3D打印技術(shù)在城市地理學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用*

◆匡鑫

3D打印技術(shù)在城市地理學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用*

◆匡鑫

以地理類教學(xué)為例，探討地理類課程教學(xué)實(shí)踐中利用3D打印技術(shù)的過(guò)程和方法，闡述該教學(xué)理念在高校實(shí)踐教學(xué)中的作用和成效。

3D打印技術(shù)；城市地理學(xué)；實(shí)踐教學(xué)

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.03.162

1　3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)發(fā)明于20世紀(jì)80年代，是通過(guò)電子制圖、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、激光掃描、材料熔化等一系列技術(shù)，使特定金屬粉或者記憶材料熔化，并按照電子模型圖的指示一層層重新疊加起來(lái)，最終把電子模型圖變成實(shí)物的技術(shù)。該技術(shù)具有環(huán)境污染小、提高材料的使用率等特點(diǎn)。有關(guān)專家表示，這種技術(shù)代表了制造業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)。

3D打印機(jī)的應(yīng)用對(duì)象非常廣泛，應(yīng)用范圍最廣的主要集中在四個(gè)方面：一是概念模型；二是結(jié)構(gòu)和外觀的測(cè)試或者實(shí)驗(yàn)；三是一些功能性的測(cè)試；四是直接制造。

2　教學(xué)實(shí)施過(guò)程及應(yīng)用

目前3D打印技術(shù)在高校的實(shí)踐教學(xué)中尚處于探索和嘗試階段。筆者以“城市地理學(xué)”教學(xué)為例，總結(jié)利用3D打印技術(shù)開展地理類教學(xué)的步驟和方法。

明確教學(xué)目標(biāo)教師要在深入鉆研教材的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生利用3D打印模型了解城市的特點(diǎn)，依據(jù)城市3D打印模型了解掌握地域城鎮(zhèn)綜合體的分布特征和功能、規(guī)模結(jié)構(gòu)，可以運(yùn)用3D打印設(shè)計(jì)軟件對(duì)城市進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)城市的最優(yōu)化布局。

實(shí)物測(cè)繪、軟件建模教學(xué)活動(dòng)遵循“提出問(wèn)題、3D設(shè)計(jì)、3D打印、知識(shí)形成”的過(guò)程，采取項(xiàng)目化教學(xué)方法，按主題的不同將學(xué)生分成若干小組，要求小組成員利用3D打印機(jī)打印出3D作品。要想完成這個(gè)項(xiàng)目，第一項(xiàng)就是建立城市3D模型，需要學(xué)生照顧到每一個(gè)細(xì)節(jié)，建筑、橋梁、馬路、人行道都不可以放過(guò)，因?yàn)槊恳粋€(gè)細(xì)節(jié)都是讓城市活起來(lái)的要素。小組內(nèi)的成員合作討論該城市的設(shè)計(jì)方案，對(duì)各項(xiàng)設(shè)施和資源進(jìn)行合理布局，形成初步方案；之后將搜集到的數(shù)據(jù)及設(shè)置好的數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)輸入3D打印設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行三維建模。

打印3D模型學(xué)生在得出滿意的三維模型后，將模型輸入3D打印機(jī)中，不同的3D打印機(jī)操作過(guò)程是不同的。以RepRap Pro Ormerod2打印機(jī)為例，其打印格式是G文件，如果文件格式是G文件，就可直接打??；如果是STL格式，就需要轉(zhuǎn)化格式，方可打印。通過(guò)“窗口”→“系統(tǒng)設(shè)置”→“擴(kuò)展”→“安裝擴(kuò)展程序”，從Slicr軟件程序中選擇G-code格式，將三維地形模型轉(zhuǎn)化為適合RepRap Pro 0M2打印機(jī)識(shí)別的G-code格式，即可進(jìn)行打印。在打印過(guò)程中由于學(xué)生經(jīng)驗(yàn)不夠，可能會(huì)產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，出現(xiàn)方向反轉(zhuǎn)、產(chǎn)生縫隙等問(wèn)題。針對(duì)這種情況，教師要及時(shí)進(jìn)行分析和講解，使學(xué)生明白精確繪圖的意義。

成品展示各小組將打印組裝好的3D城市規(guī)劃模型進(jìn)行展示，向教師和其他組的學(xué)生匯報(bào)設(shè)計(jì)思路，闡述規(guī)劃理念，說(shuō)明規(guī)劃中的亮點(diǎn)，表達(dá)設(shè)計(jì)過(guò)程中的感悟與思考。其余小組在聽取該城市規(guī)劃設(shè)計(jì)方案后提出問(wèn)題，匯報(bào)小組針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行答辯。待所有小組作品匯報(bào)展示完畢后，教師對(duì)這些方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。最初教師可讓學(xué)生制作簡(jiǎn)單的社區(qū)規(guī)劃圖，隨后可通過(guò)讓學(xué)生設(shè)計(jì)和制作大型的城市規(guī)劃模型，讓學(xué)生逐漸熟練和掌握繪圖、打印的方法，逐步提升學(xué)生的3D打印作品的水平。對(duì)于小型社區(qū)規(guī)劃，教師以是否精確來(lái)作為重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于大型城市規(guī)劃，教師要以城區(qū)布局是否合理來(lái)作為評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。這樣多元化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和自信心，使他們更加投入到3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)中去。

