3d技术在教学中的应用

3d技术在教学中的应用（通用8篇）

3d技术在教学中的应用 篇1

1986年美国科学家查尔斯?胡尔发明出世界上第一台3D打印机。随后胡尔成立了世界上第一家3D打印设备公司。然而，这一技术却由于价格昂贵、不够成熟等原因并没有引起业界的重视。经过近30年的发展，3D打印技术已逐步走向成熟，且价格有所降低，开始风靡全球。2013年《地平线报告》的基础教育版，首次将3D打印的教育应用列入了“待普及”的新技术清单。3D打印技术越来越受到教育界的关注。

一、小学阶段开设相关课程的价值与意义

素质拓展课程是传统课堂教学的必要补充，是全面推进素质教育的有效途径，它注重个性塑造和创新能力的培养，旨在开拓学生视野和提升学生设计和动手的能力。随着各地教育教学水平和科学技术水平的发展，越来越多“新鲜”课程走进中小学素质拓展课堂。

小学阶段的学习是学生成长和成才的基础，对学生今后的发展方向起到引领作用。3D打印作为二十一世纪的朝阳产业，理应在人群中推广。“3D打印教育”由高等教育特定领域向基础教育普通课堂过渡，逐渐推向中小学课堂是其发展的必然趋势。目前，国内外对3D打印技术的教学应用处于起步阶段，还需不断摸索。可以明确的是，3D打印可以把新技术和创造性学习联系到一起，让学生体验新技术带来的巨大能量的同时，在项目探究中体会创新的乐趣。

二、3D打印技术在小学的教学内容

1.3D打印的定义

3D打印是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术，它是一种增材制造技术。

2.3D打印的应用领域

与传统的减材制造相比，3D打印技术摆脱了模型复杂程度的束缚，实现了完全数字化，降低了制造的难度，提高了制造的速度。近年来，3D打印被越来越多地应用于各个领域，如创业产业领域、制造业领域、航空航天领域、文物保护领域、医疗卫生领域等。

3.3D打印机

在小学教学中，我们主要使用了HOFI-X1 3D打印机。HOFI-X1 3D打印机是基于熔丝沉积制造（FDM）原理的3D打印设备，它与台式电脑或笔记本电脑通过USB电缆连接就可以打印出三维实体模型。3D打印的方式是逐层打印，每一个层都在上一层上堆积而成，上一层起到支撑的作用。随着打印时长的推移，3D打印作品逐步完成。学生可以清晰地看到打印的整个过程。这种设备结构一目了然，机器坚固耐用，性能稳定十分适用于小学教学。

4.制图软件介绍

Sketchup使用简便，学生可以快速上手，是一个极受欢迎的三维设计软件，它就像“铅笔”一样，可以画出理想的图形。TinkerCAD是一个基于浏览器的3D建模平台，没有软件安装条件的学生可以选择这个绘图方式。UG NX可以用于绘制二维和三维图形，是一款专业级的制图软件，多用于工程制图，功能强大，学生学习基本操作也不难上手。AutoCAD是一款计算机辅助设计软件，同样可以用于二维制图和基本三维设计，使用无需懂得程序设计，即可自动制图，因此它可以用于土木建筑、装饰装潢、工业制图、工程制图、电子工业、服装加工等多个领域。

5.三维扫描仪

三维扫描仪可以扫描出静态或者动态物体，由于三维扫描仪的扫描范围有限，因此需要变换扫描仪与物体的相对位置或将物体放置于电动转盘上，在光线充足的条件下经过多次扫描以拼凑物体的完整模型。三维扫描出的模型可以直接导入到3D打印机，并打印出来。

6.沙盘制作

学习了三维制图和打印机的使用后，学生已经具备自己设计制作简单模型的能力，他们不再满足于制作个人的小物品。给学生分组，以团队的形式分工合作制作沙盘，让他们在合作中真正实现自主创意、自主管理、自主学习，通力合作。学生自主创意的作品有颇具天津特色的天塔湖公园等。

三、结语

3D打印技术的原理、电脑制图是本课程的难点。小学生学起来还是需要一定时间，需要教师耐心教授。创意设计和模型制作是本课程的重点，教师应引导学生，并随时对他们提出的问题给予指点和反馈。3D打印技术在小学是一门全新的课程，教学没有经验可循，教师可通过总结归纳的方式，把学生提问的知识点转化为系统的知识结构。

素质拓展课程是激发学生兴趣和培养小学生动手能力的重要途径，这一阶段的学习对其终身发展起着至关重要的作用，值得重视。如今，3D打印的风暴已经波及全球，让学生接触并学习3D打印技术对于我国的科技发展具有战略性意义。

参考文献：

3d技术在教学中的应用 篇2

关键词：3D打印,PBL教学,骨科

以问题为基础的学习(Problem-based Learning, PBL)是以学生为中心,教师为引导,发展学生综合思维能力和解决问题能力的教学方法。由Barrow教授于1956年在加拿大的McMaster大学首先提出的一种全新的以学生为中心的教育方式。PBL已成为一种在国际上公认的教学模式[1,2,3]。该模式近十年来被引入我国高等院校教育,尤其在医学院校中被大力推崇[4,5,6]。

3D打印技术起源于19世纪末的美国,并在20世纪80年代得以发展和推广。3D打印是基于材料累加概念和叠层制造方法,在计算机的控制下,根据物体的CAD模型或CT等数据,通过材料的精确堆积制造原形的一种基于离散、堆积成型原理的数字化成型新技术,可自动而迅速地将设计思想转化为物理试验模型或直接制造零件,这样就可以制造出外形与结构等同于原形的、具有复杂空间结构的模型。CT三维重建和快速成型技术的结合可制造出1∶1等大的、高度仿真患者伤情的模型已成为现实,目前已经在临床上得到了初步的应用[7]。

解剖学和运动医学知识对骨科专业疾病的诊断、 治疗和手术操作极为重要。传统的骨科临床教学往往以教师为主体,学生为被动客体。大课由教师讲授基本知识和理论,小课由教师分析病例资料,学生缺乏主动性,知识和实践相脱节,教学效果不尽人意。作者运用3D打印技术,数字化真实再现患者的骨折或畸形, 为PBL骨科临床教学提供直观的教学模型。学生通过3D打印模型能够更好的以医生的角度去进行完整的临床诊治过程,再现患者的受伤机制、临床典型症状、骨折的移位和粉碎程度,建立正确的临床诊断,制定治疗方案,模拟手术操作。将3D打印应用到骨科临床PBL教学中,发现学生在临床病例分析、学习的主动性、资料的收集以及对新知识的获取等方面表现都明显优于单纯接受传统教学的学生。

1 PBL骨科临床教学的设计和实施

1.1病例的设计与选择

病例设计应该根据骨科教学大纲要求,选择能体现本专业特点的临床常见病、多发病。教学病例必须具有真实性和完整性。同时,病例的设计要有一定的复杂性和趣味性,通过学生激烈的讨论,充分的脑力震荡,得到预期的教学目的。病例中所涉及的问题是开放的,要圆满解决问题必须通过知识延伸、拓展、查阅辅助资料才能解决。同时所设计的问题要与医学前沿技术有联系,引导学生查阅英文原版教材和资料,了解本专业的新医疗新技术,有利于拓宽学生的视野,提高医学英语水平,激励学生的超前意识。结合骨科专业的特点,脊柱及四肢关节的解剖较为复杂,同时涉及运动医学和生物力学的相关知识。根据上述原则,选择关节周围复杂骨折、脊柱骨折和脊柱畸形的病例进行PBL教学。

1.2 3D打印模型的制备

PBL教学病例的设计和选择完成以后,为了使所选择的临床病例更具真实性,除了病例的资料(包括病人的一般情况、病史、体格检查和其它辅助检查)齐全、 真实外,还应设计符合临床的真实场景,这样能激发学生求知的欲望,体会到疾病的发生、演变和诊疗过程。 运用3D打印模型可以真实的展现病变的具体情况和严重程度,从而模拟患者的受伤场景和就诊情况。

