǎn)2（1.5，6.5）畫一個(gè)長4 mm、寬3 mm的矩形，通過特征造型選擇拉伸命令，選中小矩形，選減運(yùn)算，方向（1，0，0），使得左側(cè)開了一個(gè)長4 mm、寬3 mm的矩形凹槽。

（3）組合

R300電機(jī)外殼的兩層都畫好了，為了讓兩層形成一個(gè)整體，接下來要把它們組合在一起。

{1}在命令工具欄中選基本編輯點(diǎn)擊移動(dòng)選擇動(dòng)態(tài)移動(dòng)讓六面體和圓柱體移成相切，各自的凹槽重疊在一起。

{2}點(diǎn)擊命令工具欄中的組合編輯命令，在彈出的對話框中布爾運(yùn)算選擇加運(yùn)算，設(shè)置基體為六面體底座、合并體為挖空的圓柱體圓套、邊界是圓柱體外邊，點(diǎn)確定即完成利用3D One軟件繪制R300電機(jī)的外殼。整體效果如圖2。

1.2? 繪制滑片支桿

滑片支桿是卡在鋁合金橫桿的中間，其作用是為了通過移動(dòng)它找到橫桿在水平面的平衡位置又可以把組裝好的整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放在針形支架上使裝置可以繞著支架轉(zhuǎn)動(dòng)起來。用3D One軟件分三個(gè)步驟繪制一個(gè)滑片支桿，如圖3所示，它也是有兩層。雙擊打開桌面3D One軟件圖標(biāo)，新建文件，取名為“滑片支桿”。

（1）下層大長方體

{1}先畫一個(gè)長方體。在命令工具欄中選基本實(shí)體中的六面體命令，把鼠標(biāo)移動(dòng)到坐標(biāo)網(wǎng)格上畫一個(gè)長、寬、高尺寸為60×16×4 mm3的長方體，點(diǎn)擊確定后這個(gè)長方體積木就畫好了。

{2}再畫滑片支桿放在針形支架上對應(yīng)的小孔槽。在命令工具欄中選草圖繪制中選圓形命令，通過轉(zhuǎn)動(dòng)視圖導(dǎo)航器，翻轉(zhuǎn)長方體選擇其下表面為坐標(biāo)面，在其中心位置畫一個(gè)直徑為1 mm的圓形。在特征造型中選擇拉伸命令，選中圓形，在小窗口的布爾運(yùn)算選擇減運(yùn)算，拉伸值填-5 mm表示向內(nèi)摳了5 mm深，點(diǎn)確定后就在長方體下表面出現(xiàn)一個(gè)直徑為1 mm、深5 mm的小孔槽。

（2）上層三個(gè)小長方體

{1}在命令工具欄中選草圖繪制中的矩形命令，先把坐標(biāo)網(wǎng)格選在剛畫的長方體的上表面，畫兩個(gè)長、寬為60×3 mm2和一個(gè)長、寬為60×8 mm2的長方形。

{2}在命令工具欄中選基本編輯中的移動(dòng)命令，把剛畫的三個(gè)小長方形分別移動(dòng)到大長方體上表面的規(guī)定位置。

{3}在特征造型中點(diǎn)擊拉伸，分別拉伸：選中兩個(gè)長、寬為60×3 mm2的長方形向上拉伸5 mm；選中長、寬為60×8 mm2稍大的長方形向上拉伸4 mm。

（3）組合

點(diǎn)擊命令工具欄中的組合編輯命令選擇加運(yùn)算，設(shè)置基體為下層的大長方體、合并體為上層拉伸的三個(gè)小長方體、邊界是長方體外邊，點(diǎn)確定即完成利用3D One軟件繪制的支架。

利用3D One軟件來繪制滑片支桿是很科學(xué)的，因?yàn)樵谥拔疫€嘗試了其他方式，效果都沒有這個(gè)滑片支桿來得好，所以最終選擇利用3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

