3D打印技術(shù)在元素周期表教學中的應用

劉金翠

摘要：文章展示了制作和使用3D打印的可觸式元素周期表的流程，用3D技術(shù)打印的元素周期表可以直觀地表征元素的原子半徑、第一電離能、電負性等變化趨勢，還可以表征不同元素在人體中的豐度以及每種元素所具有的穩(wěn)定同位素的數(shù)目等。Mathematica軟件可方便地用于制作3D打印元素周期表，在該軟件中既可輸入所需的基本數(shù)據(jù)，也可生成用于3D打印的文件。

關(guān)鍵詞：3D打??；可觸式；元素周期表

文章編號：1008-0546（2022）11-0026-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.006

元素周期律是普通高中化學課程的重要學習內(nèi)容，元素周期表是元素周期律的具體表現(xiàn)形式，是學習化學的重要T具。元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律是學生需要掌握的一個重要化學原理，它揭示了如何從原子序數(shù)遞增的視角分析原子結(jié)構(gòu)對元素性質(zhì)產(chǎn)生的影響。

一、元素周期律（表）的學情分析

在普通高中化學必修課程中介紹了元素性質(zhì)周期性變化的規(guī)律，在后續(xù)的必修以及選擇性必修課程的教學中，這一規(guī)律既會常常被運用于理解和解釋物質(zhì)的性質(zhì)，也將在新的應用情境和更高的學科水平中再次討論。

1．課程標準分析

元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律的重要性體現(xiàn)在課程標準和化學的學業(yè)評價中。在課程標準中明確要求，學生應知道元素周期表的結(jié)構(gòu)，了解同周期和主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律。在選擇性必修模塊的學習中，學生需認識元素的原子半徑、第一電離能、電負性等元素性質(zhì)的周期性變化，了解元素周期律（表）的應用價值。[1]

2．學習困難分析

筆者在教學中發(fā)現(xiàn)，學生在初學元素周期律時常常困擾于和自己的直覺不一致的規(guī)律變化。例如：在同一周期內(nèi)，隨著原子序數(shù)的增加，元素的原子半徑卻逐漸減小，這一點與學生學習之初的感覺并不一致。此外有證據(jù)表明，高中學生往往不能迅速從所給出的元素性質(zhì)的數(shù)據(jù)中觀察并發(fā)現(xiàn)這種周期性變化的趨勢。為了便于學生進行學習，化學教材往往會選擇多種表征方式來為學生展示元素性質(zhì)的遞變規(guī)律。例如：以三維柱狀圖的形式表示元素電負性變化的周期表，這樣的圖表試圖展現(xiàn)出一個三維立體的元素周期表，其中每一個塊柱的高度與所希望表征的元素某一屬性相關(guān)。用一幅圖表來表征元素某一性質(zhì)隨原子序數(shù)遞增而出現(xiàn)的差異，可以幫助學生聚焦于特定性質(zhì)的變化規(guī)律。然而想要在一個二維平面中利用三維坐標系來表征元素周期表中元素某一性質(zhì)的變化趨勢，顯然是較為復雜而抽象的。高中學生在理解和評估復雜圖像中所呈現(xiàn)及包含的信息的能力上往往有限，他們在初學時缺乏必要的圖表閱讀與分析素養(yǎng)來理解、分析和使用這種三維圖像，這也在一定程度上增加了部分學生學習元素周期律（表）的難度。