3D打印模型的制备具体通过以下步骤完成:1获取PBL教学病例的薄层CT扫描数据;2采用区域剪切和滤波两种方法进行图像的二维预处理;3采用切片插值、图像分割和切片重组等方法进行图像三维预处理;4采用移动 立方体法 (Marching Cubes Algorithm,简称MC算法)来建立三维模型;53D打印制作实体模型,基于材料累加概念和叠层制造方法,在计算机的控制下,根据物体的CAD模型或CT等数据, 通过材料的精确堆积制造原形的一种基于离散、堆积成型原理的数字化成型新技术,可以制造出1∶1等大的、高度仿真患者伤情的模型[8]。

1.3分组

授课按小组进行,每个小组7名学生。每小组推选一名责任心强、有较强组织能力的学生担任“主治医师”。小组教学,一方面是让学生彼此协调合作,收集资料,找出问题的症结,了解病情的演变;另一方面是在“主治医师”的带领下进行筛选检查项目、得出临床诊断、制定治疗方案、实施手术操作等临床治疗工作。 通过小组学习可以调动学生学习的积极性,促进学生由被动学习向主动学习转变,强化团队协作意识。

1.4运用3D打印的PBL教学的实施

按照教学进度的安排,教师将病例资料提前一周通过网络发给“主治医师”,由他组织学员进行课前的相关知识准备。在课堂上,由“主治医师”组织组员进行讨论学习,最后由教师点评。教师可根据3D模型情况结合骨科病例资料准备以下问题:

1患者的受伤机制是什么?暴力的传导方向和性质是什么?

2患者的临床症状有哪些?有无特异性的表现?

3骨折的类型是什么?国际分型?

4受伤部位重要血管和神经的位置,如何诊断有无损伤?手术切口的设计和术中如何保护?

5根据3D模型,骨折的畸形如何修复?如何恢复生物力学的稳定?

6根据3D模型,如何选择固定方式?内固定还是外固定?内固定放置的合理部位在哪里?

7如何在3D模型上模拟手术步骤?如何防范术中出现的意外情况?

8脊柱畸形的分型?如何在3D模型上测量椎体的矫形角度,椎弓根螺钉的固定方式,如何恢复脊柱的稳定性?

93D模型的局限性如何克服?

1.5教师的引导和总结

在学生的讨论结束以后,教师要观察学生对病例是否感兴趣,讨论是否激烈,提出哪些预想不到的问题,得出哪些预想不到的结论,反应了哪些问题。将所收集到的信息进行分析总结后,对病例讨论过程中存在的问题进行一定的导向作用,并结合临床病例和解剖学相关知识进行全面与系统的总结。在PBL教学中发现,学生在“角色改变”后,更加积极主动的思考问题, 能够主动发现解剖学、生物力学等知识对临床工作的重要意义,从而激发学生对骨科基础知识的学习兴趣。

2运用3D打印的PBL教学的优点和不足

2.1巧妙地将解剖知识和临床相结合

局部解剖是骨外科临床学习的最基本知识点,也是学习过程中的难点。这是因为脊柱及四肢骨骼数量众多,还有包绕其周围的肌肉、血管和神经。如果机械的记忆一些解剖标志,往往是枯燥无味的,学习效果不佳。通过3D打印模型,学生可以根据课前已掌握的医学知识,去推理疾患的起因、症状和体征,进而尝试利用己有的医学知识对骨外科专科疾病诊断提出治疗方案,而这种认识的过程加深了学生对解剖结构特殊性的本质理解。例如,骨折在大课中己经学习,学生都停留在书本上的描述,没有感性认识。结合3D模型的PBL教学方式,可以使学生直观地学习解剖结构, 使学生能更好的从病例资料中模拟出患者当时受伤的场景。从解剖结构联系到生物力学特性,从单一的骨折联系到系统的诊断和治疗,从而推断出骨折的好发部位、力学特性、临床症状、以及出现的并发症,进而根据骨折的国际分型得出临床诊断,制定治疗方案,设计手术方案。在拓展病例的时候,教师可以设置一些问题,提示病例中涵盖的知识,进一步使与骨科相关的知识在学生的脑海里激荡。例如:“股骨颈骨折和股骨转子间骨折的部位非常接近,但治疗方法为何不同?同时股骨转之间骨折为什么固定方式不同?”。在总结评价的时候,教师可以借助3D模型告诉学生为什么让大家掌握这些骨科基础知识,它对临床工作有什么指导意义。通过这种教学方式,使与骨科相关的知识在学生的脑海里不断的激荡,很大程度地满足了学生对骨科临床学的求知欲,极大地调动了学习的积极性、主观能动性,从而达到很好的教学效果。

2.2培养学生的临床思维能力和激励创新能力

学生结束基础课的学习进入临床学习阶段,临床思维能力的培养是临床教学的重中之重。教师在传授知识时,应将临床诊治思维的培养融入到整个教学过程中。在PBL教学开始之前,教师可以设置一些有骨科特色性的病例讨论,培养学生通过病史和体征来判断疾病的初步诊断和开立必要的检验和检查、通过已取得的医学资料确定诊断或补充检查、通过诊断来制定治疗方案,制定手术方案和模拟操作的临床思维模式。例如,设置一个合并软组织损伤的复杂骨折的临床场景,教师设计一系列问题:1局部软组织损伤时的手术时机?2如何设计手术切口,避免加重软组织的损伤又可以避开重要的血管和神经?3内固定钢板如何安置才能将粉碎的骨块固定牢固,同时又符合生物力学原则?通过临床情景的起伏和波折和开放式问题的提示,学生能体会到疾病的演变和诊疗过程的真实性,展开热烈讨论,阐述不同的理解和观点,从而有利于学生的临床思维能力的形成和强化。

3D打印模型可以激励学生的创新能力。PBL教学所涉及的问题是开放的,所设计的问题与医学前沿技术有联系,引导学生查阅英文原版教材和资料,了解骨科的新医疗新技术。通过讨论学习,学生提出临床解决问题的方法,但方法是否正确?是否具有创新性? 可以通过3D打印模型模拟手术操作来实现。3D模型让学生从切口设计、选择手术入路、模拟合适的内固定器械和安装方法等方面发挥他们的创新潜能。

2.3运用3D打印模型的PBL教学的不足

PBL是一种以临床问题来激发学生创新思维并引导学生主动把握学习内容的教学模式。在引入早期存在一些问题,包括:1教室、设施、教师不足等问题, 需要耗费大量资金;2小班教学法及PBL授课方式增加教师的工作负担;3PBL教育方式与传统的教育方式发生冲突[9]。但通过不断的探索和“本土化”改革, 这些问题已经解决。

经过近年来我校临床医学专业八年制的PBL教学的实施,我们发现PBL教学的缺陷是整个病例讨论过程中没有学生和患者之间的感性接触,与现实的临床诊疗过程不相符合。PBL教学法实施中的核心内容是典型病例讨论,所提供的案例都是事先设计好的, 整个讨论过程病人缺席,学生不能和病人亲自接触进行交流,不能补充病史,不能体会病人的病痛,不能亲自查体,讨论只能建立在书面上,不能将理论知识和临床病人的表现很好地结合起来。

3D打印模型虽然在一定程度上弥补了学生对骨科疾病的感性认识,但3D打印的实物模型仍存在以下不足。首先,3D打印技术在临床上的应用尚处于初级阶段,需要不断地完善其技术;其次,3D打印模型无软组织附着,不能完全真实的再现肌肉、血管和神经的走形和分布;再次,3D打印模型模拟手术的截骨及内固定物植入操作与实际人体内的操作过程的逼真性可能达不到理想状态。

3结语

医学教育只有不断创新、与时俱进才能保持旺盛的生命力。PBL教学模式以其明确的目标性、充分的自主性、突出的实践性、深刻的启发性、强烈的综合性、 及时的评价性和密切的合作性深深吸引了学生和教师[10]。针对新世纪对医疗人才培养的新要求,我们必须改变传统的 “填鸭式”教学方法,尽可能多 地采用PBL教学模式,真正做到以学生为中心,在师生双向互动中完成教学任务。

3d技术在教学中的应用 篇3

概述

随着我国计算机图形应用技术的不断提升以及特殊材料的研发优化，3D打印技术已经从幻想变为了现实，甚至应用到社会生活的各个方面，在灯具设计领域亦是如此，灯具设计是工业设计的一个重要方面兼具着艺术设计的基因，设计不仅仅要考虑到实用性能的不断优化，审美需求也是设计中需要考虑的一个重要方面。当前的竞争是创意的竞争，将3D打印技术应用在灯具设计教学当中一方面是对教育教学模式的创新，另一方面也从前端人才培养的角度，减少了创意变为产品的周期，提升了创意的实现几率以及设计的转化率。本文将从3D打印技术应用的灯具教学与传统灯具教学的教育形式、效果对比出发研究3D打印技术在灯具设计教学中的应用及其意义，以期为灯具设计教学总结出更多的教育教学经验。

