3D打印技术辅助自制实验仪器的尝试*

3D打印技术是一种在数字化模型构建的基础上，以粉末状金属或塑料等可粘合材料进行逐层打印的快速构造物体的新型技术[1]。《普通高中信息技术课程标准(2017年版)》[2]将“三维设计与创意”纳入选修模块，鼓励将3D打印技术应用于基础教育。3D打印技术融入中小学各个学科已成为创新教学的新亮点[3]。

一、当前演示实验有待解决的问题

演示实验是中学化学教学中极为重要的组成部分。然而，受设计思路、实验仪器、装置、药品等因素影响[4]，实验耗时长且效果不够明显，因而为赶教学进度往往选择少做实验，甚至不做实验。具体体现在以下几方面：(1)耗时长，效果不佳。部分实验所需的仪器种类繁杂且操作步骤复杂而占用过多的时间，再加上由于部分仪器陈旧或缺乏、药品不齐全等因素，往往会导致现象不明显，教学效果不佳。(2)部分实验易造成环境污染，甚至损害师生身体健康。部分实验有一些既具有知识代表性又充满“危险信号”，极易逸出有刺激性气味的或有毒气的气体，往往成为教师既想用于教学又对实验心生忌惮的实验，如氯气的制取与性质检验等。(3)部分实验虽经典，但缺乏趣味性。随学生对实验趣味性的要求越来越高，优化并实施趣味实验更能激发学习兴趣，掌握实验原理，促进“科学探究与创新意识”素养的培养与落地。

二、用CATIA软件构建3D模型

具体步骤如下。(1)打开CATIA V5R20软件，单击“开始”创建Part文件，根据需要选取xy，yz，zx平面中的任一平面来绘制自定义二维草图，其中草图中直线、曲线、圆弧等各线段的尺寸可以精确到0.1 mm。(2)在绘制完成二维草图后，退出草图绘制界面，单击“插入”→“基于草图的特征”→“凸台”，在定义凸台对话框中设置凸台的长度参数。(3)在创建完成凸台特征后，单击“插入”→“基于草图的特征”→“孔”，在定义孔对话框中设置孔的形状、直径、深度等参数；同时可单击“插入”→“变换特征”→“圆形矩阵”，在定义圆形矩阵对话框中设置孔的数目、实例与角度间距等参数。(4)检查3D模型草图的设计参数，单击“测量”工具栏中的“测量间距”，在测量间距的对话框设置两对象间的距离及角度等参数，确保模型厚度大于1 mm。(5)单击“开始”→“另存为”，以STL，OBJ，STP，IGS等3D打印机能识别的格式输出模型图。具体设计界面及设计成品如图1、图2所示。

图1 CATIA V5R20软件设计界面

图2 CATIA V5R20软件设计成品

三、自制化学实验仪器的尝试

秉承“微型化”与“一体化”理念，在《普通高中化学课程标准(2017版)》[5]中“化学科学与实验探究”主题的指导下，选取玻璃杯为反应容器，以3D建维及3D打印技术来设计高精准度的带孔架子、有孔盖子、无孔盖子等零件，以凡士林为润滑剂来增强气密性，自制出适用于性质检验、制备探究、分子性质探究、趣味实验等仪器，为实验赋予新的诠释。

1.氯气性质检验实验

(1)装置

以玛格丽特鸡尾酒玻璃杯为反应容器，结合注射器及3D零件，设计氯气性质检验的实验装置(如图3所示)，其中1～5号检测区分别是由湿润pH试纸、湿润蓝色石蕊试纸、淀粉KI试纸、蘸有品红溶液的脱脂棉、蘸有NaOH及酚酞溶液的脱脂棉等部分组成。

