《中藥鑒定學(xué)》性狀教學(xué)引入3D紙模型構(gòu)建技術(shù)初探

車蘇容 蘇碧麗 魏政熙 文 琛 曾 松

（福建中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，福州，350108）

《中藥鑒定學(xué)》性狀教學(xué)引入3D紙模型構(gòu)建技術(shù)初探

車蘇容 蘇碧麗 魏政熙 文 琛 曾 松

（福建中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，福州，350108）

《中藥鑒定學(xué)》性狀教學(xué)的是直觀形態(tài)教學(xué)為主的學(xué)科，教學(xué)用藥材樣本易變質(zhì)受損，部分藥材價(jià)格昂貴。3D紙模型技術(shù)的發(fā)展，物美價(jià)廉、表現(xiàn)力強(qiáng)，具有諸多優(yōu)勢(shì)，成為一個(gè)潛力具大的教學(xué)手段，引入本學(xué)科的教學(xué)將對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來(lái)改變。

3D紙模型；中藥鑒定學(xué)；性狀；教學(xué)

《中藥鑒定學(xué)》是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科，尤其是性狀鑒定這一手段，需要大量觀察表觀特征和總結(jié)性狀特點(diǎn)，所以實(shí)物的觀察是經(jīng)驗(yàn)積累的根本方法。但是中藥材多為植物性和動(dòng)物性藥材，標(biāo)本和樣品均有壽命，容易因氧化、光照、分解、發(fā)霉、長(zhǎng)蟲(chóng)等各種因素而變質(zhì)變形。再加上在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，為便于記憶，教學(xué)樣品均要有強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)特征，即符合性狀術(shù)語(yǔ)（經(jīng)驗(yàn)術(shù)語(yǔ)）的藥材，才能達(dá)到“觀一木知森林”的效果。但是好的藥材收集不易或價(jià)高易損耗，成為許多教學(xué)單位的長(zhǎng)期困擾。

紙模型是以紙為主要制作材料并以封閉部件組合起來(lái)的比例模型，國(guó)外對(duì)紙模型的叫法有Papermodel、Paper craft、Card model等等。3D紙模型的技術(shù)是用紙作為媒介，構(gòu)建立體模型的技術(shù)。過(guò)去多為手繪，手法簡(jiǎn)單，多用于兒童玩具或模型愛(ài)好者的小制作。近年來(lái)，由于電腦3D技術(shù)的快速發(fā)展，許多功能強(qiáng)大的3D模型設(shè)計(jì)軟件大量出現(xiàn)，將人物或建筑造型等提高到一個(gè)高仿真度的水平，細(xì)節(jié)表現(xiàn)極強(qiáng)；數(shù)字拍照技術(shù)的大幅提高和3D貼圖技術(shù)的出現(xiàn)，更使3D數(shù)字模型栩栩如生；3D開(kāi)模軟件的出現(xiàn)，更是實(shí)現(xiàn)了將3D模型轉(zhuǎn)化為平面圖紙的可能，通過(guò)紙模的粘貼和其他簡(jiǎn)單的輔助手段，許多高仿真度的模型便可展現(xiàn)在我們眼前。隨著打印技術(shù)的普及和紙張的多樣化，紙模型的成本大大降低，成為一項(xiàng)實(shí)用、價(jià)廉，高表現(xiàn)力的展示手段，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、機(jī)械汽車、船艦飛機(jī)、服裝設(shè)計(jì)等多領(lǐng)域。在化學(xué)［1-4］、物理學(xué)［5］、醫(yī)學(xué)［6-7］等教學(xué)的領(lǐng)域也開(kāi)始出現(xiàn)了探討應(yīng)用。

近年來(lái)，在日本及臺(tái)灣等地一些機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了制作高仿真動(dòng)植物紙模型展示的的應(yīng)用和研究，但目前尚未廣泛推廣。筆者及團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)研、學(xué)習(xí)和嘗試，已經(jīng)初步掌握了這項(xiàng)技術(shù)，將我們的體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)在這里作一介紹和總結(jié)，希望能得到更多同行的興趣和關(guān)注，促進(jìn)本學(xué)科的教學(xué)手段的多樣化和教學(xué)水平的提高。

