3D打印技術(shù)在藝用人體解剖學教學中的應用

賈 宇

（中原工學院 藝術(shù)設計學院， 河南 鄭州 451191）

一、人體造型解剖學發(fā)展概述

解剖學作為一門系統(tǒng)的學科建立時間較晚。古時期，人類僅從捕食、狩獵過程中得到粗略、片段的解剖知識，通過視覺經(jīng)驗，將動物形象描繪在原始壁畫當中。最初人類有意識地對人體結(jié)構(gòu)進行研究是為了醫(yī)治疾病或?qū)κw進行防腐而產(chǎn)生的，依據(jù)古埃及時代的木乃伊便可斷定這點。

“解剖學”被藝術(shù)所運用，最早是從對活體的人進行觀察開始，真正的人體解剖還是在文藝復興時期，古代埃及為了給法老王和死者造像，建立了比例系統(tǒng)——以中指為系數(shù)測定人體為全長的19倍。

古希臘的雕刻家在人體造型比例方面結(jié)合了埃及的方法。雕像是以頭為系數(shù)，全身為7倍，稱為“標準比例”。雕刻家們對人體的豐富知識是從觀察裸體的競技者而來的。公元前5世紀的雕刻家波里克利特斯做的“持矛者”就是最好的佐證。這一時期的雕塑作品一直是我們學習人體結(jié)構(gòu)的典范。德國藝術(shù)史家溫克爾曼稱希臘雕刻最美之處在于它“靜穆的偉大和高貴的單純”。

中世紀時期，教會明確規(guī)定禁止解剖尸體，自羅馬以后解剖學發(fā)展停滯不前，在藝術(shù)上也稱為黑暗時期。在拜占庭、羅曼奈斯克及哥特式的藝術(shù)中很少看到對于裸體的描繪，繪畫和雕刻上的人物形象身長頭小，體態(tài)纖細是這時期風格的特征。

藝用人體解剖學起源于14—15世紀意大利文藝復興時期，人文主義思想促進了科學、藝術(shù)的發(fā)展，也摧毀了中世紀基督教的禁欲思想，裸體的表現(xiàn)為人體造型解剖學的發(fā)展提供了條件?！拔乃噺团d三杰”達·芬奇、米開朗基羅、拉斐爾等著名藝術(shù)家都十分重視人體解剖學，這也使得人體解剖學與焦點透視成為西方繪畫的基石。達·芬奇說過：“解剖對于藝術(shù)家來說是人物造型的基礎：表現(xiàn)人體的各種動態(tài)，形體結(jié)構(gòu)穿插轉(zhuǎn)折，他就必須了解骨骼，肌纖維，肌腱?！边_·芬奇手稿中畫了大量的解剖圖片并配以文字描述。

安德雷亞斯·維薩里（Andreas Vesalius）出版了文圖并茂的著作《人體結(jié)構(gòu)》共7冊，是人類第一部人體解剖學，他與威尼斯畫家提香合作，制作了大量插圖，提出對人體造型藝術(shù)的視覺感受和表現(xiàn)技法，使人體解剖轉(zhuǎn)為人體藝術(shù)的形象，所以醫(yī)學解剖離不開畫家，畫家離不開人體解剖。

在西方自文藝復興以后藝術(shù)家都從事解剖學的研究，18世紀法國雕刻家讓·安東尼·烏東（Jean Antonie Houdon ，1741—1828）為了做施洗約翰雕像，他仔細地研究了這個作品的人體結(jié)構(gòu)及動作，并塑制了舉世聞名的“人體解剖”標本，烏東把這個著色人體解剖石膏和兩個一只手彎在頭上的人體解剖模型送給了美術(shù)學院。