传统灯具设计教学中的困境

我国的灯具有着数千年的历史，底蕴十分丰厚，为当前的灯具设计提供了丰富的灵感，当前我国的灯具设计教学大多类属于工业设计，二教学模式也通常是从无到有的渐进式教学模式，首先教师教授基础知识，学生通过构思绘制图纸，后设计模型最终制作成品，这样的过程如非到最后制作成品的一步，其他人很难直观理解设计的理念，且这种教学模式的周期过长，学生需要许多次的经验积累才能够具有灯具设计的能力，传统灯具设计已经不适应当前更新换代快速的市场情况。

当前，随着工业技术的发展灯具设计的工艺越来越复杂，单纯依靠传统形式的设计远远无法达到工业工艺的需求，传统模式下的灯具设计教学模式中不能够为学生提供模拟创意效果并进行修改的途径，一方面来传统模式锻炼了学生的空间思维能力和想象力，但另一方面也提升了灯具设计师的入门门槛。3D打印技术在设计过程中就可以模拟材质效果及环境应用，着在传统灯具教学设计过程中是无法实现的，影响学生对于灯具实际应用的理解。

3D打印技术原理特点及在灯具设计教学中的优势

3D打印技术是通过三维造型软件的设计或直接扫描对某一物体在电脑中形成三维形象后，与3D打印机连接并制作出来模型或工业零件的技术。3D打印技术可以在软件设计过程中对物体模型的形态进行修改，有较强交互性。3D打印技术从狭义上来说主要是指增材制造技术，从成型工艺上来看，3D打印技术突破了传统成型方法限制，通过快速自动成型系统与计算机数据模型相结合，无需任何附加的工艺模具制造和机械加工就能制造出各种形状复杂的原型，使得产品的设计生产周期大大缩短，生产成本大幅下降。

3D打印技术的工作原理是对电脑中的三维模型进行分析、切割，获得数码塑形所需要的每一层的具体数据，后在根据所得数据逐层打印喷涂所得零件，由于数据为逐层获得，普通民用3D打印机所打印出来的零件都会有不均匀的截面横纹，需要人工或机械进行打磨，并将零部件拼接、粘连组装。因此3D打印技术是对工业生产的一大革命，一方面3D打印缩短了制造流程，3D打印技术最大的特点就是对传统生产线的颠覆，传统生产线上对零件的生产往往会因为产品的塑形而产生大量原材料的浪费，而3D打印技术因其预先进行了模型设计，在打印过程中也不会产生过多的材料浪费，大大地节约了生产成本。另一方面也是理念的颠覆，将产品的生产与生产线的存在剥离开来，产品从创意到成型只需数个步骤。例如一个创意弧形灯罩的制作只需在电脑中设计出弧形灯罩的的三维模型后，连接3D打印机后安装所需材料粉末及粘合剂，等待喷涂成型即可，无需繁琐的生产线工序。另一方面也减少了重复劳动的人工成本，是推动制造业快速发展的一大先驱技术力量。

目前工业设计的教学领域已经普遍引入了三维软件来辅助教学，灯具设计教学亦是如此，由于灯具这一产品类别在形态上较小，因此引入3D打印技术进入教学不存在技术上的难度。当前3D打印所能够使用的材料质地为金属材料和塑料材料、树脂材料、陶瓷材料、复合材料等等，已能够满足教学的基本实践需求。特别是PA材料和PC材料是灯具教学设计中3D打印最为常用的材料，原因在于PA材料有较强的稳定性和弹性，对于创意灯具设计来说有着较强的优势，而PC材料则有较强的硬度和物理稳定性。

灯具设计教学中应用3D打印技术的途径

随着人们对新事物探索进程的不断推进，3D打印技术所应用的领域越来越广，从传统工业到航天科技，从建筑设计到日常饮食，3D打印技术在不断完善，而将3D打印技术引入灯具设计教学，运用3D打印技术的优势来辅助灯具设计教学，是对3D打印技术应用领域的拓展，也是对灯具设计教育教学模式的创新。

3D打印技术作为一种新兴的理念、技术应用于课堂后可以提升学生对于课堂的兴趣，教师可以引导学生兴趣完成课堂教学内容，从课堂的整体气氛来看，通过引入学生所不熟悉甚至闻所未闻的3D打印技术，可将学生的被动接受式学习变为主动探索式学习。如在课堂中可邀请学生作为助手完成3D打印操作的实践，或可将3D打印实践作为一定时期内的分组探索设计活动，以小组为单位在实验室完成3D打印操作。

在传统教学实践当中，灯具设计专业的学生较少有实践的机会，设计作品也通常仅为图纸而已，而引入3D打印技术之后，学生可以有更多地实践机会，运用3D打印机来完成图纸设计，并以实物的形式验证设计结果的现实可行性，且成本较低。例如学生在课余时间用三维图形软件所设计制作的灯具模型在与指导教师交流修改后，可用3D打印机制作样品，并进行初步试验、调试就是实践的一组流程，而学生对于实践结果的期待也促生了学生学习的主动性。

3D打印技术的引入还可以作为教学工具来应用，灯具的设计不仅仅是造型的设计，还需要学生理解到内部的构造原理，从而通过创意来进行优化，而传统的方式往往不够直观，通过3D打印技术教师可以将所需零件现场讲解、设计、打印、拼接，让学生理解更加直观，不仅仅从听觉、视觉上刺激学生记忆，还可以从触觉方面优化学生对于知识的理解。作为教学工具，3D打印技术还可以为学生演示多方面多层次的灵感优化，如扫描某一树枝的形态并做修改后打印，作为灯体的支架，让学生领悟到创意的多样化和自然界的神奇多变。

3D打印技术应用于教学设计的意义

目前我国的3D打印技术还处于起步阶段，所能够应用的打印材料种类较少，而3D打印机由于精度的不同和应用环境的不同，设备的大小及价格都存在悬殊的差异。由于空间限制能够应用在课堂教学中的3D打印机的材料种类则更更少，且性能精度也相对更低，但从长远来看，3D打印技术应用于教学设计中有着重要的意义。

首先，运用3D打印技术在教学实践当中可以提升学生的基础理论素养。灯具设计有较强的综合性，兼具了工业设计与艺术设计的诸多特性，作为家居饰品的一个重大类别，灯具设计还涉及了家具软装的相关理论，因此学生所要掌握的基础理论十分庞杂，而通过3D打印机的教学实践则可以很好地关联所学知识，提升学生的基础理论素养。例如想要获得一个3D打印的底座，需要在图纸上进行设计，弧度、高低差、大小既要符合人体工程学要求，还要符合美学要求，这个过程就是对基础知识和创意的杂糅，将设计图变为三维模型也需要学生对软件的基础功能进行反复操作，才能雕琢出与图纸相符的三维模型，同时将图形变为3D打印的模型，学生需要对自身的模型有充分的了解，在了解的过程中学生通过巩固知识和查阅资料夯实了自身的基础理论素养，而设计过程中所出现的问题也能够进一步巩固学生的理论知识。

相对于传统教学，应用了3D打印技术的教学模式可以在教学过程中提升学生的实践能力。传统教学当中，学生所能够接触到的往往是教师的理论知识和二维平面图形，对于实际的灯具设计停留在图纸设计领域，学生对于灯具的外形原理及内部构造都没有直观的理解，设计实践难免纸上谈兵，而引入了3D打印技术之后，学生可以不断通过实践突破自身的设计，在实践过程中优化设计细节直至达到标准甚至优化创意。

引入3D打印的灯具设计教学模式也能够提升学生创意的商业转化率，提升学生设计与企业需求的衔接程度。学生在进入学校学习后不可避免的最初的设计往往是具有一定的模仿性或者十分稚嫩，不具有商业化的能力，但通过接触3D打印技术的实践之后，学生的理论水平和创意设计能留都将会有很大的提升，所设计出来的产品则有较强的独立性和创意自主性，具备了与企业接洽的基本能力，学生通过3D打印将自身最优设计展示出来，学生在大学期间所积累的设计经验对于毕业后进入企业也有着重要的作用。