3．教學方法分析

為了化解教學難度，不少教師在教學中選擇了各種資源對元素周期律進行表征。例如，計算機可視化技術(shù)的發(fā)展使得一些軟件能夠在三維空間中較為直觀地顯示元素性質(zhì)周期性的變化規(guī)律，[2]也有教師運用拼裝積木（如樂高）來嘗試搭建出一個三維立體的元素周期表。[3]也有教師開發(fā)了其他用于表征可視化元素周期律的方法，例如：在二維的周期表中用各元素符號所占據(jù)空間的大小來表示元素某一性質(zhì)的相對大小。這些學習活動與認知模型已經(jīng)運用于高中化學的學習活動中，它們能夠較好地幫助學生從不同視角來直觀認識元素周期律。但是在實際教學過程中也發(fā)現(xiàn)了這些方法存在的一些問題，例如：要基于一塊塊積木搭建元素周期表非常耗時，并且每一塊積木的高度是相對固定的，很難用來準確地表達元素某種性質(zhì)的變化規(guī)律與趨勢。此外，多種顏色的積木塊的視覺效果還會對元素周期律這一學習目標造成一定的干擾。

二、3D打印元素周期表的創(chuàng)建與制作過程

3D打印技術(shù)與3D模型已經(jīng)在一定范圍內(nèi)應用于化學的教育教學活動中，例如：3D打印的晶胞結(jié)構(gòu)模型，這一技術(shù)能夠通過視覺和觸覺向?qū)W生傳遞更多維度的較為豐富的信息。3D打印技術(shù)可用于創(chuàng)建和制作元素周期表的實物模型，這些模型可以用一種類似于地形圖的方式來表征元素某種特定性質(zhì)的變化趨勢。類似于晶胞的3D打印，教師可以打印出反映不同性質(zhì)變化規(guī)律的元素周期表模型，還可以根據(jù)需求調(diào)整模型的大小尺度，這些元素周期表模型可以用于個人學習、小組學習或者課堂上的交流展示。

1．硬件及軟件

從原理上來說，3D打印的元素周期表的本質(zhì)是一種將表面投射到第三維度空間的模型，因此其在垂直維度上無需進行較為復雜的設(shè)計。在機械加T術(shù)語中，這種模型也被稱為2.5D模型。因此，3D打印的元素周期表的設(shè)計與制作相對比較簡單，用普通的3D打印設(shè)備及材料就可以進行。

設(shè)計3D元素周期表首先需要一個能夠創(chuàng)建三維模型并生成基本數(shù)據(jù)的軟件，筆者選擇了來自Wol-fram Research（ Wolfram．com）的Mathematica軟件。這一編程軟件可用于設(shè)計三維模型，且軟件中提供了關(guān)于許多模型信息的數(shù)據(jù)包。筆者使用的電腦系統(tǒng)為Windows 10，軟件為Mathematica version 11.3，導出的文件為stereolithography（ STL），使用的是一個基于熔融沉積建模（FDM）的3D打印機，用于FDM的熱塑性塑料是聚乳酸PLA。所設(shè)置的打印物體的層高為0.2毫米，打印機帶有加熱床，溫度設(shè)置為打印機供應商所推薦的210℃。

2．設(shè)計流程

設(shè)計一個3D元素周期表的步驟如下：首先啟動Mathematica軟件，加載元素周期表（P Trends）數(shù)據(jù)包，選擇想要表征的元素特定性質(zhì)的周期性變化趨勢。在Mathematica的數(shù)據(jù)包中提供了元素的若干數(shù)據(jù)信息，如原子半徑、第一電離能、電負性等，制作時可以從數(shù)據(jù)包中直接選擇相應的數(shù)據(jù)并導人軟件。若在數(shù)據(jù)包中沒有想要的關(guān)于元素某特定性質(zhì)的信息，制作者也可以自己制作一個電子表格，將相應的數(shù)據(jù)導人軟件。接下來需要設(shè)置所需三維模型的大小，并為模型添加相應的標題。最后將對象導出為Stereolithography（STL）格式的文件，并將STL文件提交給3D打印機。

