3D建模-3D打印技術(shù)在基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)用探討

高潔胡華

（長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100）

0 引言

在信息化技術(shù)飛速發(fā)展，3D建模和3D打印廣泛應(yīng)用的今天，基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室也在積極地跟進(jìn)現(xiàn)代化信息系統(tǒng)建設(shè)的步伐。高校可將專業(yè)課程中的實(shí)驗(yàn)物品進(jìn)行3D建模數(shù)據(jù)虛擬化，而虛擬數(shù)據(jù)的模型又可進(jìn)一步通過3D打印出來。實(shí)現(xiàn)從實(shí)物到虛擬，又從虛擬到實(shí)物，形成實(shí)—虛—實(shí)相結(jié)合的教學(xué)閉環(huán)。這種虛實(shí)結(jié)合的多樣化的實(shí)驗(yàn)室平臺能夠應(yīng)用于基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，多方位的服務(wù)于師生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)習(xí)，拓展實(shí)驗(yàn)室的更多功能，建設(shè)一個(gè)更全面的基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室平臺。本文就3D建?！?D打印技術(shù)在基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中的應(yīng)用做了探討。

1 3D建模和打印與實(shí)驗(yàn)室的融合

在地學(xué)類的專業(yè)培養(yǎng)中，往往涉及大量的實(shí)驗(yàn)課程。以長江大學(xué)（武漢校區(qū)）基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室為例，每年開設(shè)101個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)時(shí)數(shù)達(dá)1 500以上。大量的專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課程都需要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)部分的操作學(xué)習(xí)，需要使用大量的教具和標(biāo)本進(jìn)行教學(xué)。

傳統(tǒng)的基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)課程，常常首先以平面教學(xué)（PPT、圖片）講解為主，再輔助使用定制的教學(xué)模型或是標(biāo)本進(jìn)行展示。其中大多課程中都會用到一些定制教具，比如結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)課程中的晶體模型，晶體光學(xué)中的光率體模型，古生物學(xué)課程中的古生物模型，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程中的地質(zhì)構(gòu)造模型等，這些教具通常由塑料和木頭材料定制而成，一直以來都在基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)教學(xué)中扮演著重要的角色。而隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，通過將信息化技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合，讓高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)生了翻天覆地的變化。3D圖形的建立，使得老師在實(shí)驗(yàn)課程授課過程中，就可以直接在多媒體上進(jìn)行直觀而形象的立體多方位講解。因此，很多高校都投入了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)本3D數(shù)據(jù)化的建設(shè)中。而隨后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室概念的產(chǎn)生和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了將實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源數(shù)據(jù)化并整合投放到平臺，讓學(xué)生可以通過開放的課程資源和共享平臺隨時(shí)隨地的在線學(xué)習(xí)。使得實(shí)驗(yàn)課程不再受空間和時(shí)間的限制，極大地方便了廣大師生，并彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，拓寬了師生溝通的方法和渠道[1]。所以，各大高校都積極地推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，以滿足現(xiàn)代化的建設(shè)需求。特別是在新冠肺炎疫情期間，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺更是起到非常重要的作用，它使得學(xué)生在隔離狀態(tài)下，也能順利地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的操作和學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的3D數(shù)據(jù)資源化和虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)從實(shí)物到虛擬的邁進(jìn)，是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)（同時(shí)也是基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)）發(fā)展改革中的重要一步。

隨著近幾年3D打印技術(shù)的成熟和3D打印成本的降低，3D打印技術(shù)開始普及。使得人們開始不斷地去嘗試3D打印機(jī)能夠打印的物品，這一技術(shù)也漸漸運(yùn)用到高校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以及基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中。比如，北京大學(xué)地質(zhì)系實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、西安工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)嘗試了3D打印晶體模型，并作為教具，獲得了很好的反饋。3D打印的出現(xiàn)及運(yùn)用，使得高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以將虛擬數(shù)據(jù)通過打印轉(zhuǎn)變成實(shí)物，極大地方便了實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)和自制教具。

2 3D建?！喾矫孑o助實(shí)驗(yàn)室教學(xué)

首先，實(shí)現(xiàn)從實(shí)到虛，即在基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用3D建模技術(shù)，將實(shí)物模型虛擬化。巖礦標(biāo)本的3D建模通常依靠多角度的照片，用軟件后期合成達(dá)到3D效果；教具可直接使用Auto 3DMax建模。例如：結(jié)晶學(xué)中的晶體模型通常可以運(yùn)用晶體幾何形態(tài)三維可視化軟件Shape、JCrystal；晶體內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)三維可視化軟件CrystalMaker和Diamond[2]；晶體單形可使用Shapr（App）、Rhino、Auto 3DMax等常規(guī)3D專業(yè)軟件，甚至是利用基于手機(jī)的App，來建立起3D模型資源。在完成一定數(shù)量的模型資源庫的基礎(chǔ)上，后期就可以進(jìn)一步搭建虛擬仿真平臺，這個(gè)平臺可以在以下幾個(gè)方面輔助優(yōu)化基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)。