结语

我国的3D打印技术虽然刚进入起步阶段，但各领域所获得的成果十分喜人，在教育领域，3D打印设备也在逐步应用，在灯具设计领域，3D打印技术可以促进学生掌握基础知识的同时还能够提升学生的实践能力。随着电子技术和材料技术的发展，相信在不远的未来能够有更多类型的3D打印设备和材料能够进入课堂为教学服务。

（作者单位：武汉交通职业学院）

基金项目：

产品设计教学中传统工艺的开发与应用--以灯饰设计的项目式教学为例。武汉交通职业学院一般项目，项目编号 ：Y2015006。

3D打印在教学中的应用研究 篇4

牛一帆

（山东省济宁市技师学院，济宁 272000）

【摘要】3D打印是一种新型的快速成型技术，它以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由3D打印机将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。目前，该技术已在各个领域都得到了广泛的应用。对3D打印的技术原理、特点、发展，3D打印在教学中的应用及作用做了深层次的探讨。最后，针对3D打印在教学中的应用，提出了需进一步思考和解决的相关问题。

【关键词】3D打印；三维模型；逐层叠加；教学创新；创造力；个性化

【中图分类号】G42

【文献标识码】A

Research on Teaching Application of 3D Printing

NIU Yifan

(Jining College of Technician, Jining 272000, China)Abstract: 3D printing technology is a new rapid prototyping technology that 3D model designed by computer is blueprint.3D model is decomposed into several plane layers by software, then pulverous, liquid or filamentous metal, ceramic, plastic, cell tissue and other materials are overlain layer by layer by 3D printer, and eventually physical product is molded.At present, this technology has been widely applied in various fields.Technology principle, characteristics, development and application in teaching of 3D printing are deeply explored.Finally, related problems need to be further thought and solved to application of 3D printing in teaching are put forward.Key words: 3D printing；3D model；overlying layer by layer；teaching innovation；creativity；personality

3D打印（Three Dimensions Printing）是一种新型的快速成型技术，它是以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品的技术[1]。该技术综合了数字建模技术、信息技术、机电控制技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，是一种具有高科技含量的综合性

本文参与课题项目：山东省济宁市技工教育和职业培训科研课题《高技能人才培养模式研究》，编号：RSJY-Z2014003。应用技术。目前，该技术已广泛地应用于工业产品制造、医疗行业、建筑业、汽车制造业、航空航天、食品、军事等行业[2]。

随着3D打印技术的发展，3D打印在教育领域中的应用也受到了研究者的普遍关注，一些国家和组织也开始对3D打印的教育应用进行探索。《地平线报告》是美国新媒体联盟与美国高校教育信息化协会合作发布的教育领域最有普及潜力的新技术报告。2013年版的《地平线报告》首次将3D打印的教育应用列入了“待普及”的新技术清单，并对3D打印作了较为详细的介绍，报告的编纂者认为，该技术将会在四到五年内普及[3]。

一、3D打印的技术原理和发展现状

（一）3D打印的原理与特点

1.3D打印技术原理

3D打印，又称三维打印，是一种快速成型技术。从3D打印的制作过程出发，可将其分为设计与打印两个阶段。

（1）设计阶段：3D建模

通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型[4]。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型[4]。

（2）打印阶段

在打印阶段，3D打印机对3D模型数据进行逐层分切，通过读取文件中的横截面信息，对分切的每一层进行构建，将这些截面逐层打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。目前，3D打印用到多种技术，最典型的有分层实体制造技术（LOM）、立体光刻技术（SL）、熔融挤出技术（FDM）和选择性激光烧结技术（SLS）四种。3D打印材料主要有尼龙材料、金属材料、石蜡材料、橡胶材料、生物材料、工程塑料、光敏树脂等[4]。

模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。

为了帮助普通用户更好地使用3D打印服务，已有一些公司推出了相关的网络服务和移动服务，并使用云计算技术，为用户提供便利的设计和打印服务。在未来社会制造的环境下，大批3D打印机将形成制造网络，并与互联网、物联网无缝连接，形成复杂的社会制造网络系统，实时满足人们的各种需求。

2.特点与不足 与传统制造业的“减材制造技术”相反，3D打印遵从的是加法原则，即“逐层叠加”原则，不再需要传统的刀具、夹具和机床，能实现设计制造一体化，从而大幅降低了生产成本，缩短了加工周期，提高了原材料和能源的利用率，减少了对环境的影响。3D打印可以实现大规模的个性化生产，可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,成型产品的密度也更加均匀。可以实现首件的净型成形，大大减小了后期的辅助加工量，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度。另外，由于其制造准备和数据转换的时间大幅减少，使得单件试制、小批量生产的周期和成本降低，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产。

3D打印技术目前也存在很多问题，比如某些行业缺乏宏观规划和引导、企业对技术研发投入不足、打印精度和打印速度不能满足需求等。

（二）3D打印技术的历史与现状

第一台商用3D打印机出现在1986年，但3D打印技术的真正确立是以美国麻省理工大学的Scans E.M.和Cima M.J.等人于1991年申报的关于三维打印专利为标志的[4]。

经历二十多年的探索和发展后，3D打印无论在技术、造价，还是应用领域方面都有了长足的进步。在打印技术方面，目前，主流打印机能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi分辨率的打印精度，较先进的产品已经具备每小时1英寸以上的垂直打印速率，并可实现24位色彩的彩色打印。用于打印的材料涵盖从石料、金属到目前占主流地位的高分子材料，甚至是面粉、蛋白粉等食品原料。目前，已开发出的可打印材料约为14类，可混搭出一百多种耗材。在造价方面，3D打印机的售价正在迅速降低。3D打印的应用领域也在迅速扩张。此外，全球第一家3D打印照相馆也于2013年初在日本开业，用户经过拍照、建模、打印三个阶段，就可以为自己制作一个三维头像。另外，微软Windows 8.1操作系统和Photoshop图像处理软件也已经开始支持3D打印功能。

二、3D打印在教学中的应用研究

（一）3D打印在教学中的具体应用

1.3D打印在各学科教学中的创新应用

3D打印技术作为一种通用的技术，可以应用到大部分的学科中去，涵盖正式学习、非正式学习和培训等类型的教育。下图1是数十个学科领域使用3D打印辅助教学的例子。

图1 3D打印在各学科教学中的应用案例

Fig.1 Application case of 3D printing in each subject teaching

2.3D打印教学应用项目

目前，一些国家和组织已经开始重视3D打印在教育领域中的应用，并开始探索这方面的研究。英国教育部开展了一项为期一年的试验项目（2012.10-2013.9），以21个学校为试点，将3D打印技术应用到数学、物理、计算机科学、工程和设计等课程中，探索3D打印的教学应用，推动教学创新[5]。该项目与英国物理学会、全国数学教学创优中心（NCETM）和3D打印机厂商Makerbot合作，在“人类学习可以通过制造和分享过程产生”的理念下，为使用3D技术的学校提供良好的理论指导和技术支持。参与项目的学校定期报告试验情况，分享经验。

美国国防高级研究计划局（DARPA）制作实验和拓展（MENTOR）项目计划在美国高中推广3D打印机[6]。MENTOR项目旨在培养高中生的工程技术，培养学生一系列的技能，并激发他们对工程、设计、制造和科学相关课程的兴趣，促进高中学龄的学生协作完成一系列的设计和制作方案，以帮助他们解决在未来设计和工程方面的挑战。3D打印机在动手和动脑的学习中发挥着重要作用，将有助于MENTOR计划培养目标的实现。