1 制作條件

1.1 制作材料及工具

1.1.1 紙張 目前市場(chǎng)主流主要為白色卡片紙（質(zhì)量從140～300g不等），主要有光澤照片紙（Glossy Photo Paper）、亞光照片紙（Photo Quality inkjet Paper）、重磅粗面紙（Matte Paper Heavy weight）等。為了適應(yīng)打印機(jī)幅面，家用多為A4，商用多為A4或A3。另外，銅版紙、珠光紙等紙張的應(yīng)用也較常見(jiàn)。

1.1.2 打印機(jī) 多為彩色噴墨打印機(jī)，目前也有彩色激光打印機(jī)開(kāi)始應(yīng)用。打印方式多為滾動(dòng)式，也有少量商業(yè)打印機(jī)為平推式，可用于更厚紙張或紙板。

1.1.3 剪粘設(shè)備 除傳統(tǒng)的剪刀、膠水以外。為了達(dá)到更好的效果，制作工具有了專業(yè)刻刀、鋼尺、劃痕筆、各種規(guī)格的鑷子及固定夾、牙簽和竹簽、PVC自修復(fù)刻板墊，打孔器等；膠水根據(jù)干燥固化的速度也有普通膠水、白乳膠、AB膠及502膠等。

1.1.4 填充設(shè)備及材料 立體紙模中空，為了增加其穩(wěn)定性，內(nèi)部需要填重物或固定物，目前有泡沫塑料、紙張、棉花及其它纖維織物、干燥劑等。

1.1.5 補(bǔ)色及定色工具 紙模粘貼后，常出現(xiàn)白邊，需要補(bǔ)色以達(dá)到最佳效果，所用工具多為水彩筆、馬克筆及聚丙烯顏料等。許多打印或水彩顏料會(huì)在光照或其它因素影響下褪色，所以需要定色液、清漆等防護(hù)涂料以達(dá)到保護(hù)持久的效果。

1.2 軟件

1.2.1 建模軟件 紙模按制作的不同方式可以分為平面繪圖軟件建模和3D設(shè)計(jì)軟件建模。平面繪圖軟件多為矢量繪圖軟件，目前較為廣泛的如AutoCAD、coralDraw、illlustrator、painter等，3D設(shè)計(jì)軟件則為3Dmax、Maya、sketchup、Rino、六角大王等。

1.2.2 貼圖素材處理軟件 3D模型的外表面需要貼圖，高仿真模型的表面許多以照片為素材，所以常規(guī)的照片處理軟件如photoshop、Acdsee等都是常用工具。

1.2.3 開(kāi)模軟件 Pepakura Designer（紙藝大師）是目前最常用的開(kāi)模軟件，可以將3D模型轉(zhuǎn)成2D平面圖紙，從而實(shí)現(xiàn)打印制作紙模型。

2 制作步驟

2.1 對(duì)象分析 收集藥材或表現(xiàn)對(duì)象的素材，包括圖片、實(shí)物、文字材料。由于目前《中藥鑒定學(xué)》的對(duì)象材料在學(xué)科應(yīng)用中，多為了區(qū)別同名異物品、地方習(xí)用品或偽品，大多文獻(xiàn)的文字資料多為定性描述，測(cè)具體數(shù)值較少且即使用有也多為一個(gè)范圍。這對(duì)模型制作沒(méi)有明顯作用。所以這些材料僅能成為最后驗(yàn)證模工制作合理性的一個(gè)檢驗(yàn)指標(biāo)，而不能作為制作具體數(shù)據(jù)。所以需要對(duì)眾多藥材在頂面觀、腹面觀、側(cè)面觀等多個(gè)面上，測(cè)量和收集具本的數(shù)據(jù)。我們以一個(gè)具體對(duì)象為指標(biāo)，測(cè)定其長(zhǎng)度，其它功能部位均以比例關(guān)系來(lái)測(cè)算和表達(dá)，以求藥材特征的代表性。

