3D建模-3D打印技術在基礎地質實驗室的運用探討

高潔胡華

（長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100）

0 引言

在信息化技術飛速發展，3D建模和3D打印廣泛應用的今天，基礎地質實驗室也在積極地跟進現代化信息系統建設的步伐。高校可將專業課程中的實驗物品進行3D建模數據虛擬化，而虛擬數據的模型又可進一步通過3D打印出來。實現從實物到虛擬，又從虛擬到實物，形成實—虛—實相結合的教學閉環。這種虛實結合的多樣化的實驗室平臺能夠應用于基礎地質實驗室，多方位的服務于師生的實驗教學和學習，拓展實驗室的更多功能，建設一個更全面的基礎地質實驗室平臺。本文就3D建模—3D打印技術在基礎地質實驗室教學中的應用做了探討。

1 3D建模和打印與實驗室的融合

在地學類的專業培養中，往往涉及大量的實驗課程。以長江大學（武漢校區）基礎地質實驗室為例，每年開設101個實驗項目，學時數達1 500以上。大量的專業基礎和專業課程都需要在實驗室中進行實驗部分的操作學習，需要使用大量的教具和標本進行教學。

傳統的基礎地質實驗課程，常常首先以平面教學（PPT、圖片）講解為主，再輔助使用定制的教學模型或是標本進行展示。其中大多課程中都會用到一些定制教具，比如結晶學與礦物學課程中的晶體模型，晶體光學中的光率體模型，古生物學課程中的古生物模型，構造地質學課程中的地質構造模型等，這些教具通常由塑料和木頭材料定制而成，一直以來都在基礎地質實驗的傳統教學中扮演著重要的角色。而隨著計算機科技的發展，通過將信息化技術與實驗教學緊密結合，讓高校的實驗教學發生了翻天覆地的變化。3D圖形的建立，使得老師在實驗課程授課過程中，就可以直接在多媒體上進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驗室標本3D數據化的建設中。而隨后，虛擬仿真實驗室概念的產生和虛擬仿真實驗平臺的建設，實現了將實驗教學資源數據化并整合投放到平臺，讓學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習。使得實驗課程不再受空間和時間的限制，極大地方便了廣大師生，并彌補了傳統實驗教學中的不足，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虛擬仿真實驗室的建設，以滿足現代化的建設需求。特別是在新冠肺炎疫情期間，虛擬仿真實驗室平臺更是起到非常重要的作用，它使得學生在隔離狀態下，也能順利地進行實驗課程的操作和學習。實驗教學的3D數據資源化和虛擬實驗室平臺的建設，實現了實驗教學從實物到虛擬的邁進，是高校實驗教學（同時也是基礎地質實驗教學）發展改革中的重要一步。

隨著近幾年3D打印技術的成熟和3D打印成本的降低，3D打印技術開始普及。使得人們開始不斷地去嘗試3D打印機能夠打印的物品，這一技術也漸漸運用到高校的實驗室建設以及基礎地質實驗室建設中。比如，北京大學地質系實驗教學中心、西安工業大學、同濟大學的教學團隊已經嘗試了3D打印晶體模型，并作為教具，獲得了很好的反饋。3D打印的出現及運用，使得高校的實驗教學可以將虛擬數據通過打印轉變成實物，極大地方便了實驗室自主研發和自制教具。

2 3D建模——多方面輔助實驗室教學

首先，實現從實到虛，即在基礎地質實驗室中應用3D建模技術，將實物模型虛擬化。巖礦標本的3D建模通常依靠多角度的照片，用軟件后期合成達到3D效果；教具可直接使用Auto 3DMax建模。例如：結晶學中的晶體模型通常可以運用晶體幾何形態三維可視化軟件Shape、JCrystal；晶體內部三維結構三維可視化軟件CrystalMaker和Diamond[2]；晶體單形可使用Shapr（App）、Rhino、Auto 3DMax等常規3D專業軟件，甚至是利用基于手機的App，來建立起3D模型資源。在完成一定數量的模型資源庫的基礎上，后期就可以進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化基礎地質實驗室教學。

2.1 服務于課前：支撐自主學習

學生可以通過平臺，在實驗課前就了解實驗目的和過程。模型庫中的三維動畫可以將課程的基礎內容以及重難點直接展現在學生面前，提供學生自主學習。三維動畫的模式也極大地提高了學生的學習興趣，在自學的過程中，增加了學生創新學習的機會，培養了學生獨立思考問題、分析問題的能力。能讓學生進行有效的預習，抓住重難點，提高學習效率。

2.2 服務于課堂：優化教學效果

地質學的很多實驗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，在傳統的基礎地質實驗教學中，通過老師的傳統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的教學模型在講臺上授課，但是老師的實驗示范在短時間內連續完成，另外由于觀察時間和角度等問題，即使授課老師反復示范，由于每位學生理解與動手能力存在差異，很難確保每一位同學在頭腦中形成清晰連續的實驗操作步驟[3]。所以，利用動態的3D模型演示空間結構，每位同學都可以使用手機或電腦進行反復的旋轉操作，可幫助同學在頭腦中理清空間概念，剖析細節，化難為易，跟上教學進度，從而優化教學效果。