意大利理论物理国际研究中心（ICTP）利用网上的免费工具将数学中的等值曲面转化成三维模型，并打印出可用于课堂教学的实物或者很酷的装饰品[7]。将数学公式制作成三维模型主要有下面几个步骤：首先，需要一个能够在三维空间中对数学曲面建模的可视化软件，该项目中使用了免费的K3DSurf软件，这是一个支持参数方程和等值曲面的绘制工具，自带了五十多个范例。之后选择了pseudo-Duplin等值曲面为数据源，这个模型不仅看起来比较有趣，还能获得较好的3D打印效果。确定模型对象后，还要调整好模型的分辨率，将生成的三维模型导出为OBJ格式文件。接下来需要对三维模型进行打印前的加工。使用Netfabb Basic软件检测并修复模型中的网格错误，再将其转化成3D打印软件最常用的STL格式。然后使用Ultimaker公司开发的Cura软件，将三维模型大小调整为适合打印的尺寸。由于大部分数学等值曲面都有弧形的底部和内凹的空缺部分，这里需要放置一个支架来保证模型在打印过程中不会坍塌。最后将文件发送到打印服务，并利用不同的材料（如金属或陶瓷）将文件打印出来。3D打印还可以为枯燥的数学知识增添趣味性和实用性，将数字化和时尚相结合。通过技术手段，可以使得数学与艺术并驾齐驱，通过数学模型去构造和实现艺术设计。令人惊奇的是，一些数学曲面的形状和特性本来就特别适合于珠宝。例如，如下图2所示的实例不需要添加任何种类的挂环就可以作为吊挂的装饰物。

图2 打印前的3D结构（左）和打印出的实体模型（右）

Fig.2 3D structure before printing(the left figure)and printed physical model(the right figure)我国上海市也将3D打印引入基础教育领域。静安区青少年活动中心创意梦工厂配置了3D打印机及配套的3D扫描仪[8]，定期开设相关课程，免费供有兴趣的学生学习三维设计和计算机辅助制造，打印自己设计的产品。3D打印厂商也开始关注和重视3D打印在教育领域的应用和推广[9]。Stratasys公司为教育行业推出了一款面向高等教育机构的3D打印机教育包：Object30睿智（Scholar）[10]。该教育包具有超高分辨率和精确度，可以制造出具有光滑表面、移动部件、细节完善的模型，适用于小空间、办公室和桌面操作，能够兼容所有类别的3D软件。3D打印教育包将使学生有机会开发3D打印项目，为高校带来快速成型模具制造体验，帮助跨学科（尤其是理工科）的师生们快速实现创新与设计理念。

（二）3D打印在教学中的作用

1.可改善教学方式方法

在大部分的3D打印课程项目中，3D打印技术的本身并不是课程的重点。这类课程采用项目的形式，其主要目标是将抽象的概念变成有趣问题的解决，进而帮助教师和学生掌握抽象概念。如在《3D打印：从想象到现实》一书中提到的“边做边学”课程设计了一个制作风力发电机的项目，将物理学、电子技术的一些抽象概念和动手制作巧妙地结合起来，让学生自然而然地学会和应用这些基础知识[11]。此外，3D打印还可用来制作可视化教具和学具。原来的教学场景下，教师多使用语言和图片描述教学内容，多媒体课件中展示的教学内容模型也无法使学生直接接触和观察教学实体对象。形象直观的立体教具较少配备，或是无法定制。而且教学工具和仪器一般由专门的教学设备制作机构制作发行，更新慢。3D打印则提供了更多的创造空间，教师可以方便地自行制作和打印某些教具，以有形的三维格式展示教科书中提取的二维信息，并可设计个性化的教学模型以适应教学内容的要求并在课堂上展示。学生也可以观察、触摸和组装这些教具，这种方式显然要比原来的教学效果更好。

2.可辅助学生进行创新设计

工程类或建筑类项目的学生可以使用3D打印完成快速原型[12]。通过电脑直接将设计打印成微缩模型来构造设计方案，而不用花很多时间手工制作。通过这些快速原型，在设计初期就可以发现问题和不足，并且修正设计中的缺陷，教师也能及时给予指导和帮助。设计类专业的学生同样可利用3D打印技术快速实现他们的设计方案，并且到生活中进行检验和试用，把课堂上获得的技能和创造性构想应用到现实生活中。针对需要制作模型的课程，3D打印可以作为小组协作探究环境的一部分，承担对创意和技术方案进行快速验证的任务，促进学生创造力的培养和社会性认知。例如，Intel未来教育展示中有这么一个案例：某小学的物理课上讨论力学问题，学习小组设计了各种桥梁模型构造的方案，并将设计打印成实物，检验设计的承压能力。这就是一个将3D打印机作为探究学习环境的典型示例。

3.可提高学生的动手能力和参与协作意识，激发学生的学习积极性和创造力 3D打印需要学生的实践操作，从设计到打印，都需要他们参与完成，这将促进学生操作能力、观察能力和制作能力的发展，全面提高学生的动手能力和参与能力。而动手能力是学生实践学习的基础，在动手能力的基础上，学生才能进一步发展其研究能力和创新能力。同时，3D打印将激发学生DIY的兴趣，通过3D打印机，学生的构思转变为真实的立体彩色模型，将抽象概念和设计带入现实世界，使学习更加生动[12]。3D打印为学习活动开辟了新的空间，学生可以从设计、制作、展示、参与等角度融入到学习过程中，有效地激发了学生实践的积极性，提高了学习热情。

4.可营造更愉快的学习体验

3D打印的核心应用在于它能够帮助使用者将数字化的设计快速变成实物。独特的实物模型给学生提供了切身感受，并且可以操作模型互动，从另一个角度对事物增进了了解，能够帮助他们愉快地记忆，避免遗忘。还有，对于需要动手设计和制作的课程来说，3D打印可以帮助学生加速设计的过程，学生可以在设计的早期就通过原型化排除错误的设计，从而帮助他们避免因为浪费时间在无用工作上，或是项目失败带来的挫败感。

三、对3D打印教学应用的思考

3D打印技术虽然在当前教育领域的应用越来越多，但在未来的发展中，仍然有某些方面需要进行进一步的思考和持续探索。

（一）3D打印的普及与推广

首先，软硬件环境配备代价高昂，无论是3D打印机还是专业的三维建模软件价格都较高。同时3D扫描仪、三维模型的素材库等配套环境也有所缺失。而且入门级的3D打印机的工作效率很低，一个不太复杂的小物体都要数个小时才能打印出来，需要同时配备多台3D打印机才能满足一个30人小教学班的一次教学活动需要。虽然已经有一些项目（如“Object睿智教育包”、政府支持等）积极地推进3D打印机的教育应用，但在整体上，3D打印机在学校的普及还需要一个过程。同时，我国在3D打印技术的培训与推广方面，与其他国家相比还有差距，需要进一步推动新技术的学习，这需要教育行政部门、企业和学校共同努力。

（二）对教师的要求

教师在3D打印的教学应用中起着重要作用。一方面，教师自身是3D打印的使用者，可以通过3D打印制作个性化的教学模型；另一方面，教师要进行3D打印课程应用的教学设计，帮助和引导学生展开学习活动。因此，这将对教师提出更高的要求，教师需要从技术和教学设计等层面进行学习和提高，以做好领路人的角色。

（三）教育与教学改革

当前，全球教育领域正发生着革命性变化，3D打印、大规模在线学习课程（MOOC）[13]等的发展将对教育产生持续的深刻影响。因此，我们需要关注并参与到最新的工业革命和教育变革中，对原有教学课程重新进行设计和再造，加强创新型人才培养，这是我们未来能够在世界竞争中保持先进地位的根本保证。

[参考文献] [1]维基百科.“三维打印”词条[EB/OL].[2013-05-20].http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%89%E7%BB%B4%E6%89%93%E5%8D%B0.[2]张桂兰.神奇的3D打印[J].数码印刷,2013,(2):54-56.[3]National Program is The First of Its Kind to Put 3D Printers in High School Students’ Hands[EB/OL].http://.[11] University of Huddersfield.3D Printing Opens Educational Doors for the School of Art &Design[EB/OL].[2013-05-22].http:///documents/14_CaseStudy-Hudders field-FINAL.pdf.[12] Ex One Company.Z Corporation 3D Printing Technology Fast, Affordable and Uniquely Versatile [D].America：ZCORPORATION, 2008,(5):60-61.[13]王雪莹.3D 打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业,2012,(26):3-5.作者简介：

姓 名：牛一帆，出生年月：1982.5，性 别：女，籍 贯：山西长治，职 称：讲 师，印刷包装工程专职教师，邮寄地址：山东省济宁地区邹城市龙山北路759号兖矿新陆建设发展有限公司工程技术部

赵峰（收），邮政编码：273500。联系电话：*** 或者***，邮箱：nyf***@163.com，工作单位：山东省济宁市技师学院（邮政编码：272000，所在城市：山东省济宁市）。