3　3D打印技術(shù)的作用和成效

有利于培養(yǎng)學(xué)生的地理能力對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行城市規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，需要了解城市的體形機(jī)構(gòu)與各個(gè)要素之間的關(guān)系，包括城市的天際線、制高點(diǎn)、邊緣和入口、建筑物、街道、廣場(chǎng)等，這些在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行大量的空間形象思維。傳統(tǒng)的地理實(shí)踐中采用的是沙盤制作的方法，學(xué)生根據(jù)教師提供的圖片和圖表來(lái)設(shè)計(jì)沙盤，使學(xué)生很難直觀地判斷出設(shè)計(jì)方案的實(shí)際效果。3D打印技術(shù)的使用可以使學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)方案的總體規(guī)劃指標(biāo)進(jìn)行分析，直觀查看效果，不斷調(diào)整城市布局，實(shí)現(xiàn)城市空間結(jié)構(gòu)的合理利用，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，發(fā)展學(xué)生立體空間思維。為了驗(yàn)證3D打印技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)對(duì)于學(xué)生空間能力的培養(yǎng)有著積極意義，筆者選定兩組學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別采用3D教育和普通教學(xué)方法，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，3D教育下的學(xué)生立體感更強(qiáng)，興趣也更濃厚。

由于城市規(guī)劃的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的手工模型制作已經(jīng)無(wú)法滿足教學(xué)的需要。3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以使學(xué)生的觀察能力、獨(dú)立思考能力、動(dòng)手能力得到很好的鍛煉。一個(gè)城市不可能憑空建設(shè)出來(lái)，它總是有背景的，一項(xiàng)好的設(shè)計(jì)必然將背景因素考慮在內(nèi)，并且對(duì)此做出處理。使用3D打印技術(shù)可以在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)制作城市全景式模型，比如可以隨意轉(zhuǎn)換組合的模型。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，只需要通過(guò)不同的組合來(lái)改變?cè)O(shè)計(jì)規(guī)劃，不需要反復(fù)從頭開始。隨著建筑項(xiàng)目進(jìn)度的不斷深入，3D模型的性質(zhì)也變了。之前已經(jīng)確定了初步的宏觀想法，緊接著便要優(yōu)化細(xì)節(jié)了。城市規(guī)劃涵蓋了商業(yè)區(qū)、居民區(qū)等多種設(shè)施，學(xué)生只需要使用3D打印機(jī)就可制作出1：1的等比例的模型。

促進(jìn)學(xué)生的研討與合作具有合作能力是當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才的基本要求。3D打印技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生之間形成合作團(tuán)隊(duì)，自然而然地引進(jìn)監(jiān)督機(jī)制、競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和評(píng)價(jià)機(jī)制，每個(gè)個(gè)體都處于集體的監(jiān)督之下和評(píng)價(jià)之中，小組之間、小組中的個(gè)體之間形成一種競(jìng)爭(zhēng)，這樣學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)，實(shí)踐能力顯著提高。另外，教師可以和學(xué)生一起合作，使學(xué)生感到有一種安全感、親近感，師生之間更能產(chǎn)生一種融洽感，教師也能更直接、更進(jìn)一步地了解學(xué)生，便于更及時(shí)、更有針對(duì)性地指導(dǎo)學(xué)生訓(xùn)練。在3D模型制作過(guò)程中，凸顯了學(xué)生的主體地位，促進(jìn)了人與人的交流與溝通，形成問(wèn)題解決的過(guò)程與思維。

增強(qiáng)教學(xué)的實(shí)效性在傳統(tǒng)的城市地理教學(xué)過(guò)程中，教師在講解城市規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，利用多媒體技術(shù)向?qū)W生展示城市規(guī)劃的圖片，或者拿著一個(gè)手工制作的城市規(guī)劃模型給全班學(xué)生講解，對(duì)學(xué)生理解科學(xué)合理的布局城市有著較大難度。3D打印技術(shù)只需學(xué)生輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)就可得到滿意的三維模型。過(guò)去的實(shí)踐訓(xùn)練中，需要制作手工比例模型來(lái)展示自己的城市規(guī)劃成果，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且成本高昂；使用3D打印技術(shù)過(guò)程中就可以完整展現(xiàn)學(xué)生的實(shí)際理念，做出一個(gè)與3D圖一模一樣的模型，更加直觀地展現(xiàn)在大家面前。而且在制作過(guò)程中，學(xué)生可隨時(shí)修正數(shù)據(jù)，能很大程度上縮短制作時(shí)間，節(jié)省費(fèi)用，有效提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

4　結(jié)語(yǔ)

3D打印在醫(yī)療、航天航空、藝術(shù)等眾多領(lǐng)域都已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于高校實(shí)踐教學(xué)中是一項(xiàng)新興而具有挑戰(zhàn)性的工作，需要高校領(lǐng)導(dǎo)高度重視，在吸取國(guó)外高校3D打印技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，探索出適合本校的教學(xué)模式，以培養(yǎng)出適合社會(huì)需要的應(yīng)用型人才。

［1］李青，王青.3D打?。阂环N新興的學(xué)習(xí)技術(shù)［J］.遠(yuǎn)程教育雜志，2013（4）.

［2］兀旦暉，趙晨飛.3D打印技木在教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.課程教育研究，2013（21）.

［3］鄧富強(qiáng)，馬選民.3D打印技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電子世界，2014（10）.

G 652

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1671-489X（2016）03-0162-02

“黃岡師范學(xué)院科研基金項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號(hào)：2015022403）。

作者：匡鑫，黃岡師范學(xué)院（438000）。