2? 3D打印繪制的部件與常規(guī)材料進(jìn)行整合

2.1? 利用3D打印機(jī)打印部件

想要利用3D打印機(jī)把繪制好的部件模型打印出來還需要做一些前期的準(zhǔn)備處理工作。首先，在電腦桌面上雙擊打開已經(jīng)用3D One軟件繪制好的部件設(shè)計(jì)圖，點(diǎn)擊3D One軟件界面的菜單欄把設(shè)計(jì)圖另存為擴(kuò)展名為STL的文件，這樣做的目的是因?yàn)?D打印機(jī)和設(shè)計(jì)軟件之間是以STL文件格式為協(xié)作標(biāo)準(zhǔn)的。接著，要將另存為STL文件的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行切片處理，即把繪制好的模型分成厚度均勻的很多層，3D打印機(jī)的路徑就是按這個(gè)分好的層一層一層地打印，如果我們想打印出來的實(shí)體精度高一些就把層的厚度分得小一些，所以分成的厚度決定了打印機(jī)打印的精度。雙擊打開切片軟件Cura，打印機(jī)選用的是極光爾沃A6桌面級3D打印機(jī)這個(gè)型號及其耗材使用的是PLA，在打開的切片軟件的小窗口中找到快速工具欄點(diǎn)擊導(dǎo)入模型按鈕導(dǎo)入剛另存為STL的文件進(jìn)行切片的模型，設(shè)置好左側(cè)參數(shù)欄的各種參數(shù)后點(diǎn)擊切片按鈕（如圖4所示），這個(gè)切片軟件就會(huì)自動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)，使3D打印機(jī)最終獲得一個(gè)可以識別的G代碼文件；導(dǎo)出G代碼，即把導(dǎo)出切片好的模型文件保存到電腦或SD卡中，注意保存Gcode代碼的文件名不可是中文可以是任意的字母或者數(shù)字。最后，聯(lián)機(jī)打印時(shí)，將切片文件數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱蛴C(jī)上，通過打印機(jī)上的觸屏選擇要打印的G代碼文件。

從上面的表述可以看出，使用3D打印機(jī)時(shí)并不像使用普通的文本文件打印機(jī)那樣只需要將文本文件雙擊打開點(diǎn)擊打印就可以直接打印出想要的當(dāng)前文本，而3D打印機(jī)在打印之前要做一系列復(fù)雜的準(zhǔn)備處理工作后才能打印出需要的實(shí)體。

2.2? 教具整合

根據(jù)自制教具“螺旋槳”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇只需要能驅(qū)動(dòng)小扇葉的R300微型直流電動(dòng)機(jī)，同時(shí)想要把電機(jī)固定在事先購買的鋁合金橫桿的一端，但電機(jī)外觀較光滑，沒有辦法直接固定在鋁合金桿上，同時(shí)因?yàn)椴幌胗脽崛勰z來固定，雖然熱熔膠在使用的時(shí)候很方便但是不美觀且不耐用，為了自制教具的美觀耐用，最后還是決定用螺絲、螺母把電機(jī)固定在桿上，這時(shí)就利用3D打印機(jī)打印出來的外殼套在R300電機(jī)外，就可以把外殼底座左右兩端的圓孔與在鋁合金桿上開的孔對齊用螺絲、螺母固定在桿上。電機(jī)需要使用電池供電，就在桿的另一端拿實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)成的電池盒也用螺絲、螺母同樣固定在桿上，如圖5所示。在桿的中段還有一個(gè)用3D打印機(jī)打印的滑片支桿卡在桿的凹槽中間，其作用是通過移動(dòng)滑片支桿找到桿在水平面的平衡位置后可以把整個(gè)鋁合金桿架在針尖支架上，還可以把電機(jī)和電池之間的連接線卡在鋁合金桿的凹槽里。教具整合后的整體效果就是圖1。

3? 自制教具在中學(xué)物理中的作用

3.1? 培養(yǎng)教師素質(zhì)，豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)