在東方上古時代，《黃帝內(nèi)經(jīng)》成書于公元前3000多年的中國，書中“靈柩經(jīng)”的“經(jīng)水篇”對人體解剖進行了制述。在唐宋時期畫家的畫論中，可找到有關人物造型的片斷記載，唐、宋時期的人物畫，在造型上也是非常嚴謹?shù)?。元代王繹對面部的寫照有過闡述，在《寫真古訣》中提到面部比例為“三庭、五配、三勻”之說。三庭：“發(fā)際至印堂為上庭，印堂至鼻準為中庭，鼻準下一筆至地角為下庭?！蔽迮洌骸吧礁s一眼之位，兩魚尾約兩眼之位，共成五，謂之五配?！比齽颍骸皟深U約兩口之位，共成三，謂之三勻。”清代沈宗騫強調(diào)，“先將裸體骨骼約定，后施衣服”的造型方法。清代丁鶴洲的《寫真秘訣》對面部的比例和五官的造型都有詳細的解釋。在“量寫身法”一章中對人體全身比例解釋為“從發(fā)際至地邊，長短量定，下加七數(shù)為立，五數(shù)為坐，三數(shù)為蹲”。并認為兩手伸開的長等于人體的高度，人如坐著有“三折”：乳至股，股至膝，膝至足。這些論證豐富了我們對人體外形的了解。

二、3D打印技術(shù)“簡述”

3D打印技術(shù)也稱增材制造技術(shù)、快速成型（Rapid Prototyping）技術(shù)、快速原型制造技術(shù)（Rapid Prototyping Manufacturing）等，是近些年來人類制造領域興起的一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體，一項集光/機/電、計算機、數(shù)控及新材料于一體的先進制造技術(shù)。［1］它不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具，利用三維設計數(shù)據(jù)在一臺設備上由程序控制自動地制造出任意復雜形狀的零件，可實現(xiàn)任意復雜結(jié)構(gòu)的整體制造。如同蒸汽機、福特汽車流水線引發(fā)的工業(yè)革命一樣，3D打印技術(shù)符合現(xiàn)代和未來制造業(yè)對產(chǎn)品個性化、定制化、特殊化需求日益增加的發(fā)展趨勢，被視為“將要改變世界的技術(shù)”，已引起全球關注。

3D打印技術(shù)將使制造活動更加簡單，使得每個家庭、每個人都有可能成為創(chuàng)造者。這一發(fā)展方向?qū)⒔o社會的生產(chǎn)和生活方式帶來新的變革，同時將對制造業(yè)的產(chǎn)品設計、制造工藝、制造裝備及生產(chǎn)線、材料制備、相關工業(yè)標準、制造企業(yè)形態(tài)乃至整個傳統(tǒng)制造體系產(chǎn)生全面、深刻的影響： （1）拓展產(chǎn)品創(chuàng)意與創(chuàng)新空間，優(yōu)化產(chǎn)品性能；（2）極大地降低產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新成本、縮短創(chuàng)新研發(fā)周期；（3）能制造出傳統(tǒng)工藝無法加工的零部件，極大地增加工藝實現(xiàn)能力；（4）與傳統(tǒng)制造工藝結(jié)合，能極大地優(yōu)化和提升工藝性能； （5）是實現(xiàn)綠色制造的重要途徑；（6）將全面改變產(chǎn)品的研發(fā)、制造和服務模式，促進制造與服務融合發(fā)展，支撐個性化定制等高級創(chuàng)新制造模式的實現(xiàn)。［2］

近年來，3D打印技術(shù)多用于輔助醫(yī)學臨床的檢查診斷，仿真器官用于疾病治療，但將3D技術(shù)用于藝術(shù)人體造型基礎課程的報道罕見。

三、3D打印技術(shù)在藝用人體解剖教學中應用的具體方法

藝用人體解剖學是美術(shù)專業(yè)的一門基礎必修課，主要使學生理解并記憶骨骼和肌肉名稱、肌肉生長起始點及肌肉的功能和作用；了解人體骨骼、肌肉及其運動時外形變化，掌握骨骼、肌肉的生長規(guī)律；深入研究人體復雜的透視、比例結(jié)構(gòu)關系，為后續(xù)人物創(chuàng)作打下堅實的基礎。該課程具有很強的理論性、思想性和實踐性。

解剖學中專有名詞大多依據(jù)位置、種類、功能，或運動狀態(tài)命名，比較晦澀拗口，傳統(tǒng)的教學模式中PPT圖片教學、視頻展示為主要授課方式，由于平面圖片展示內(nèi)容的局限性，學生對于錯綜復雜的肌肉形態(tài)很難理解掌握。學習藝用人體解剖需要掌握骨骼、肌肉名稱、肌肉起止點、肌肉的運動形態(tài)和變化及表皮膚色形態(tài)和結(jié)構(gòu)。大量的專有名詞以及數(shù)據(jù)使學生在學習過程中處于“強迫被動記憶”狀態(tài)，學習興趣不高，教學效果欠佳。