图3 氯气性质检验的实验装置

(2)步骤

将KMnO4放于玻璃杯底部，横向放置带孔架子，垂直放置细导管，设置1～5号检测区，再放置装有碱石灰的有孔架子，盖上边涂有凡士林的无孔盖子，用注射器往细导管中注射浓HCl溶液，观察KMnO4固体及1～5号检测区，最后注射NaOH溶液进行尾气处理。

(3)现象

北欧、西欧和南欧2017年的核电装机容量为110.5 GWe。该地区核电容量在2030年、2040年和2050年的高值情景预测值分别为97 GWe、94 GWe和73 GWe，低值情景预测值分别为66 GWe、48 GWe和34 GWe。

底部的KMnO4与浓HCl的混合液冒出大量气泡，装置由无色透明变为黄绿色，最后湿润pH试纸先变蓝色后变无色，湿润蓝色湿润试纸先变红色后变无色，淀粉KI试纸先变蓝色后变无色，蘸有品红溶液的脱脂棉褪色，蘸有NaOH与酚酞溶液的脱脂棉褪色。

(4)结论

氯气具有强氧化性、漂白性，溶于水呈酸性。

2.分子运动探究实验

(1)装置

以V型鸡尾酒玻璃杯为反应容器，结合注射器及3D零件设计分子运动的实验装置(如图4所示)。

图4 分子运动实验装置

(2)步骤

将滤纸剪成若干朵小花，并将其浸泡在1 g酚酞、100 mL 95%酒精、100 mL蒸馏水混合溶液中，用电吹风将小花吹干并将其悬挂在干树枝的枝条上；向玻璃杯倒入浓氨水，迅速加入悬挂含酚酞及酒精小花的干树枝，再用涂有凡士林的无孔盖子盖紧玻璃杯，用电吹风提高温度，观察现象，最后注射稀盐酸进行尾气处理。

(3)现象

干树枝上悬挂的小花由下而上逐渐变粉红，浓氨水由无色变为粉红，在热风下浓氨水冒气泡且红色加深，同时小花颜色加深，尾气处理时浓氨水及小花的红色逐渐褪去。

(4)结论

分子间存在空隙，分子在不停地做无规则运动。

3.茶水变身趣味实验

(1)装置

以吸血鬼鸡尾酒玻璃杯为反应容器，以3D打印技术制作出无孔盖子等零件，设计茶水变身趣味实验的实验装置(如图5所示)。

图5 茶水变身实验装置

(2)步骤

在无孔盖子内侧滴入含Fe3+的溶液并用电吹风将其风干，同时向玻璃杯尾部注入高浓度草酸溶液并用电吹风将其风化；将少量茶叶放置于玻璃杯底部，向玻璃杯中倒入适量的热开水，盖上内侧涂有凡士林的无孔盖子，慢慢将茶水向无孔盖子倾斜，再慢慢将茶水向玻璃杯尾部倾斜，重复几次实验。

(3)现象

用电吹风风干时无孔盖子内侧与玻璃杯尾部均析出并附着一定量固体；而将茶水向盖子倾斜时茶水由黄变黑，再向尾部倾斜时茶水恢复黄色，重复实验仍观察到同样现象。

(4)结论

茶水含有的单宁酸与Fe3+反应生成黑色物质，而草酸能将Fe3+还原成Fe2+。

四、结语

经长期的尝试与探索，3D打印技术辅助自制实验仪器取得了阶段性进展，为实验室增添新装备，为3D打印技术服务于化学教学指明新方向，为实验赋予新诠释。首先，选取玻璃杯为反应容器，以CATIA V5R20软件构建3D模型，继而打印出精确度极高的零件，从而打造出新的实验装备。3D打印技术作为一种新型技术而逐渐应用于教育领域，虽然在探索路上困难重重，但在尝试以3D打印辅助自制实验仪器的探索中取得较好的实验效果，将其应用到实处，印证了3D打印技术具有很大的发展前景。新实验装置诠释了一个不一样的实验，增添实验趣味性，促使学生“科学探究与创新意识”素养的培养与落地。