“ 印” 证物理：基于 3D 建模的初中物理自制教具的创新开发与应用策略研究

传统初中物理教具多依赖于教师的手工剪裁和拼接，它的精度较低，功能较为单一。3Done 软件弥补了传统教具的局限，依托其设计的模型可以精准控制教具关键部位的尺寸和结构，实现复杂的结构搭建，提升教具的实用性和互动性，让学生在动手操作的过程中提升空间思维能力，并在跟随教师的引导中设计出心中的作品，以此培养学生的创新思维和创造力，所以将 3D 建模应用于初中物理自制教具中势在必行，下文我们将基于多方优秀教学案例总结出一套基于 3D 建模的初中物理自制教具创新开发与应用的实操框架，落实以生为本的教育理念，让学生在操作、设计与优化教具的过程中深化对物理原理的理解，将学科核心素养在初中物理课堂落地生根。

一、聚焦教材难点，开发可视化教具，破解抽象概念理解困境

初中物理中包含多个抽象概念，像力的合成与分解、电磁感应等都涉及微观过程或不可见的力场，传统教具在这一方面就显得力不从心，它难以直观呈现真实物理场景，让学生理解起来非常困难。而 3D建模技术便可通过具象化的设计将抽象原理转化为可见结构设计具有可拆解、可动态演示特点的教具，以此帮助学生建立直观认知。

例如，我们创新开发与应用“力的合成平行四边形定则”演示教具。教师利用 3Done 设计力的合成演示器——底座带刻度圆盘（方便读取力的方向），中央固定橡皮筋连接点（连接点处安装微型激光发射器，可在底座投射光点），两侧各有可滑动的力臂（带滑槽，可调节角度），力臂末端连接弹簧测力计，滑槽内嵌入力的方向指示线（3D 打印时一体成型），当分力变化时，光点位移直观显示等效合力的作用效果（解决传统实验仅靠橡皮筋形变判断等效性的模糊性）。然后教师演示该创新教具的使用流程，如固定两个分力的大小和角度（如 3N、4N，夹角 90^∘ ），让学生观察激光点位置；再用一个弹簧测力计拉橡皮筋至同一点，读出合力（5N），直观验证平行四边形对角线与合力的关系。并让学生主动探究调整力臂角度（如 60^∘ °、 120^∘ °）记录分力与合力数据，用 3DOne 软件绘制不同角度下的力的平行四边形，自行归纳其规律。

二、融合生活场景，开发情境化教具，强化物理与生活的联结

新课标强调从生活走向物理，从物理走向社会，但是传统的初中物理教具多为标准化的实验装置，它们与学生的生活经验脱节严重。所以教师从生活中汲取真实问题、场景素材和经验灵感，然后结合学生熟悉的生活场景（如家庭用品、校园设施）与 3D 建模技术融合进行设计，让学生在生活化的情境中理解物理原理，增强他们知识的迁移能力。

例如，我们创新开发与应用“厨房水龙头水流压强演示”教具，教师从学生熟悉的厨房场景切入，引出为什么旋转水龙头开关，水流会从柱状散开这一问题；然后利用3D 建模设计1:3 比例的水龙头模型，将核心结构替换出水口模块（3D 打印不同内径的喷头，如 2mm 、5mm ）和带刻度的透明接水槽，底座嵌入微型水泵（连接 3V 低压电源）模拟不同水压下的水流状态；并在教学中，让学生拆装模型观察内部结构，再通过更换喷头、调节水泵功率记录水流散开的角度与出水口内径、水压的关系，以此直观理解流速越大，压强越小的原理；课后结合校园直饮水龙头的使用场景优化结构问题，引导学生主动用3Done 设计节水型喷头并阐述其设计原理，让物理知识从厨房延伸到校园生活。

三、整合数字技术，开发虚实结合教具，拓展跨时空探究维度

3D 建模不仅能制作实物教具，还可结合数字技术（如 AR、动画模拟）实现虚实结合的教学艺术。教师通过 3D 打印实物承载的物理结构，用软件生成虚拟动态的效果（如不可见的力场、微观粒子运动）来弥补实物教具无法展示抽象过程的局限。

例如，我们创新开发与应用“磁体周围磁场分布”教具。教师利用 3Done 设计磁场可视化底座 , 在其表面印上坐标网格，中央放置可旋转的条形磁铁（3D 打印外壳，内置强磁铁），底座边缘安装四个霍尔传感器（连接显示屏，显示磁场强度数值），通过 3Done 的 AR 关联功能，将底座坐标与手机 APP 联动，让学生用手机扫描底座将其投射到屏幕上，叠加的虚拟磁感线动画（方向随磁铁旋转同步变化）和传感器数值实时标注虚拟磁感线来实现实物磁铁 + 虚拟磁感线 + 量化数据的融合，并在教学中引导学生在实操中探究用 3Done 设计不同形状磁铁（如U 形、环形）的磁场底座，预测磁感线分布并通过AR 验证，以此培养他们的空间想象能力。

结语

3D 建模在初中物理自制教具中的应用重构了教与学的关系，它让教师从教具使用者变为创新设计者，让学生从被动观察者变为主动探究者。它打破传统教具静态单一被动的局限，让教具成为链接物理原理和生活实践的桥梁，让学生在教学互动与实践中激发创造力和科学探究精神，实现从纸上谈兵到实践求证的认知跃迁。

参考文献：

[1] 杨红兴 . 初中物理实验教学应用 VR/3D 虚拟实验的实践研究[J]. 中国现代教育装备 ,2023(20):56--57.

[2] 纪效彬 . 核心素养下初中物理自制教具在高效课堂中的作用[J]. 数理天地（初中版）,2024(06):88-90.本文系2023 年度福州市教育信息技术研究课题《基于“3Done 类”软件的中学自制教具开发与应用》（课题编号 FZDJ2023A10）的研究成果