在制作過程中需要注意的是，在使用周期性趨勢數(shù)據(jù)包（periodic trends package）時應加載的是“《PTrends.wl”。關(guān)于數(shù)據(jù)包更詳細的使用說明，可以在Mathematica軟件的支持菜單中找到并閱讀。簡單地說，創(chuàng)建具有所需特定性質(zhì)變化趨勢的模型需要經(jīng)歷兩步操作，第一步是“Get Info[]”，該步驟是獲取基本數(shù)據(jù)并生成要打印的值；第二步是“make STL[]”，該操作是生成一個三維對象，再用“Export”將其轉(zhuǎn)換為一個STL文件，這樣生成的STL文件就可以在與3D打印機相連的電腦上直接打印。點擊“table／／pretty”，則可以在電腦上顯示出將要打印出的模型。

3．問題與討論

Wolfram平臺提供了許多有用的數(shù)據(jù)包，其中就有Element Data（關(guān)于元素的數(shù)據(jù)），在網(wǎng)站W(wǎng)olfram．com上能夠找到該數(shù)據(jù)包的源代碼。Element Data數(shù)據(jù)包中共有86個關(guān)于元素的不同屬性資料，其中56個是以具體數(shù)值的形式呈現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)可用于分析元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律。例如：原子半徑隨原子序數(shù)遞增的變化規(guī)律。在圖1的所示的元素周期表3D打印模型中，每種元素小塊的高度與該元素的原子半徑成正比。

筆者用Element Data數(shù)據(jù)包所提供的數(shù)據(jù)打印的周期表中包含了s區(qū)、p區(qū)、d區(qū)和ds區(qū)的元素，f區(qū)元素沒有打印。這是因為f區(qū)元素的某些性質(zhì)在數(shù)據(jù)包中有缺失。在打印時筆者根據(jù)一定的縮放比例對原子半徑的數(shù)據(jù)進行了處理，以創(chuàng)建具有合適高度的模型。在進行打印時，筆者設(shè)置的高度（z-height）為18毫米，層高（layer height）為0.2毫米，這樣可以通過視覺區(qū)分出鉭和鎢這兩種元素在原子半徑上的差異（兩者的原子半徑分別為200 pm和193 pm）。最終所打印出的模型的長度和寬度也可以根據(jù)需要進行設(shè)置和調(diào)整，當然，模型的長度和寬度也受到打印機性能（如熱端直徑和床身尺寸）和所需打印時間的影響。

用上述方法可以打印出能夠反映各不同變化趨勢的元素周期表，例如：打印出反映元素第一電離能、電負性等變化趨勢的周期表。要注意制作反映元素第一電離能周期性變化的3D周期表時需要對數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)進行預處理，因為數(shù)據(jù)包中列出了各元素已知的各級電離能數(shù)據(jù)。制作者可以對數(shù)據(jù)進行選擇和處理，創(chuàng)建出各類不尋常的元素周期表，例如：反映各元素所擁有的穩(wěn)定同位素數(shù)目多少的周期表。在這張表中學生可以很快發(fā)現(xiàn)一些不尋常的元素：例如锝，這是原子序數(shù)在83以下的唯一一種沒有穩(wěn)定同位素的元素；還有錫，在該3D周期表中可以發(fā)現(xiàn)其具有的穩(wěn)定同位素數(shù)目最多。值得一提的是，對數(shù)據(jù)包中所提供的元素信息進行整合與處理，還可以創(chuàng)建出新的數(shù)據(jù)，打印出新的模型。例如，可以利用元素的電離能和電子親和勢這兩個數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)包，從而制作能反映皮爾遜酸堿絕對硬度的可視化元素周期表，可用于參加化學競賽學生對于反應機理的解釋，幫助學生了解化學性質(zhì)和反應的主要驅(qū)動因素。

三、模型的應用價值

筆者所使用的3D打印機打出的周期表尺寸為80x25x20 mm3，尺寸比較小，重量也很輕，不到10克。若每種元素小塊的邊長為6 mm，所打印出的周期表長度為108 mm（不包括基部）；若每種元素小塊的邊長為8 mm，打印出的周期表長度約為150 mm，稍大一些更適合學生的觀察和使用。在這種情況下即使用相對較貴的熱塑性塑料PETG，用基于FDM的3D打印機打印制作時，每個周期表的材料成本也不到10元。如果實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，可使用具有更高分辨率的新型材料，如進行熔融沉積建模或使用激光燒結(jié)塑料，模型的制作成本會高一些。