2.2 3D模型建立 在3D類設(shè)計(jì)軟件中，針對(duì)外形有極強(qiáng)特征的藥材，如防己外形有“豬大腸”性狀，烏藥有“連珠”等，可將不規(guī)則外形盡量分塊以相對(duì)規(guī)則多面體連接。對(duì)于飲片則簡(jiǎn)單處理成餅狀，重點(diǎn)特征展示在橫切面上。對(duì)于動(dòng)物類藥材如昆蟲(chóng)，則體現(xiàn)頭、胸、腹結(jié)構(gòu)的分段及足的三對(duì)等特征，翅等可以用平面展示的特征則簡(jiǎn)化為弧狀的紙面。

2.3 表面貼圖 表面貼圖是展示效果的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，能否達(dá)到高仿真度，在很大程度上取決于貼圖的好壞?？捎门恼蘸褪掷L兩種表達(dá)方法，拍照效果好，但應(yīng)用于復(fù)雜立體表面時(shí)容易發(fā)生變形等問(wèn)題。手繪簡(jiǎn)單，但降低了實(shí)物感。因此兩種方法的選擇應(yīng)考慮表達(dá)特征的需要。因此貼圖素材多在平面設(shè)計(jì)類軟件中預(yù)先處理。

2.4 展開(kāi)圖紙轉(zhuǎn)化 圖紙的轉(zhuǎn)化有兩種，可以手工繪制或由紙藝大師等軟件自動(dòng)生成，但自動(dòng)生成的平面，常常會(huì)出現(xiàn)貼面過(guò)多過(guò)細(xì)和互相交錯(cuò)等現(xiàn)象，需要根據(jù)實(shí)際制作中剪粘工作進(jìn)行增刪。部分需要表達(dá)光滑表面的地方，建模時(shí)需要較多邊線，但在開(kāi)模時(shí)，需要減少折線，以達(dá)到減少棱面感，制作簡(jiǎn)易方便的效果。

3 結(jié)果及應(yīng)用

3.1 花類藥材的模型應(yīng)用 花類藥材是中藥鑒定學(xué)中的一個(gè)部分，這類藥材各部分從生物學(xué)來(lái)說(shuō)近似葉的構(gòu)造，因此，在表達(dá)上大多可以以平面薄紙加以表達(dá)，但因許多花冠展開(kāi)并兩面有紋理或色彩，所以需要正反兩面打印或雙層粘貼處理。花類藥材多皺縮、破碎，所以此類模型制作多應(yīng)以新鮮樣品作參照物。

3.2 飲片類藥材應(yīng)用 中藥飲片中具有清晰、典型橫斷面特征的，往往有“經(jīng)驗(yàn)術(shù)語(yǔ)”，因此在表達(dá)上，以餅狀模式表達(dá)效果就很好了，“車輪紋”“星點(diǎn)”“金井玉欄”“云錦花紋”“大理石樣紋理”，均有極佳的表現(xiàn)力。

3.3 顯微構(gòu)造應(yīng)用 在日常教學(xué)中，木類藥材的三切面特征往往是教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)，學(xué)生無(wú)論在看掛圖還是PPT，都存在理解上的一定障礙。因此，做成可以拆卸和組裝的射線三切面橫型，具有其他手段不可比擬的優(yōu)越性。豬苓的粉末中，八面體形的晶體及變化類型許多同學(xué)不易直觀理解，制作形象的紙模型就一目了然了。

3.4 動(dòng)物類藥材應(yīng)用 動(dòng)物類藥材中，昆蟲(chóng)的結(jié)構(gòu)，海龍、海馬等外骨骼魚(yú)類，甚至包括大型哺乳動(dòng)物的骨骼都有極強(qiáng)的特征性，因此立體的3D紙模結(jié)構(gòu)就表現(xiàn)極好。