3d技术在教学中的应用 篇5

摘 要：随着会展行业的壮大及发展理念的革新，会展道具的创新理念与应用面向多元化发展，将3D 打印技术运用于会展道具领域，既是机遇又是挑战。基于3D打印技术和会展道具行业的发展现状，综合分析3D 打印技术应用于会展道具领域中的优势和不足。若能解决该技术现存的一些问题，与会展道具的特性相融合，更好地“以变求新”，必将助推会展道具行业的蓬勃发展。

关键词：3D打印;会展道具;应用优势;现存问题

一、概述

(一)3D打印技术简介

3D打印是指3D打印设备将完整的计算机模型，以逐层堆叠打印材料的方式来制造三维产品的技术。与传统锻造工艺相比，3D打印技术具有个性化生产、操作简单、快速成型、高精度等特点。3D打印技术的出现与发展为各行业的制作、生产、销售模式带来了巨大变革，并以迅猛的态势发展。

(二)会展道具行业发展现状

会展道具是企业形象、展品与观众之间传递信息的重要媒介。通过道具外观、组合形态，形成视觉冲击力，博得观众瞩目，提高观众的认同感和偏好感，达到印象深刻的展示效果。

目前会展行业大量采用“八棱柱系列展架”，该构件能够实现组装、拆卸快捷、可循环使用的功能，但受制于传统加工模式，致使道具形式刻板，无法满足高端项目的个性化需求。在提高会展道具重复利用率的同时，强化会展道具艺术效果、丰富会展道具使用功能，是会展道具未来的发展趋势。

二、3D打印技术在会展道具领域的应用优势

(一)实现展台造型个性化

随着会展行业规模及其影响力的不断扩大，在展会中如何使展台脱颖而出吸引更多观众驻足成为参展商亟待解决的问题。参展商对展台个性化定制的需求日益加大，成为会展道具行业的发展趋势，而3D打印技术的问世成功解决了个性化定制这一难题。受传统生产工艺限制，扭转或异形曲面结构制作复杂，难度较大，但是通过3D打印技术，只需要在计算机内设计好道具模型，配合3D打印设备任何复杂难成型的构件均可通过“打印”方式在短时间内一次成型(图1)，如同平面打印一般可以同时打出不连续的线条，实现“即想即得”。

3D打印技术能够使很多看似天马行空的设计成为可能，挣脱技术短板所带来的桎梏，最大程度地将设计师的思维展现在世人的面前，使更多的灵感和创意将会成为真实的产品[1] 。3D打印技术丰富了展台展示形式，提升了展台的审美价值，为会展行业注入更多鲜活与不竭的动力。

(二)简化会展道具制造程序、缩短制作周期

传统锻造工艺从建模、开模到出样需要两三个月之久，3D打印生产无需开模、建立专门生产线，只需一台3D打印机就可将产品直接打印成型，大幅缩短制作周期并提高新品研发效率。另外对于一些结构复杂、精细的组件，不必一一开模制作，只需通过计算机和3D打印机反复修改调整，便能减少资源成本的浪费。

(三)提高会展道具研发期沟通效率

在道具研发初期，生产商往往只能借助较为抽象的平面图纸或是计算机草模作为可视化媒介与客户进行交流，缺乏直观性。3D打印机快速成型的特性使得道具构件可在短时内生产出来，更好地展示道具造型，证明道具结构合理性，在原型测试阶段及早发现道具在性能上的设计缺陷，规避道具生产风险。

比如3D system 公司的Cube3D printer(图2)，可以打印5.5 英寸×5.5英寸×5.5英寸大小的立体模型。有了这种设备，一些小型道具，生产商和客户在各自办公室就可以直接制作出来，及时进行原型测评，该方式大幅度提高了沟通的效率，给未来会展道具研发、制造模式带来颠覆性的变革。另外，使用企业内部的3D 打印设备制作原型，避免了由于原型制作生产的外包而带来的知识产权泄露的风险[2]。

(四)降低人工成本

3D打印机可以实现零技术制造，普通人可在不通过任何专业培训的条件下，使用机器打印道具，实现现场制造。并且在打印过程中不用专人看管，只需等待产品完成，某种程度上来说道具的研发到生产只需道具设计师一人即可，大大节省了人工和运输的额外花费。

(五)打印材料多元融合，绿色低碳

大部分会展道具在撤展后不能回收利用，造成大量建筑垃圾，新型节能环保材料的探寻与新技术的开发利用是当代会展行业研究的新方向。行业发展理念的`转变，促使会展道具在设计制作上应结合多种材料属性，实现低碳、环保、可持续发展。

随着3D打印设备的不断革新，目前我们可以将多种原材料融合在一起，形成新的材料打印成品。以废弃的小麦、水稻、玉米等秸秆经过粉碎与添加化学材料的分子与功能改进制成的3D 打印材料，价格低廉，绿色环保，改善了秸秆焚烧对环境的污染，同时节约了能源，这些新材料新技术极大地开拓了设计者的设计塑造空间[3]。

三、3D打印技术在会展道具行业中遇到的阻碍

(一)道具模型颜色单一

3D打印技术可以快速制造出任何形状的道具，但3D打印机对于原件的颜色，就显得有些无能为力了。它不像普通打印机可以在平面上同时打印出各种色彩，它往往只能打印出一个颜色，成品的颜色看上去仅仅像是其原型的阴影，无法展现物件表面肌理和质感(图3)。虽然打印出的部件可以通过后期抛光、电镀、上色达到理想效果，但这无疑增加了工序，提高了成本。

(二)打印成品材质单一

材料是道具的皮肤， 如今会展道具设计推崇自然和人工材料的有机融合，将不同属性的材质组合搭配，强化会展道具功能、突显材质美感进而提升道具视觉艺术属性。目前的3D 打印技术可以做到把基本材料组合打印产生新材料，但3D打印机不能做到将不同材料焊接为一体，无法在同一时间内叠加打印多种材料，使其应用范围大大折扣。

(三)打印成本相对较高，难以普及

目前，我国3D打印原材料缺乏相关标准，国内有能力生产3D打印材料的企业很少，特别是金属材料主要依赖进口，价格高，这就造成了3D打产品成本较高，影响了其产业化的进程[4]。3D打印技术用于个性化产品制作，成本相对比较低，但如果是批量生产，价格就远高于生产线制造，并且3D打印设备价格高，小型设计公司或是自由设计师缺乏购买力，在设计行业中普及困难。

因此，当前的迫切任务就是加大3D打印材料的研发和生产，丰富色彩选择，同时不断改进3D打印技术提高打印品质，从而促进我国3D打印产业的发展和普及。

四、展望

3D打印技术的发展，为会展道具行业的发展提供了无限的可能性，拓展了道具形式自由度，参展商和生厂商不用再顾虑生产方式，而可以专注于道具形态、功能、低碳环保的创新。虽然现有的3D打印设备和打印材料价格相对较高，但随着3D打印技术的不断革新与成熟，新材料的研发与应用，打印成本下降将是未来的趋势。新技术的引进与应用促进了会展道具研发生产的创新，3D打印技术必将为会展道具设计行业带来巨大的变革，助推其发展。

参考文献：

[1]岑立，杨建琛，元斐斌.3D打印技术对建筑行业发展的影响[J].科技创新导报，，(12)：37.

[2]张楠，李飞.3D打印技术对产品设计理念的影响[J].机械设计，，30(07)：97-99.

[3]李文嘉.基于BID 思维的3D打印家具设计创新研究[J].美术界，2015，(01)：76-77.

3d技术在教学中的应用 篇6

3D激光扫描仪在河口村坝址地形图测绘中的应用

主要介绍了3D激光扫描仪的地形测绘原理、作业步骤及成图方法,并就操作中的关键技术进行了分析.