在課堂教學增加3D打印模型后，教師可以依據(jù)圖片展示以及實物展示相結(jié)合的方法，更直觀地與學生互動教學，依據(jù)位置、種類、功能及運動狀態(tài)對學生進行逐一講解，使授課方式靈活多變。

（一）人體模型資料庫的建立

早期美術(shù)學院的人物造型——藝用人體解剖課程是與醫(yī)學院的學生共同去完成的，近些年由于學生擴招，教育資源稀缺導致授課形式被迫發(fā)生改變?，F(xiàn)如今，我們可以利用3D掃描儀通過對醫(yī)學院真人骨骼與肌肉模型獲取數(shù)據(jù)，借助后期軟件Zbrush的修改，依靠3D打印技術(shù)最終呈現(xiàn)符合“藝用”要求的教學模型。模型制作過程中可根據(jù)教學需要分件命名及制作，便于后期模型上色以及對重、難點的深度剖析。

（二）課前準備

如果學校配備3D打印設備，可針對學生進行3D打印體驗教學。教學內(nèi)容與基本要求：1.了解快速成型技術(shù)工藝基礎知識，任課教師將關于3D打印技術(shù)介紹的影像資料及模型文件發(fā)送至學生，并將快速成型工藝過程基本情況對學生進行簡單介紹；2.學生了解光固化法（SLA ，Stereolithography Apparatus）、熔 融 沉 積 成 型 法（FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling）、激光 燒結(jié) 法（SLS，Selective Laser Sintering） 基本原理和工藝過程，三維設計軟件建模原理和基本操作方法，F(xiàn)DM 3D打印機基本操作方法及安全規(guī)則；3.通過了解RP技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀、特點及其應用引導學生在此基礎上開拓視野和思路。學生根據(jù)3D打印模型過程的基本方法和存在的問題為將來設計出有創(chuàng)意的人物角色增加展現(xiàn)方式。

（三）上機打印

首先，學生通過計算機打開打印軟件，操作鼠標點擊載入或者卸載模型，轉(zhuǎn)換視圖，調(diào)整模型大小、旋轉(zhuǎn)角度，布局模型打印位置。

然后，學生需要對打印機進行設置：更換打印平板，打開打印機電源，初始化打印機，打印平臺自動水平校準：連接并安裝校準器，連接線從打印機外部繞過，噴嘴高度校準，打印預覽，更改打印設置參數(shù)。

最后，開始打?。浩脚_預熱至100℃點擊打印按鈕。

（四）3D打印模型的后處理——支架拆除與模型修整

3D打印模型由兩部分組成。一部分是模型本身，另一部分是支撐材料。模型支撐面由于需要進行支架拆除、剝離，產(chǎn)生較多毛刺以及坑洼，導致不能達到完整效果，這就需要對其支撐面進行后期的加工打磨。

1.打磨

打磨最主要的工具就是砂紙。砂紙無論怎么分類都有一個最重要的指標：目數(shù)。它指的是用于篩選砂紙上磨料的粗細及每平方英寸的磨料數(shù)量，數(shù)量越多顆粒越細小。一般400目至1200目這一級別為整平用砂紙，這段范圍的砂紙有部分的切削能力，但又不至于用力過猛導致“削肉”太多改變模型外形，因此一般用于表面整平工作。學生需要運用有一定的彈性、貼合性，很適合用來打磨曲面的海綿砂紙等工具進行打磨。

2.補土

補土就是英文Putty的音譯。模型補土的材料有很多種，例如牙膏補土、保麗補土和原子灰、AB補土、水補土。模型打磨完畢后，接著要進行補土。這是因為有些支撐面或者部分黏結(jié)定位后仍會產(chǎn)生落差、凹陷等缺陷。這些缺陷有些是在打印過程中形成的，有些是在去除支撐過程中形成的，特別是FDM 3D打印機打印的模型，如果打印精度過低，造成明顯的分層紋路，可以用補土來彌補，待其干燥硬化后再打磨平整。