4 討論及展望

4.1 優(yōu)點(diǎn) 3D紙模型在今天3D建模軟件，照片處理軟件、開(kāi)模軟件等諸多相關(guān)技術(shù)的共同高速發(fā)展下，體現(xiàn)出了勃勃生機(jī)。色彩鮮艷，表現(xiàn)力強(qiáng)，表現(xiàn)方式多樣，價(jià)格相對(duì)低廉，保存時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，可重復(fù)制作等眾多優(yōu)點(diǎn)使得應(yīng)用日益廣泛。

4.2 對(duì)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變 中藥鑒定學(xué)是實(shí)踐極強(qiáng)的學(xué)科，對(duì)形態(tài)要求量大質(zhì)高，而這類大學(xué)課程僅在少數(shù)學(xué)校教授，因此商業(yè)化的教學(xué)模型極少人研究及開(kāi)發(fā)，而價(jià)廉質(zhì)優(yōu)的紙模彌補(bǔ)了這一缺陷，大量應(yīng)用不僅利于教師清晰表現(xiàn)概念，也可將這一形式推廣到學(xué)生手工制作愛(ài)好的層面，寓教于樂(lè)，將深受學(xué)生歡迎。在我們研制過(guò)程中，參與學(xué)生均表達(dá)了強(qiáng)烈的興趣和受益感受。

4.3 商業(yè)化前景 由于紙模型可以自主決定尺寸比例，因此具有靈活的復(fù)制性和放大效果。其成本僅幾角至幾元。比起塑料或金屬等模型需要制造砂模等手段，需要極高的成本代價(jià)（一般需上萬(wàn)至幾十萬(wàn)），具有極大的開(kāi)發(fā)前景。隨著紙品及顏料耐久性的提高，此類產(chǎn)品將展現(xiàn)更強(qiáng)的收藏價(jià)值。

4.4 展望 隨著3D相關(guān)技術(shù)的提高，3D掃描儀和3D打印機(jī)的出現(xiàn)，為許多模型制作大大提高了效率和增強(qiáng)了還原精細(xì)度，現(xiàn)在在汽車制造、雕塑、古董仿制等領(lǐng)域得到逐步應(yīng)用，但因成本較高（基本設(shè)備也要十萬(wàn)元以上），對(duì)于紙模業(yè)來(lái)說(shuō)尚未有人展開(kāi)，但隨著此類設(shè)備的普及推廣，將來(lái)的紙模型將會(huì)更上一個(gè)臺(tái)階，我們拭目以待。

［1］劉國(guó)正.巴基球C60-C70紙模型的制作［J］.大學(xué)教育，1994，34（8）：35-36.

［2］何福城，李象遠(yuǎn).結(jié)構(gòu)化學(xué)折紙模型［J］.化學(xué)通報(bào)，1992，（3）：45-50.

［3］張恒安.折紙教具在立體化學(xué)中的應(yīng)用——一種好的教學(xué)手段［J］.大學(xué)化學(xué)，1996，11（5）：18-21.

［4］自制分子模型在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.2011，26（4）：37-38.

［5］鄧旭光.開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)的一個(gè)好課題——螺旋測(cè)微器紙模型的制作［J］.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2004，20（4）：8-9.

［6］喻本富.紙模型的制作與使用［J］.解剖學(xué)雜志，1995，18（5）：485.

［7］鄧建楠.腹股溝管立體組合教學(xué)模型的改進(jìn)與制作［J］.局解手術(shù)學(xué)雜志，2006，15（05）：321.

（2013-09-03收稿）

Exp loration of 3D Printer M odels in Teaching Identification of Chinese M eteria M edica

Che Surong，Su Bili，Wei Zhengxii，Wen Chen，Zeng Song

（Fujian Chinese Medicine University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

The characteristics of Chinesemeteriamedica is an important part in teaching the course of Identification of Chinese Meteria Medica.It needs the realmaterials to display during teachingwhich would easily be damaged or rotten，and some of them are very expensive.The developmentof 3D technologywhich owns the advantages of high qualitywith reasonable price and visual display can be a potential teachingmethod to change the traditional teaching way.

3D printermodel；Identification of Chinese Meteria Medica；Characteristics；Teaching

10.3969／j.issn.1673-7202.2013.11.031