作 者：赵保国 苗云鹏 ZHAO Bao-guo MIAO Yun-peng 作者单位：黄河勘测规划设计有限公司测绘院,河南,郑州,450045刊 名：测绘与空间地理信息英文刊名：GEOMATICS & SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGY年，卷(期)：32(4)分类号：P204关键词：3维激光扫描 地形测绘 应用

3d技术在教学中的应用 篇7

二、调研过程

三、体验情况

四、影响

1. 学生对3D的反应。

2. 家长对3D的反应。

3. 教育成果。 (接上期)

4. 课堂表现与注意力。

所有的教师都认为3D课堂上的学生注意力更加集中。70%的教师注意到, 无3D参与课堂教学部分, 有46%的学生在五分钟间隔测试中的注意力集中, 而在3D参与课堂教学部分, 有92%的学生在五分钟间隔测试中注意力集中。在3D的影响下, 96%的学生在五分钟播放阶段注意力集中。3D体验和后续的问题讨论使学生们继续保持高度集中的注意力。

在开始3D项目以前, 38%的教师表示担心或非常担心学生会对3D投影持消极态度。同时, 46%的教师 (在使用3D前接受调查) 担心学生会感到无聊。实际上, 在项目进行期间, 我们观察到, 所有参与进来的学校的学生在使用了3D后, 注意力都有提高, 课堂行为活跃。对教师的后期调查显示, 所有的教师一致认为学生们在3D课堂更加专注。70%的教师表示, 在3D课堂学生们的课堂表现非常积极。在体验3D过程中和体验结束后, 学生们的注意力明显提升。 (参看表1, 学生们感觉他们在3D课堂的注意力明显高于常规课堂。)

平均46%的学生在五分钟无3D参与间隔测试中注意力集中。92%的学生在有3D参与的五分钟间隔测试中注意力集中。当3D放映结束后, 学生们的注意力继续保持集中状态, 并持续整节课。例如, 观看3D后, 有96%的学生注意力集中。很明显3D体验和后续的问题讨论使学生继续保持注意力。

男生和那些有注意力障碍的学生在使用3D后, 与使用2D相比在注意力和交流方面发生了积极转变 (包括提问) 。数据显示, 患自闭症的学生的注意力提高, 但只发生在一小部分身上, 而且结果不太一致, 因此无法断定3D对自闭症群体的影响。

在调研中, 一个被认为是“最糟糕的班级”参与了3D试验项目。教师报告称学生的课堂表现明显提高, 事实上他的班级在试验阶段表现出色。在另一个“有挑战性”的参与班级, 学生们的行为也发生了巨大转变。学生们认为自己在3D课堂表现得更好 (68%的学生认同或强烈认同) 。

在所有被观察的班级中, 学生在使用3D眼镜观看学习时都更加安静, 更加专注。有一点要引起注意的就是, 3D带来了注意力高度集中的“安静”课堂, 某些糟糕的教师可能会将它看做是维护课堂秩序的工具而不是促进学习的技术。还有一点就是, 学生们会在课堂长时间使用眼镜, 被动地观看教师播放的3D内容。但在试验班级, 我们没有发现这些, 在授课过程中执教老师非常积极。实际上, 他们采取了更有创意, 更积极的教学方法。

下面的案例分析基于我们对一个班级的观察, 阐述了3D是如何提高注意力与降低课堂“开小差”行为的。

课程开始时, 执教老师展示了眼镜的3D塑料模型。学生们尝试着观看这个小模型。50%的学生开始走神, 他们没有专注于观看模型和老师的讲解。模型展示持续了三分钟。相反, 在3D课堂, 课程刚开始就传来“哇”“啊”的惊叹声。学生们井然有序, 注意力集中。3D动画中有旁白, 但老师会在每个部分结束后暂停并补充讲解。3D展示持续了九分钟, 所有的孩子都很安静, 很专注。最后, 老师和学生们共同重新观看了一遍。所有的学生都继续保持集中的注意力。在观看两分钟时, 有两名学生走神, 但很快又专注起来。一个学生又开始走神, 但他却无法打断其他人的注意力, 虽然他想这么做。

有些教师担心学生会过于“激动”, 引起某些破坏行为, 但这并未发生。“我开始时不确定, 他们太兴奋了。”

“3D让他们有些过于激动, 毕竟对他们来说是新事物。”“孩子们非常兴奋, 但并不过激。”

5. 主动性。

有证据表明在3D课堂, 学生们的学习主动性非常高。后期调查结果显示, 所有教师都认同或强烈认同, 学生们在3D课堂学得更愉快。调查结果显示, 大部分学生认为有了3D, 学习更有趣 (参见表3, 88%的学生认为有了3D, 学习更“有趣了”) 。

在课堂走访期间, 学生们的学习主动性表现得非常明显。例如, 当老师表示今天要使用3D讲解生物课时, 下面出现了激动的讨论声。有教师认为3D的激励效果会随着时间而消失, 但在八周的试验过程中并没有出现这样的问题。

由于教师经常变换教学法, 学生们保持了以往的积极主动性, 更加融入课堂, 对学习更感兴趣。例如, 一个由十二岁孩子组成的二十四人的班级在使用3D学习了一个单元后, 老师感觉3D激励了他们, 让他们愉快地学习了课程。在以后的3D教学中, 学生们会表现出更大的主动性, 且非常愿意与来自世界各地的伙伴们分享3D体验。

教师们认为科技是未来教学的一个重要部分, 学生们需要接触“先进”的技术作为学习体验的一部分。学校的IT工作者表示在未来会出现互动性更强, 用户制作的课件。

“我可以想象, 在未来会出现多触点交互式多媒体墙。每个学生都会有一个PICO (微小的, 单独的投影仪) 。也许3D被装置在移动设备上与网络相连通。家庭 (家长) 或社区可以通过远程网络与学校相连接, 会出现更多用户开发的课件。我们会更好地利用常规学习模式。游戏将成为促进学习的动力。”

教师们认为学生学习主动性的提高使他们在测试中取得更好的成绩并促进了他们的理解。如以下教师们的评论 :

“最大的改变就是他们的学习主动性和课堂气氛。学生们更专注, 他们可以长时间保持注意力集中的状态。我无法给出理论的证明, 但这来自我的切实感受。学生们很感兴趣, 所以他们愿意去学习。”

“孩子们真的与以前大不相同了, 他们非常兴奋, 整个试验阶段他们都表现得非常感兴趣。我现在使用3D课件带领他们复习, 他们被分成小组, 选择一个人体器官, 在接下来的时间里自己使用课件讲解。他们有自己的眼镜, 自己启动设备, 调整教室的光线。”

6. 交流。

有人担心, 在黑暗的教室里戴着眼镜观看3D, 学生们会变得被动而不愿交流。虽然很多教师都渴望一个安静的课堂氛围, 但交流与互动是教学过程中重要的部分。下列来自教师的评论显示, 虽然学生开始观看3D时表现得很安静, 长时间下来, 学生不但专注也更加喜欢交流。事实上, 间隔追踪测试显示, 在3D播放阶段学生们很安静, 但播放一结束, 课堂讨论和提问也增加了。有些教师注意到这一点, 评论称那些不常提问的学生也开始询问有关3D内容的问题了。

在开始3D教学前, 有人认为3D学习方式可能最适合男生。虽然有证据现显示, 男生更喜欢3D, 但实际上3D对女生同样具有吸引力。在进行的几组调查中, 只有少数例子说明男生与女生之间存在统计数字上的差别。

学生和老师都喜欢戴着眼镜, 即使在没有观看的时候。眼镜看起来并没有阻止正常的课堂互动。3D播放开始前, 有学生会主动发表一些观点, 回答一些问题, 更多的学生会做出回应。一位学生主动回答了一些问题。老师表示这位学生以前从未回答过问题。平时只有40%的学生会尝试着回答问题 (举手) 。然而在3D课堂, 68%的学生主动回答老师的提问。

数据显示3D影像有促进交流的作用, 会引发学生们自然而然地谈论。他们会围绕所见而展开讨论, 3D课件内容成了谈论的焦点, 因此, 3D成为了可分享的媒介。在反馈中只体现了3D对交流的积极影响, 没有发现消极影响。

7. 评估。

教师将3D与现有学科和评估练习联系在一起, 进行得非常顺利。在3D内容, 课堂实验和工作表结合教学的课堂, 学生们学得很轻松。学生似乎在3D内容与2D图表相结合的课堂没遇到什么问题。

3D在课程导入上特别有效, 也是个非常有力的复习工具。在后期调查中, 70%的教师认为学生在使用3D后记住了更多。有些样本课件有“复习”功能, 让学生们可以练习单词, 复习物体结构和事物发展顺序, 通过一系列的活动来促进学习。学生认为3D是个有效的复习工具, 可以帮助他们提高测试分数, 老师和学生都已经非常熟悉3D, 认为3D在课堂中更加广泛的应用将引发评估规则的改变。