自制教具的成功誕生，是教師智慧和汗水的結(jié)晶，即要求教師要有較高的知識水平，在經(jīng)過好幾年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的積累對教材和課程標(biāo)準(zhǔn)及課程方案有較深刻的領(lǐng)會(huì)，又要具有很好的動(dòng)手能力。自制教具的過程中，教師要先弄懂教材的內(nèi)容，在剖析書本知識的時(shí)候出現(xiàn)一種頓悟可以改進(jìn)或創(chuàng)新某種教具的大概樣子，根據(jù)頓悟出的教具輪廓在設(shè)計(jì)、研究、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上去制作出教具的初樣。經(jīng)過多次的實(shí)際操作，改進(jìn)操作過程中不方便、不合理的地方，這一過程需要教師反復(fù)觀察和思考，直到出現(xiàn)最優(yōu)方案，最后拿到教學(xué)中去用才能得心應(yīng)手。教師用心去制作教具的過程，專業(yè)知識得到檢驗(yàn)，思想和意志得到考驗(yàn)，能力得到鍛煉，教師應(yīng)有的素質(zhì)得到了培養(yǎng)同時(shí)豐富了教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

3.2? 激發(fā)學(xué)生興趣，提高課堂效率

物理學(xué)科是以實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，教師自制的教具能夠給學(xué)生帶來親切的感覺還會(huì)讓他們從心里佩服和喜歡自己的老師，從而充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力更有助于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。教師在教學(xué)的過程中通過實(shí)驗(yàn)教具的展示、現(xiàn)象的分析，讓學(xué)生將實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為物理基本模型，不僅強(qiáng)化建模的意識以及提升建模的能力，更重要的是在這個(gè)過程中學(xué)生全程積極參與從而激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣；通過觀察教具展示的現(xiàn)象而對流露出的問題的討論與交流，培養(yǎng)學(xué)生具體問題具體分析的能力，培養(yǎng)實(shí)事求是的精神的同時(shí)提高了課堂的效率。教師通過演示自制教具能夠把高中階段抽象、單調(diào)、乏味的物理知識在學(xué)生的腦海里加深印象，有效地促進(jìn)了教與學(xué)的和諧發(fā)展。

3.3? 減少成本，擴(kuò)展現(xiàn)有教具的種類和規(guī)模

自制教具一般都是教師利用身邊現(xiàn)成的容易進(jìn)行加工的材料加上使用具有科技含量的技術(shù)制作成教學(xué)上有用的教具，因此自制教具的成本一般都比較低，最大的優(yōu)點(diǎn)就是減少了成本節(jié)約了資金。自制教具通常都是教師在備課階段對課本內(nèi)容進(jìn)行處理時(shí)對產(chǎn)生的想法進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施的體現(xiàn)，為的是使書本所涉及的概念和規(guī)律變得更直觀，都是很有針對性的，教師在把教具做好后是能夠保存在實(shí)驗(yàn)室并長期供大家使用的，這樣就豐富了教學(xué)儀器和教具資源。

總之，利用3D技術(shù)繪制打印的部件融入自制教具中體現(xiàn)教師掌握了更有科技含量的技術(shù)使對教具部件形狀大小的選取更自由。在自制教具的過程中也使教師的各種業(yè)務(wù)水平得到提高，自制教具從無到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到精的創(chuàng)新過程，通過言傳身教影響著學(xué)生?！镀胀ǜ咧形锢碚n堂標(biāo)準(zhǔn)解讀》中提到“強(qiáng)調(diào)物理實(shí)驗(yàn)和科學(xué)實(shí)踐”，為了加強(qiáng)對學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，本次修訂加強(qiáng)了物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可見實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要性，這就要求學(xué)校有大量的實(shí)驗(yàn)儀器來滿足新課標(biāo)的裝備標(biāo)準(zhǔn)。教師把3D技術(shù)融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的自制教具中不僅豐富了教學(xué)資源而且創(chuàng)新了教育教學(xué)。