2.3 服務于課后：反復使用教學資源

同學們可以隨時隨地通過電腦或手機去學習，不再像之前的傳統教學，需要前往實驗室預約，才能看到模型和標本，也增加了實驗老師的工作量。虛擬平臺的建設可以極大地方便學生學習和老師管理，學生可以不受限制在任意時間和場地學習，不再有課堂時間不足的煩惱。而老師也能通過后臺了解學生的學習狀況，還能和學生進行互動。所以，它可以不受標本、時間、場地的限制，也能夠讓學生自己掌握進度，重復操作。虛擬教學資源可幫助學生無限制的反復學習。

2.4 教學資源的擴建與共享

實物教具和標本有可能會出現標本不典型，或是數量不夠的問題，而虛擬教學資源就能解決這個難題。3D數據庫不僅僅只限于實驗室擁有的標本，實驗室沒有的標本也可以分批建設到平臺中，無限制豐富實驗教學資源。資源庫的建立雖然在短時間內需要耗費時間和精力，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和更新，資源庫便可以一直服務于師生，甚至是面向社會開放。實現了資源共享、遠程教學等，滿足現代化的教學需求。

3 3D打印——搭建更優化的實驗室平臺

從虛擬回歸到實物，也就是從3D建模到實現3D打印。在3D資源搭建好之后，就可以進行3D打印的準備工作。3D數據完成之后，可以將文件換為3D打印文件格式（STL）并進行切片處理。將做好的文件經過切片后保存成GCODE文件格式導出到SD卡中。由3D打印機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，打印機系統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地質實驗室建設中。

3.1 自制3D打印教學模具

3D建模的數據設置好參數通過3D打印機打印出來，其打印成品大小合適，質地輕盈，成本低廉，很適合作為教具投入教學中使用。比如結晶學中晶體結構模型的47種幾何單形，屬于最基礎的一些立體幾何圖形，如立方體、八面體、三方柱、四方柱等，它們形狀規則，表面光滑，可以很方便的建模和通過3D打印機打印出來。另外，晶體光學中的光率體模型、各種各樣的古生物模型、地質構造模型等，只要完成建模，都可以實現打印。在需要的時候，隨時根據實驗室的情況及時打印補充。

3D打印還能滿足老師創新改革以及個性化的教學需求，可添加和刪減一些教具上的細節內容。比如為了獲得很直觀的教學效果，可以把結晶軸和對稱面在晶體模型中設計和打印出來，學生在進行對稱和旋轉操作時，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，學生用小型的學習，可以滿足個性化定制的需求。也可以在模型上設計打印二維碼等，方便學生掃碼查看資料。

傳統的模型往往需要大規模的定制和采購，而3D打印模具隨時需要隨時打印，在產品個性化和可更新性上更具有優勢，是實驗室非常理想的教學模型。

3.2 承擔學校及社會科學實踐活動

3D打印可以支持學生的科學實踐活動，全面提高學生的軟件操作能力和綜合動手能力。除了地質專業教具的打印之外，學生還可以進行自主創意設計，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計，除了地質專業知識的支撐，創意的設計，更是極大地鍛煉了學生的動手能力。在模型打印過程中，會出現各種各樣需要解決的問題：斑點疤痕、錯層、拉絲垂料、過熱、打印耗材無法粘貼在工作臺上等。學生在操作的過程中，時刻都要積極思考，將理論運用于實際，觀察發現問題、解決問題、反思問題并且從中獲取經驗。學生對于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意變成實物，非常有成就感。在充分鍛煉學生實踐能力的同時，也激發了學生學習專業基礎課的熱情，真正實現三維教學，實現現代化創新模式的教學。

3.3 3D打印服務于社會活動

高校實驗室由于其得天獨厚的資源和場地，非常適合作為社會科普場所使用。而基礎地質實驗室擁有眾多的典型礦物、巖漿巖、沉積巖、變質巖標本，以及薄片和顯微鏡等，可以讓大家全方面地走進地質，了解地球，面向社會傳播地質學知識，是優良的地質科普基地。

在基礎地質實驗室承擔科普教育活動中，3D打印也可以作為實驗室的開放項目，面向社會展示或面向中小學生開放科學實踐活動。它可以展示現代科學與傳統地質學結合的魅力，向社會播下科學的種子，從而讓3D打印和地質學知識得到更廣泛的傳播。

3.4 3D打印支撐科研

在地質學的科研領域中，3D建模已經使用的非常廣泛，而3D打印技術還在探索和發展中。如3D打印人造巖芯技術，可以有效對天然巖芯進行重復制造，可以設計特定的巖芯孔道充填結構等，從而支撐科研工作。3D打印技術還在不斷地開拓，在地質專業的應用領域有著良好的應用前景。

4 結語

由上可見，通過將3D建模—3D打印技術應用到基礎地質實驗室中，可以在課前、課中、課后全面服務于實驗室，豐富實驗教學資源和教學手段，增強實驗教學效果，并全面提高學生的自主學習能力，獨立思考能力，綜合動手能力。同時，可在實驗室教具建設，學校科學實踐活動以及科研方面提供更有力的支持。3D建模—3D打印技術的應用，是基礎地質實驗室的現代化信息系統建設過程中的重要一步。