调查结果认为, 3D教学会引发评估方式的转变。评估需要作出改变, 从关注学生的整体情况转变为更加准确地了解学生的学习水平、行为和课堂表现, 这些都是可以用来增强理解与学习主动性的因素。传统的学习和相关的评估方式与创新以及未来的学习实践并不协调。

在调研期间, 我们做了一些测试。教师们记录了一个月后学生的记忆情况, 3D班级和无3D班级在记忆上存在质与量的区别。最终公开测试决定了3D对记忆和回想的影响。例如, 在描述概念时, 3D组的学生更愿意使用手势或肢体语言 ;3D组的学生逻辑性很强 ;他们对知识概念的理解更好 (尤其当一个新的概念通过3D引入时) , 他们在学习时更有技巧, 包括做更多笔记, 谈论更多, 更愿意使用模型展示所学。

四周以后, 3D班级的学生比2D班的学生记住了更多有关人体功能的知识。区别不仅体现在记忆的数量上, 他们用更加系统的方式进行记忆。3D班级的学生在公开测试中给出了更加详细的答案, 他们用“3D的思维方式”去思考。举一个例子, 在制作植物细胞模型的测试中, 2D对比组的学生几乎全部模仿老师的模型。而3D组的同学制作了3D模型, 非常与众不同 (并没有模仿老师的模型) , 展示了对细胞结构更加深刻的理解。同样, 在另一个实例中, 3D班级的学生用塑料瓶和气球做出了肺的3D模型。许多学生在回答测试问题时使用了手势, 试着去重新创造3D体验, 更好地回答测试问题。

以下案例分析来自瑞典的一所学校, 说明3D激发了学生更深层的理解 :

在这个项目中我感受到整个班级都融入其中, 不仅仅是3D组。我的积极状态可能起到了作用。我发现使用3D观看的小组对功能理解得更好。对事物的发展顺序也理解得更好, 他们还能够描述更多细节。最大的区别出现在当我要求他们描述心脏功能时, 在继续学习眼睛和耳朵的课程时, 我发现2D组需要更加努力才能赶上3D组。我认为3D帮助学生进行了更深刻地理解, 使他们更专注地学习。观看3D的学生使用了更多的模型来展示他的学习成果。3D组的许多学生选择用粘土展示事物。当2D组看到3D组的展示后 (模型制作) 他们也想那么做。

8. 有特殊教育需求的学生。

所有参与未来学习第一阶段的欧洲国家都将政策和实践范围内有特殊教育需求班级的学生放到常规班级中。

如表4所示, 虽然参与项目的学生就个人学习水平而言被认为是“平均的”, 在未来学习一阶段项目选取的班级中, 学生水平各不相同。

注释 :每所学校都有移民背景的学生, 但不成 为班级的主要构成或者将他们忽略不计。

在有些国家, 我们很难了解有特殊教育需求学生的人数, 因为家长和学生有权保密。在未来学习一阶段项目中, 有特殊教育需求的学生成为3D课堂的一部分。由于他们的人数很少, 我们不能最终证明3D对这些学生的影响, 但教师们的普遍观点是, 3D对这些面临着行为挑战的群体有着积极的影响。

浅谈3D动画技术在电影中的应用 篇8

关键词：3D动画；电影；应用

中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：1671-864X（2015）11-0173-01

动画设置的工作就是在已经展好的UV的模型上进行骨骼绑定并且蒙皮，在一些高端的制作的当中我们还会为相应的角色添加肌肉系统，使角色能够与骨骼和肌肉发生互动。动画师通过动画捕捉或是对一系列的属性K帧就可以在计算机中生成完美的动画。这项工作我们在银幕中是看不见的但是却是非常重要的一个环节，没有这一环节的工作，角色是不可能发生合理的运动的，而且这一环节的工作质量直接响着动画动画的制作。

就是在不同的时间点上记录不同属性的属性值，通过时间的回放我们便可以看到计算机中生成的动画。这是一项古老而最实用的技术，大部分的动画师在制作动画的时候采用的都是关键帧技术。

运动捕捉系统是一种用于精确测量运动物体在三维空间运动状况的高技术设备。它基于计算机图形学原理，通过排布在空间中的数个视频捕捉设备将运动物体的运动状况以图片的形式记录下来，然后使用计算计对该图像进行处理，得到不同时间单位上不同物体的空间坐标，从而在计算机中生成动画。运动捕捉设备在电脑上的接口通常采用MotionBuilder这款软件，也是Autodesk公式出品的动画软件，它和Maya配合得非常好。这种技术由于它的方便和捕捉动作的真实性现在在电影中应用得越来越广泛。

群集动画技术是为了解决影片中大量角色动画而产生的一种基于非线性动画和程序语言的动画技术。尤其适合制作电影中的战争场面。Maya的群集动画技术是非常薄弱的，电影中的常见群集动画一般都是通过Massive这个软件完成的，Massive程序提供了大量的动画片段和程序扩展能力，在许多影片中得到了应用。例如在影片《指环王》、《南京南京》、《英雄》中的应用，相信我们已经领略到了此项技术所带来的视觉震撼力和冲击力是巨大的，它的应用更是为影片中大型场面带来了极大的方便。

综上，3D动画技术在电影中的应用为电影带来了全新的表现形式和拍摄手法，极大的增强了电影的视听表现力。尤其是运动捕捉技术的不断发展，将会改变许多影片中的拍摄方式，在以后的一些电影题材中，如科幻、魔幻、玄幻类的电影中我们在银幕上看到的可能都是就是计算机生成的虚拟角色。当然这些技术的应用都是为了方便拍摄电影而拍摄的。自然的减小了影片的制作成本。

3D是three-dimensional的缩写，就是三维图形。在计算机里显示3D图形，就是说在平面里显示三维图形。之所以要在计算机里显示三维图形，就是要追求更高的真实感，如果要在人眼里感觉图像是真是的，必须要分析人眼的特性，人眼具有近大远小的特性。简单的说就是虚拟三维技术。这种技术是基于计算机图形学理论的，就是在计算机中通过特定的程序运算使生成的图像具有三维立体的效果，3D技术的应用范围极其广泛。

最初的3D动画技术更多的是应用在动画片及动画电影中，这期间迪斯尼公司制作的多部动画电影极大的推动了3D技术的发展。1995年，由迪斯尼发行的《玩具总动员》上映，这部纯三维制作的动画片取得了巨大的成功。三维动画迅速取代传统动画成为最卖座的动画片种。迪斯尼公司在其后发行的《玩具总动员2》、《恐龙》、《怪物公司》、《虫虫特工队》都取得了巨大的成功。另外，梦工厂发行的《蚁哥雄兵》、《怪物史瑞克》等三维动画片，也获得了巨大的商业成功。而随着摄影机反求技术的发展，真人实拍加电脑三维合成受到了各大电影制作公司和导演的青睐，《侏罗纪公园》、《星球大战》、《泰坦尼克号》、《蜘蛛侠》、《金刚》、《魔戒》、《变形金刚》、《2012》等一系列影片的出现让我们充分的领略到了3D动画技术的魅力。尤其是在2010初，著名导演詹姆斯·卡梅隆推出了力作《阿凡达》，又将3D动画技术推向了一个新的高度，也开辟了3D电影元年。可以说如今的电影制作已经离不开3D技术了，3D技术可以创造的视觉奇迹和巨大的商业价值可谓有目共睹。

3D动画技术已经有30多年的历史，由于计算机图形学理论的不断发展和完善，3D动画技术可谓发展到了一个前所未有的高度，现在在电影中应用更是越来越广泛、越来越深入。如今，不论是好莱坞还是国产电影，对3D技术的应用越来越广泛，我们可以纵观2009和2010年在中国上映的所有大片，没有一部是不会用到计算机3D技术的，尤其是《阿凡达》的到来，更加让我们领略到了3D动画技术的强大魅力，开创了3D电影元年！可以说计算机3D技术逐渐成为当代电影不可或缺的一部分。

总之，3D动画技术在电影中的应用前景是广阔的，它逐渐的渗透到电影制作的各个领域。我国也逐渐重视3D技术的发展，相关企业都得到了政府的强有力支持。3D技术在电影中所创造的价值是无限的，让我们一起期待3D动画的灿烂明天，也期待中国电影的辉煌未来！

参考文献：