3D打印技術在城市地理學實踐教學中的應用*

◆匡鑫

3D打印技術在城市地理學實踐教學中的應用*

◆匡鑫

以地理類教學為例，探討地理類課程教學實踐中利用3D打印技術的過程和方法，闡述該教學理念在高校實踐教學中的作用和成效。

3D打印技術；城市地理學；實踐教學

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

1　3D打印技術概述

3D打印技術發明于20世紀80年代，是通過電子制圖、遠程數據傳輸、激光掃描、材料熔化等一系列技術，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，最終把電子模型圖變成實物的技術。該技術具有環境污染小、提高材料的使用率等特點。有關專家表示，這種技術代表了制造業發展新趨勢。

3D打印機的應用對象非常廣泛，應用范圍最廣的主要集中在四個方面：一是概念模型；二是結構和外觀的測試或者實驗；三是一些功能性的測試；四是直接制造。

2　教學實施過程及應用

目前3D打印技術在高校的實踐教學中尚處于探索和嘗試階段。筆者以“城市地理學”教學為例，總結利用3D打印技術開展地理類教學的步驟和方法。

明確教學目標教師要在深入鉆研教材的基礎上，要求學生利用3D打印模型了解城市的特點，依據城市3D打印模型了解掌握地域城鎮綜合體的分布特征和功能、規模結構，可以運用3D打印設計軟件對城市進行規劃，實現城市的最優化布局。

實物測繪、軟件建模教學活動遵循“提出問題、3D設計、3D打印、知識形成”的過程，采取項目化教學方法，按主題的不同將學生分成若干小組，要求小組成員利用3D打印機打印出3D作品。要想完成這個項目，第一項就是建立城市3D模型，需要學生照顧到每一個細節，建筑、橋梁、馬路、人行道都不可以放過，因為每一個細節都是讓城市活起來的要素。小組內的成員合作討論該城市的設計方案，對各項設施和資源進行合理布局，形成初步方案；之后將搜集到的數據及設置好的數據庫參數輸入3D打印設計軟件中進行三維建模。

打印3D模型學生在得出滿意的三維模型后，將模型輸入3D打印機中，不同的3D打印機操作過程是不同的。以RepRap Pro Ormerod2打印機為例，其打印格式是G文件，如果文件格式是G文件，就可直接打印；如果是STL格式，就需要轉化格式，方可打印。通過“窗口”→“系統設置”→“擴展”→“安裝擴展程序”，從Slicr軟件程序中選擇G-code格式，將三維地形模型轉化為適合RepRap Pro 0M2打印機識別的G-code格式，即可進行打印。在打印過程中由于學生經驗不夠，可能會產生三維數據不準確，出現方向反轉、產生縫隙等問題。針對這種情況，教師要及時進行分析和講解，使學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城市規劃模型進行展示，向教師和其他組的學生匯報設計思路，闡述規劃理念，說明規劃中的亮點，表達設計過程中的感悟與思考。其余小組在聽取該城市規劃設計方案后提出問題，匯報小組針對這些問題進行答辯。待所有小組作品匯報展示完畢后，教師對這些方案進行評價。最初教師可讓學生制作簡單的社區規劃圖，隨后可通過讓學生設計和制作大型的城市規劃模型，讓學生逐漸熟練和掌握繪圖、打印的方法，逐步提升學生的3D打印作品的水平。對于小型社區規劃，教師以是否精確來作為重要的衡量標準；對于大型城市規劃，教師要以城區布局是否合理來作為評分標準。這樣多元化的評價標準，激發了學生學習的興趣和自信心，使他們更加投入到3D打印技術的學習中去。

3　3D打印技術的作用和成效

有利于培養學生的地理能力對于學生來說，在進行城市規劃設計時，需要了解城市的體形機構與各個要素之間的關系，包括城市的天際線、制高點、邊緣和入口、建筑物、街道、廣場等，這些在設計過程中需要進行大量的空間形象思維。傳統的地理實踐中采用的是沙盤制作的方法，學生根據教師提供的圖片和圖表來設計沙盤，使學生很難直觀地判斷出設計方案的實際效果。3D打印技術的使用可以使學生對設計方案的總體規劃指標進行分析，直觀查看效果，不斷調整城市布局，實現城市空間結構的合理利用，有利于培養創新意識，鼓勵學生進行創新實踐，發展學生立體空間思維。為了驗證3D打印技術應用于教學對于學生空間能力的培養有著積極意義，筆者選定兩組學生作為實驗對象，分別采用3D教育和普通教學方法，通過比較發現，3D教育下的學生立體感更強，興趣也更濃厚。

由于城市規劃的日益復雜，傳統的手工模型制作已經無法滿足教學的需要。3D打印技術的應用可以使學生的觀察能力、獨立思考能力、動手能力得到很好的鍛煉。一個城市不可能憑空建設出來，它總是有背景的，一項好的設計必然將背景因素考慮在內，并且對此做出處理。使用3D打印技術可以在城市規劃設計時制作城市全景式模型，比如可以隨意轉換組合的模型。這樣做的優點在于，只需要通過不同的組合來改變設計規劃，不需要反復從頭開始。隨著建筑項目進度的不斷深入，3D模型的性質也變了。之前已經確定了初步的宏觀想法，緊接著便要優化細節了。城市規劃涵蓋了商業區、居民區等多種設施，學生只需要使用3D打印機就可制作出1：1的等比例的模型。

促進學生的研討與合作具有合作能力是當今社會對人才的基本要求。3D打印技術應用到實踐教學中，學生之間形成合作團隊，自然而然地引進監督機制、競爭機制和評價機制，每個個體都處于集體的監督之下和評價之中，小組之間、小組中的個體之間形成一種競爭，這樣學生的團隊意識進一步增強，實踐能力顯著提高。另外，教師可以和學生一起合作，使學生感到有一種安全感、親近感，師生之間更能產生一種融洽感，教師也能更直接、更進一步地了解學生，便于更及時、更有針對性地指導學生訓練。在3D模型制作過程中，凸顯了學生的主體地位，促進了人與人的交流與溝通，形成問題解決的過程與思維。

增強教學的實效性在傳統的城市地理教學過程中，教師在講解城市規劃設計時，利用多媒體技術向學生展示城市規劃的圖片，或者拿著一個手工制作的城市規劃模型給全班學生講解，對學生理解科學合理的布局城市有著較大難度。3D打印技術只需學生輸入相關的數據就可得到滿意的三維模型。過去的實踐訓練中，需要制作手工比例模型來展示自己的城市規劃成果，費時費力，而且成本高昂；使用3D打印技術過程中就可以完整展現學生的實際理念，做出一個與3D圖一模一樣的模型，更加直觀地展現在大家面前。而且在制作過程中，學生可隨時修正數據，能很大程度上縮短制作時間，節省費用，有效提高教學質量和教學效率。

4　結語

3D打印在醫療、航天航空、藝術等眾多領域都已經得到廣泛應用，將3D打印技術應用于高校實踐教學中是一項新興而具有挑戰性的工作，需要高校領導高度重視，在吸取國外高校3D打印技術實踐教學的基礎上，探索出適合本校的教學模式，以培養出適合社會需要的應用型人才。

［1］李青，王青.3D打印：一種新興的學習技術［J］.遠程教育雜志，2013（4）.

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

［3］鄧富強，馬選民.3D打印技術在虛擬現實教學中的應用［J］.電子世界，2014（10）.

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1671-489X（2016）03-0162-02

“黃岡師范學院科研基金項目”（項目編號：2015022403）。

作者：匡鑫，黃岡師范學院（438000）。