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)一個更全面的基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室平臺。本文就3D建模—3D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個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)時數(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隨地的在線學(xué)習(xí)。使得實(shí)驗(yàn)課程不再受空間和時間的限制，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建模——多方面輔助實(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，這個平臺可以在以下幾個方面輔助優(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)示范在短時間內(nèi)連續(xù)完成，另外由于觀察時間和角度等問題，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間和場地學(xué)習(xí)，不再有課堂時間不足的煩惱。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間內(nèi)需要耗費(fèi)時間和精力，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。在需要的時候，隨時根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的情況及時打印補(bǔ)充。

3D打印還能滿足老師創(chuàng)新改革以及個性化的教學(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)計和打印出來，學(xué)生在進(jìn)行對稱和旋轉(zhuǎn)操作時，可以直接看到假想的對稱軸和對稱面的類型和方向。同時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)，可以滿足個性化定制的需求。也可以在模型上設(shè)計打印二維碼等，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打印模具隨時需要隨時打印，在產(chǎn)品個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，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，除了地質(zhì)專業(yè)知識的支撐，創(chuàng)意的設(shè)計，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，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建模—3D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，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建模—3D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。