3D打印技術在虛擬現實教學中的應用

【摘要】3D打印技術是一種快速成形的新技術，已經在許多領域得到了廣泛的應用，介紹了3D打印的工作原理，探討了將3D打印技術引入到虛擬現實教學中，提高學生的學習興趣和動手能力，進一步激發學生的創新思維，對教師的教學和學生的學習都有明顯的效果。

【關鍵詞】3D打印；虛擬現實；教育創新

1.引言

3D打印技術的思想起源于19世紀末的美國，并在20世紀80年代得到發展和推廣，如今已經是日益發展成熟，成為當前最熱門的新興技術之一。2013年5月30日在北京召開的首屆世界3D打印技術產業大會成立了世界3D打印技術產業聯盟，標志著3D打印技術真正進入了大規模應用和研究的階段。

對3D打印技術的大規模研究引起了教育工作者的關注。《地平線報告》是美國新媒體聯盟與美國學校網絡聯合會合作發布的教育領域最引人關注的新技術報告。2013年版的《地平線報告》首次將3D打印的教育應用列入了“待普及”的新技術清單，并對3D打印作了比較詳細的介紹，報告認為，該技術將會在4到5年之內普及[1]。目前，在教育領域，3D打印技術的應用才剛剛起步，目前還有一定的局限性，有許多問題值得研究。該項技術在教育方面極具創新潛力和廣泛應用的前景，本文先介紹3D打印的原理，然后對3D打印在虛擬現實課程教學中的應用進行探討。

2.3D打印技術的原理

3D打印技術是添加制造技術的一種形式，作為新興的技術，3D打印的工作原理和傳統的打印相類似，只不過打印所用的原材料由油墨換成了尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠等多種原材料。雖然不同3D打印機的材質及構造不相同，但其工作原理都是采用逐層打印，疊加成型的模式。首先得通過計算機輔助設計或計算機動畫建模軟件建模，再將建成的三維模型“切片”成逐層的截面數據，然后通過計算機把這些信息傳輸給3D打印機，3D打印機從底部開始打印，每一層的打印分為兩步，首先在需要成型的區域噴灑一層特殊膠水，然后在膠水上噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化粘結。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被粘結起來，“打印”完成后，需要對打印的模型進行后期處理，例如固化、剝離、模型的修整等，最終將立體的物體呈現到人們面前。與傳統模型制作相比，3D打印具有制作精度高和制作周期短等顯著優勢。這種方式既不會產生廢料，而且還能生產出各種造型復雜的產品。并且省去了傳統模型制作中向傳統供應商提交數據、產生訂單、等待發貨以及收貨等種種繁瑣的程序。

3.3D打印技術在教學中的應用

虛擬現實教學的實踐性很強，教學過程實際上就是一個不斷實踐的過程。學生在教師指導下獨立自主地學習，通過親身的實踐活動，不斷地從感性實踐上升到理性認識，再反過來指導感性實踐。通過這種學習，學生的觀察能力、獨立思考能力、動手能力得到了很好的鍛煉；求實的科學態度、探究的科學精神、熱愛科學的情感也得到了培養[2]。

3.1 3D打印技術有助于激發學生的創新思維

3D打印技術作為一種連接虛擬現實中三維設計與真實世界模型的技術，不僅豐富了學生的學習環境，而且激發了學生的創新思維。3D打印機能夠實現將學生的三維設計想法快速地進地生成原型，而不用花很多時間手工制作，通過快速生成的原型，在設計初期就可以更快、更安全地發現問題和不足，并且修正設計中的缺陷，教師也能及時給予指導和幫助。在這一過程中能夠引導學生進行一個不斷創新的設計過程，促進學生創造力的培養。利用3D打印還有助于營造一種優質的創作環境，不斷強化學生的設計能力、批判性思維和問題解決能力，這些也是知識經濟時代的人才培養目標之一。對于一個復雜的大型模型，還可以對學生進行分組，每組設計一部分模型，然后互相進行交流，這種交互活動不僅能夠培養學生的合作精神和協作能力，而且能夠充分激發學生的創造性。

3.2 3D打印技術有助于改善教學效果

3D打印技術的最大優勢在于能拓展人們想象的空間。不論是教師還是學生一旦他們有新的想法時，都可以通過3D打印技術來實現。這就使得以后的教育將變得更靈活，使得學生以后不僅僅是被動的單純接受知識，還可以對知識進行主動的探索。在虛擬現實教學中，很多教師都希望都將電腦中三維虛擬的模型轉化為可觀察、可觸摸的實體模型，以便學生可以更形象更直觀地去理解所學的知識和技能，讓學生獲得切身的體驗。3D打印正好解決了這個問題，并且它可以幫老師更好的傳遞他們的教學思想。通過3D打印，既能夠幫助學生更好地掌握抽象三維虛擬模型，也為教師講解該教學內容提供了一種更直觀的方法。一個具體的實物勝過成百上千句話語的表述。因此，在虛擬現實教學中運用3D打印可以深化學生對抽象知識的領悟，提高學生的學習效率，將復雜的知識變得更容易理解。使教學活動更高效。3D打印技術可以大大激發學生在學習中的能動性和創造性，從而也更好地提高了教師的教學效果。

3.3 3D技術打印有助于營造更愉快的學習體驗

由于成本和技術問題，傳統虛擬現實教學中學生僅在電腦上完成三維設計方案，不能夠制作模型。配備3D打印機以后，通過3D打印即可及時看到自己設計出的產品，學生的設計得到了快速的實現。3D打印的核心應用就在于它能夠幫助學生將數字化的三維設計快速變成可觸摸的實體模型。獨特的實物模型能使學生獲得切身的感受，并且學生還可以跟模型進行互動，從另一個角度增加對模型的了解，在這個過程中，能夠幫助學生獲得愉快地學習體驗，增強他們記憶，避免遺忘。這將更好地激發學生的靈感，給予他們更多的想象空間，使他們更愿意去加入到自己設計自己生產作品的過程中。在虛擬現實教學中，3D打印加速了學生三維設計的過程，幫助他們避免了把時間浪費在無用工作上，也避免了最終三維設計不合理所帶來的挫敗感，使學生的學習體驗更為愉快。

4.結束語

3D打印豐富了學生的學習體驗。3D打印技術在本質上是多媒體技術的延伸，它拓展了人的感覺和知覺，促進了人的思維能力的進一步發展，它與教學的融合勢在必行。各院校應將3D打印引入到虛擬現實教學中，促進學生綜合能力的培養，拓展學生的想象空間，開發學生的發散思維，提升學生的設計能力，增強學生設計的嚴謹性，提高學生的動手能力。3D打印機在教學中的使用，必將會推動教學方式的變革，對傳統的教學模式進行改革，不久的將來，3D打印也會像電腦和互聯網一樣在學校和家庭中普及。作為教育工作者絕對不應該錯過使用這項新技術的大好時機。雖然目前3D打印的普及還面臨著很多現實困難，但隨著技術的不斷進步和飛速發展，很多我們現在面臨的難題都會迎刃而解。讓我們在實踐中繼續探索3D打印技術在教學中的應用，借此推動教學活動的創新。

參考文獻

[1]NMC.NMCHorizonReport：2013HigherEducation Edition[EB/OL].[2013-05-22].http：//www.nmc.org/pdf/2013-horizon-report-HE.pdf.

[2]勞凱聲.教育學[M].天津：南開大學出版社，2001.