浅谈利用3D打印模型辅助物理模型建构

童有彩　张安军

摘要：物理是我国中学基础教育中的重要科学。将3D打印技术运用到物理课堂教学和学生实际问题分析的过程中，可以将课本练习中物理情境以实物模型展现在学生的面前，从而辅助教师教学，帮助学生学习。3D打印技术，让物理情境不再是单纯依靠想象，而是变为真实的观察、触摸、感知的模型，增强学生物理学习真实体验。

关键词：3D打印技术辅助教学力学

力学是高中物理知识体系中非常重要的部分。当在课堂实际教学中涉及一些较为抽象的力学物理模型时，我们往往希望能够将物理模型整体展示给学生看，同时让学生从不同角度观察物理模型。物理模型的多角度演示，可以让学生观察得更全面更充分，降低他们理解抽象物理模型的难度，并且让他们在理解力学概念等知识的同时，增强自身空间想象能力和空间建构能力。在实际教学中，每当需要进行实物模型展示时，为了达到更深层的教学目的、取得更好的教学效果，我们经常会引导学生观察模型的立体图、三視图或者截面图，然而图片难以让学生获得足够的视觉刺激，学生听课效率不高，理解吸收比较慢。当孩子独立遇到书本或练习中设立的物理情境时，模型的立体性、多样化往往会让孩子难以思考全面、无法分析准确。3D打印技术的日益发展与成熟，为物理教学提供了多一种可能。

一、3D打印技术简介

3D打印又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，利用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的一种快速成型技术。我们可以把一些平日只存在于书本中的物理情境图，利用3D设计软件做出三维图，再通过3D打印机将其变成真实可触的模型供孩子们学习使用。

二、利用3D打印制作物理基础模型

其实很多物理模型并不复杂，一般是把物体理想化为质点、木块、小球、木板，物体之间一般直接接触或通过轻绳、轻杆、橡皮筋或弹簧连接，物体置于水平面、斜面以及圆弧轨道、管道等曲面中。这些基础模型我们完全可以通过3D打印直接制作出来，用于孩子们课上课下学习使用。由于3D打印材料本身成本不高，我们完全可以打印出成套模型，每套配有多个木块、小球、环、杆、斜面等多个模型，来满足教学活动中不同情景需要。利用3D打印可以直接打印出想要的尺寸，可以制作较大的模型供教师演示，也可以制作小模型发给孩子们使用。利用3D打印可以直接制作一些尺寸匹配的配套模型，打印一些尺寸样式一样的模型等。

三、利用基础模型组合力学常见模型

（一）辅助力学模型教学演示

基础模型打印制作完毕后，我们就可以根据课本和练习中所设立的情景利用模型辅助教学。以人教版必修第一册为例，在共点力平衡中的所描述的一些情景中，如斜面上的小球在竖直挡板的作用下保持静止这一模型的受力分析。利用3D模型学生可以直观感受到小球的受力情况。只需要撤去挡板或者轻微移动挡板，学生就会发现模型变化情况，通过这种方式，孩子们很容易明白斜面和挡板起到的作用，以及它们之间弹力作用效果。这将有助于加深孩子对弹力的大小方向等概念规律的理解。

教材中还给出过一台空调外机用两个三角形支架固定在外墙上的图片，而课本给出的实物图只是一个侧视图，学生根本看不到有两个支架。学生需要通过结合图片解读题目，并且凭借生活经验来理解整个模型的样子。教师在进行这个模型的分解讲解时，一般需要画出相应的立体图或正视图来配合教学。而利用3D打印模型进行简单的组合，就能够把这个情境真实地展现在学生面前。学生自然就能通过观察，快速抓住这个模型的特点，理解支架在这个模型中的作用。

由于生活中的很多弹力是由微小形变导致的。所以单看图片展现的情景学生很难知道是否有弹力的存在，以及弹力的大小和方向，只能通过一些物理方法和学过的物理概念规律来侧面地对物理情景进行分析和判断。而由于分析得来的结论很难得到真实的验证，学生其实一直都在理论层面上学习物理，被动掌握物理的方法、理解物理的规律，又如何能将所学的物理知识规律用于生活实际问题分析呢？

（二）辅助力学模型受力分析

相互作用力与弹力的教学中经常会给出一些物理情境，让学生判断弹力的有无。例如把一个小球放在水平面或曲面上，旁边紧挨着放一个立方体或者球体。判断两者之间是否有弹力。对于这一类问题我们可以运用假设法，或者利用简单的平衡力知识去分析判断弹力的有无。但其实究竟有没有弹力？现实中是否真的如此？学生是无法去验证的，最终他们只能也只是通过固有的理论去分析。如果我们能把这个情境以实物的方式展现在学生面前，学生只要把旁边的物体挪走。看看小球动不动就能判断之前两个物体之间是否有挤压，是否有弹力。这样通过实际情境的观察感知，再上升到理论的分析，最后得到结论理解物理概念规律。这样更符合物理知识规律的理解认知的建构。

掌握弹力和摩擦力大小、方向的判断一直是教学的重点难点。例如，将一个轻质小环或小球套在杆上。“就像串糖葫芦一样。”我们经常需要通过这样的比喻描述来帮助学生理解这样的一个模型所展示的情景。但即便如此孩子也很难仅仅通过观察图片就能快速理解情景，对其中的受力进行准确分析。学生其实内心有很多疑问，杆是如何给小球弹力的作用，摩擦的作用？所给的弹力和摩擦力又是朝着什么方向？为什么小球只能沿杆方向运动？为什么小球在垂直杆方向一定是受力平衡的？其实，有的时候我们也在想要是能把这么一个模型直接放在孩子面前，让他们看该多好，会大大促进他们对这个模型的理解。

我们可以根据需要让小球静止或者运动，学生自然能观察到小球只能沿着杆运动，可以很轻松地理解弹力在其中起到的作用，我们可以调整杆的角度或者施加外力让小球相对杆静止或运动，学生也很容易发现摩擦力的种类和方向也随之改变，有的时候只需让孩子看得真切，就能降低他们理解的难度，而3D打印技术能够打印出我们所需要的模型，起到很好的辅助教学的作用。

责任编辑：黄大灿2827F5D8-C1DA-4E93-8FD2-46ABC46B9726