3D打印出模型后處理操作，要求學生對于人體肌肉形體起伏變化以及肌肉位置分布進行認真觀察。通過感受砂紙切削、補土加增使學生對形體增加“觸感”這一維度，便于加深對每一塊肌肉的理解記憶。

（五）實操模型上色

教師在理論環(huán)節(jié)講解過后，學生需要根據(jù)骨骼與肌肉分布動手實操為模型上色。人物造型基礎——藝用人體解剖學與先修課程造型基礎以及構(gòu)成基礎的結(jié)合。學生需要動手制作或購買一個簡單的色輪。色輪能幫助學生正確選擇顏色，了解以面積比例為原則的上色結(jié)構(gòu)。通過引入“色立體”模型的介紹，擴展色階與音階的對應關系。為模型涂上“和諧”的色彩組合，成就“養(yǎng)眼”的畫面，符合相關產(chǎn)品設計制作，從而印證配色方案可行性與合理性，同時培養(yǎng)學生快速結(jié)合市場需求的綜合能力。根據(jù)不同模型制作者的習慣，上色流程大致可以分為打磨補土 → 筆涂上色 →光油保護幾個基本步驟。

筆涂上色材料主要以丙烯為主，丙烯顏料又稱為塑膠彩或壓克力顏料，英語為“acrylic”。丙烯顏料有專業(yè)的稀釋媒介劑稀釋，干后清晰、透明，增加顏料的流動性，媒介劑還可用于柔化筆觸并保持顏料的附著力，可使作品展現(xiàn)一種縱深度。丙烯不易褪色，持久性較好，可以做油畫的替代品。丙烯顏料繪畫技法多種多樣，延展性好，關于技法大致可分為兩類——薄畫法，類似水彩畫的透明技法；以及厚涂法，類似現(xiàn)代油畫的強覆蓋力厚重感。丙烯的兩種上色技法特性使學生在描繪骨骼與肌肉的過程中可以運用不同的手法或者兩者結(jié)合進行上色。

平鋪顏色過后，還可以輔以“滲線”操作處理，“滲線”直觀上的作用是增強模型的立體感以及突出細節(jié)。再者就是在視覺上分割肌肉與骨骼，這樣可以幫助學生理解肌纖維的方向，以及區(qū)分肌腱組織與肌纖維組織。學生決定用什么顏色來“滲線”也是要符合色彩配色原理。雖說可以通用黑色，但只用黑色的線過于呆板、突兀。

（六）發(fā)散思維，遷移拓展，異質(zhì)同構(gòu)，創(chuàng)意繪畫環(huán)節(jié)

學生通過近距離觀察、打磨處理、后期上色、文字總結(jié)這一系統(tǒng)教學后，結(jié)合全方位立體直觀3D打印模型，將復雜的人體骨骼肌肉結(jié)構(gòu)造型更加準確地摸索把握，使晦澀的文字概念直觀化、生動化、立體化。學生在學習的過程中可以積極發(fā)揮主觀能動性，有利于學生創(chuàng)意思維和實際操作技巧的結(jié)合。最終學生可以創(chuàng)作寫實、夸張表現(xiàn)，到畸變的人體形態(tài)結(jié)構(gòu)，有效增強學生知識體系的系統(tǒng)性、能動性和發(fā)散性。

四、結(jié)語

國家經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展和新一輪改革開放重點領域?qū)τ谌瞬判枨?，需要我們研究探索文科與工科專業(yè)交叉融合的新方向，探索基于多學科交叉復合的新課程體系、教學內(nèi)容，增強學生的專業(yè)性及實踐性。在教學中利用3D打印技術(shù)，扭轉(zhuǎn)了以被動記憶為主且內(nèi)容枯燥的傳統(tǒng)教學模式。通過綜合立體多樣的教學模式，學生的學習熱情和專注力、實踐技能、科研思維和自主創(chuàng)新能力得到顯著提高，3D打印技術(shù)輔助教學取得了良好的教學反饋。同時盡管目前3D打印技術(shù)還有諸多問題，受現(xiàn)實條件的限制較多，但隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)作為藝用人體教學重要輔助手段，必將使學生、教師和科研受益。