教師在熟悉Mathematica數(shù)據(jù)包的使用和3D打印機的操作以后，便可以根據(jù)學習需要為學生創(chuàng)建多元化的周期律學習T具。例如：在討論1-36號元素核外電子排布的構(gòu)造原理時，會遇到“例外”的情況，其原因在于d5構(gòu)型具有一定的穩(wěn)定性。如果打印出反映元素外圍軌道上的電子數(shù)目的周期表，可以幫助學生發(fā)現(xiàn)哪些元素的核外電子排布不遵循構(gòu)造原理，并認識到d5構(gòu)型穩(wěn)定這一規(guī)律在解釋原子核外電子排布時的有效性。在這一過程中使用3D周期表，可以使教師將學生的認知行為從事實性記憶轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shù)據(jù)的關(guān)注和分析，從而有助于學生從直觀感受和數(shù)據(jù)分析兩個視角來認識和討論元素一些性質(zhì)的變化趨勢和規(guī)律。

此外，在創(chuàng)建3D元素周期表的時候還可以更改所使用的文字信息。例如：可以用盲文生成3D元素周期表。當然，為了滿足盲文凸出顯示的標準和要求，制作時需要對3D打印的盲文對象進行設(shè)置。打印時每個元素小塊的長度需選擇11 mm，這樣最終打印出的周期表長約200 mm。可見，3D打印元素周期表具有多元、靈活的特點，為不同的教學對象以及教學中關(guān)注的不同側(cè)重點提供了豐富變化的選擇。

筆者嘗試基于3D打印元素周期表開展了相應的學習活動，旨在幫助學生學習元素的第一電離能和電負性變化趨勢?；顒又忻?位學生分為一組，每組學生有兩個3D元素周期表，一個是反映元素第一電離能變化趨勢的，另一個是反映元素電負性變化趨勢的。學生通過了解兩個3D元素周期表所提供的直觀信息，在觀察和交流討論中完成課程標準中有關(guān)元素第一電離能和電負性變化的學習要求。對于學生參與這樣的活動需要怎樣的課程教學材料和學習活動設(shè)計這一問題，教學中所觀察到的學生學習過程提供了很好的參考。在學習過程中所有小組的學生都能夠正確描述同周期、同主族元素第一電離能及其電負性的變化規(guī)律。在學習任務中也設(shè)計了一個問題，在給學生的3D元素周期表中留有幾個空格未打印，要求學生預測這幾種元素的第一電離能和電負性的大小范圍，各組學生也都正確地回答了問題。學生在學習活動中的總體表現(xiàn)說明，3D打印元素周期表具有較強的直觀性，有利于學生對于元素性質(zhì)周期性變化規(guī)律的學習。同時在活動中也發(fā)現(xiàn)，3D打印的周期表不宜太小，否則不便于他們的觀察和分析。

四、結(jié)論

個性化的模型制作可以為教學與學習提供新型而有效的工具，以豐富化學概念與原理教學的手段和方式。將3D打印技術(shù)與數(shù)據(jù)信息平臺（如Mathemati-ca）相結(jié)合，可以充分開展個性化的教學材料設(shè)計與制作，制作包含所需數(shù)據(jù)信息與教學功能的3D元素周期表模型。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部，普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[M]．北京，人民教育出版社，2020．

[2]Saleem，S.GraphOverflow： 3D Periodic： Table of Elements.http：//graphoverflow. c：om/graphs/3d-periodic：-table.html（accessed Oct 2018）.

[3]Melaku，S.; Schreck， J.O.; Griffin，K.; Dabke，R.B..Inter-locking Toy Building Blocks as Hands-On Learning Mod-ules for Blind and Visually Impaired Chemistry Students[J].J.Chem.Educ.2016，93（6），1049-1055.