2.1 服務(wù)于課前：支撐自主學(xué)習(xí)

學(xué)生可以通過平臺，在實(shí)驗(yàn)課前就了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮瓦^程。模型庫中的三維動畫可以將課程的基礎(chǔ)內(nèi)容以及重難點(diǎn)直接展現(xiàn)在學(xué)生面前，提供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。三維動畫的模式也極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在自學(xué)的過程中，增加了學(xué)生創(chuàng)新學(xué)習(xí)的機(jī)會，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考問題、分析問題的能力。能讓學(xué)生進(jìn)行有效的預(yù)習(xí)，抓住重難點(diǎn)，提高學(xué)習(xí)效率。

2.2 服務(wù)于課堂：優(yōu)化教學(xué)效果

地質(zhì)學(xué)的很多實(shí)驗(yàn)課程都需要豐富的空間想象力。而空間想象力比較弱的同學(xué)，在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過老師的傳統(tǒng)平面圖片和模型的授課，很難通過建立起空間想象，不能夠及時(shí)的消化理解一些基本概念。雖然有的老師會使用傳統(tǒng)的教學(xué)模型在講臺上授課，但是老師的實(shí)驗(yàn)示范在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)完成，另外由于觀察時(shí)間和角度等問題，即使授課老師反復(fù)示范，由于每位學(xué)生理解與動手能力存在差異，很難確保每一位同學(xué)在頭腦中形成清晰連續(xù)的實(shí)驗(yàn)操作步驟[3]。所以，利用動態(tài)的3D模型演示空間結(jié)構(gòu)，每位同學(xué)都可以使用手機(jī)或電腦進(jìn)行反復(fù)的旋轉(zhuǎn)操作，可幫助同學(xué)在頭腦中理清空間概念，剖析細(xì)節(jié)，化難為易，跟上教學(xué)進(jìn)度，從而優(yōu)化教學(xué)效果。

2.3 服務(wù)于課后：反復(fù)使用教學(xué)資源

同學(xué)們可以隨時(shí)隨地通過電腦或手機(jī)去學(xué)習(xí)，不再像之前的傳統(tǒng)教學(xué)，需要前往實(shí)驗(yàn)室預(yù)約，才能看到模型和標(biāo)本，也增加了實(shí)驗(yàn)老師的工作量。虛擬平臺的建設(shè)可以極大地方便學(xué)生學(xué)習(xí)和老師管理，學(xué)生可以不受限制在任意時(shí)間和場地學(xué)習(xí)，不再有課堂時(shí)間不足的煩惱。而老師也能通過后臺了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，還能和學(xué)生進(jìn)行互動。所以，它可以不受標(biāo)本、時(shí)間、場地的限制，也能夠讓學(xué)生自己掌握進(jìn)度，重復(fù)操作。虛擬教學(xué)資源可幫助學(xué)生無限制的反復(fù)學(xué)習(xí)。

2.4 教學(xué)資源的擴(kuò)建與共享

實(shí)物教具和標(biāo)本有可能會出現(xiàn)標(biāo)本不典型，或是數(shù)量不夠的問題，而虛擬教學(xué)資源就能解決這個(gè)難題。3D數(shù)據(jù)庫不僅僅只限于實(shí)驗(yàn)室擁有的標(biāo)本，實(shí)驗(yàn)室沒有的標(biāo)本也可以分批建設(shè)到平臺中，無限制豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。資源庫的建立雖然在短時(shí)間內(nèi)需要耗費(fèi)時(shí)間和精力，但是一次投入，可以獲得長效的回饋。師生可通過平臺合理使用資源，只要平臺一直保持維護(hù)和更新，資源庫便可以一直服務(wù)于師生，甚至是面向社會開放。實(shí)現(xiàn)了資源共享、遠(yuǎn)程教學(xué)等，滿足現(xiàn)代化的教學(xué)需求。

3 3D打印——搭建更優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)室平臺

從虛擬回歸到實(shí)物，也就是從3D建模到實(shí)現(xiàn)3D打印。在3D資源搭建好之后，就可以進(jìn)行3D打印的準(zhǔn)備工作。3D數(shù)據(jù)完成之后，可以將文件換為3D打印文件格式（STL）并進(jìn)行切片處理。將做好的文件經(jīng)過切片后保存成GCODE文件格式導(dǎo)出到SD卡中。由3D打印機(jī)讀取文件中的切片信息后，使用粉狀材料或者絲狀材料，通過加熱融化由噴頭噴出，打印機(jī)系統(tǒng)會讀取并將這些切片信息按照文件中的形式逐層的打印出來后，再按照文件中的形式逐層的連接起來后形成一個(gè)整體及所打印的整體[4]，最終完成打印。3D打印可以從以下幾個(gè)方面參與到基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中。

3.1 自制3D打印教學(xué)模具

3D建模的數(shù)據(jù)設(shè)置好參數(shù)通過3D打印機(jī)打印出來，其打印成品大小合適，質(zhì)地輕盈，成本低廉，很適合作為教具投入教學(xué)中使用。比如結(jié)晶學(xué)中晶體結(jié)構(gòu)模型的47種幾何單形，屬于最基礎(chǔ)的一些立體幾何圖形，如立方體、八面體、三方柱、四方柱等，它們形狀規(guī)則，表面光滑，可以很方便的建模和通過3D打印機(jī)打印出來。另外，晶體光學(xué)中的光率體模型、各種各樣的古生物模型、地質(zhì)構(gòu)造模型等，只要完成建模，都可以實(shí)現(xiàn)打印。在需要的時(shí)候，隨時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的情況及時(shí)打印補(bǔ)充。

3D打印還能滿足老師創(chuàng)新改革以及個(gè)性化的教學(xué)需求，可添加和刪減一些教具上的細(xì)節(jié)內(nèi)容。比如為了獲得很直觀的教學(xué)效果，可以把結(jié)晶軸和對稱面在晶體模型中設(shè)計(jì)和打印出來，學(xué)生在進(jìn)行對稱和旋轉(zhuǎn)操作時(shí)，可以直接看到假想的對稱軸和對稱面的類型和方向。同時(shí)還能做到等比例放大和縮小，老師用大型的上課，學(xué)生用小型的學(xué)習(xí)，可以滿足個(gè)性化定制的需求。也可以在模型上設(shè)計(jì)打印二維碼等，方便學(xué)生掃碼查看資料。

傳統(tǒng)的模型往往需要大規(guī)模的定制和采購，而3D打印模具隨時(shí)需要隨時(shí)打印，在產(chǎn)品個(gè)性化和可更新性上更具有優(yōu)勢，是實(shí)驗(yàn)室非常理想的教學(xué)模型。

3.2 承擔(dān)學(xué)校及社會科學(xué)實(shí)踐活動

3D打印可以支持學(xué)生的科學(xué)實(shí)踐活動，全面提高學(xué)生的軟件操作能力和綜合動手能力。除了地質(zhì)專業(yè)教具的打印之外，學(xué)生還可以進(jìn)行自主創(chuàng)意設(shè)計(jì)，如3D打印晶體鑰匙扣，3D打印月球燈，3D打印Diy自制工具，等等。比如晶體鑰匙扣的設(shè)計(jì)，除了地質(zhì)專業(yè)知識的支撐，創(chuàng)意的設(shè)計(jì)，更是極大地鍛煉了學(xué)生的動手能力。在模型打印過程中，會出現(xiàn)各種各樣需要解決的問題：斑點(diǎn)疤痕、錯(cuò)層、拉絲垂料、過熱、打印耗材無法粘貼在工作臺上等。學(xué)生在操作的過程中，時(shí)刻都要積極思考，將理論運(yùn)用于實(shí)際，觀察發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、反思問題并且從中獲取經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生對于3D打印的興致非常高，愿意主動積極的參與，看著自己的作品從創(chuàng)意變成實(shí)物，非常有成就感。在充分鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力的同時(shí)，也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課的熱情，真正實(shí)現(xiàn)三維教學(xué)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化創(chuàng)新模式的教學(xué)。

3.3 3D打印服務(wù)于社會活動

高校實(shí)驗(yàn)室由于其得天獨(dú)厚的資源和場地，非常適合作為社會科普場所使用。而基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室擁有眾多的典型礦物、巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖標(biāo)本，以及薄片和顯微鏡等，可以讓大家全方面地走進(jìn)地質(zhì)，了解地球，面向社會傳播地質(zhì)學(xué)知識，是優(yōu)良的地質(zhì)科普基地。

在基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)科普教育活動中，3D打印也可以作為實(shí)驗(yàn)室的開放項(xiàng)目，面向社會展示或面向中小學(xué)生開放科學(xué)實(shí)踐活動。它可以展示現(xiàn)代科學(xué)與傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)結(jié)合的魅力，向社會播下科學(xué)的種子，從而讓3D打印和地質(zhì)學(xué)知識得到更廣泛的傳播。

3.4 3D打印支撐科研

在地質(zhì)學(xué)的科研領(lǐng)域中，3D建模已經(jīng)使用的非常廣泛，而3D打印技術(shù)還在探索和發(fā)展中。如3D打印人造巖芯技術(shù)，可以有效對天然巖芯進(jìn)行重復(fù)制造，可以設(shè)計(jì)特定的巖芯孔道充填結(jié)構(gòu)等，從而支撐科研工作。3D打印技術(shù)還在不斷地開拓，在地質(zhì)專業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

由上可見，通過將3D建?！?D打印技術(shù)應(yīng)用到基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室中，可以在課前、課中、課后全面服務(wù)于實(shí)驗(yàn)室，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和教學(xué)手段，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，并全面提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，獨(dú)立思考能力，綜合動手能力。同時(shí)，可在實(shí)驗(yàn)室教具建設(shè)，學(xué)校科學(xué)實(shí)踐活動以及科研方面提供更有力的支持。3D建?！?D打印技術(shù)的應(yīng)用，是基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)代化信息系統(tǒng)建設(shè)過程中的重要一步。