3D打印技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中的應(yīng)用

【摘要】3D打印技術(shù)是一種快速成形的新技術(shù)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，介紹了3D打印的工作原理，探討了將3D打印技術(shù)引入到虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，對(duì)教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)都有明顯的效果。

【關(guān)鍵詞】3D打??；虛擬現(xiàn)實(shí)；教育創(chuàng)新

1.引言

3D打印技術(shù)的思想起源于19世紀(jì)末的美國(guó)，并在20世紀(jì)80年代得到發(fā)展和推廣，如今已經(jīng)是日益發(fā)展成熟，成為當(dāng)前最熱門的新興技術(shù)之一。2013年5月30日在北京召開的首屆世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)成立了世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，標(biāo)志著3D打印技術(shù)真正進(jìn)入了大規(guī)模應(yīng)用和研究的階段。

對(duì)3D打印技術(shù)的大規(guī)模研究引起了教育工作者的關(guān)注。《地平線報(bào)告》是美國(guó)新媒體聯(lián)盟與美國(guó)學(xué)校網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合會(huì)合作發(fā)布的教育領(lǐng)域最引人關(guān)注的新技術(shù)報(bào)告。2013年版的《地平線報(bào)告》首次將3D打印的教育應(yīng)用列入了“待普及”的新技術(shù)清單，并對(duì)3D打印作了比較詳細(xì)的介紹，報(bào)告認(rèn)為，該技術(shù)將會(huì)在4到5年之內(nèi)普及[1]。目前，在教育領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用才剛剛起步，目前還有一定的局限性，有許多問(wèn)題值得研究。該項(xiàng)技術(shù)在教育方面極具創(chuàng)新潛力和廣泛應(yīng)用的前景，本文先介紹3D打印的原理，然后對(duì)3D打印在虛擬現(xiàn)實(shí)課程教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

2.3D打印技術(shù)的原理

3D打印技術(shù)是添加制造技術(shù)的一種形式，作為新興的技術(shù)，3D打印的工作原理和傳統(tǒng)的打印相類似，只不過(guò)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(jī)的材質(zhì)及構(gòu)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(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或計(jì)算機(jī)動(dòng)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(shù)據(jù)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)把這些信息傳輸給3D打印機(jī)，3D打印機(jī)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(qū)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(huì)迅速固化粘結(jié)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)體模型將會(huì)被粘結(jié)起來(lái)，“打印”完成后，需要對(duì)打印的模型進(jìn)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(xiàn)到人們面前。與傳統(tǒng)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(yōu)勢(shì)。這種方式既不會(huì)產(chǎn)生廢料，而且還能生產(chǎn)出各種造型復(fù)雜的產(chǎn)品。并且省去了傳統(tǒng)模型制作中向傳統(tǒng)供應(yīng)商提交數(shù)據(jù)、產(chǎn)生訂單、等待發(fā)貨以及收貨等種種繁瑣的程序。

3.3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的實(shí)踐性很強(qiáng)，教學(xué)過(guò)程實(shí)際上就是一個(gè)不斷實(shí)踐的過(guò)程。學(xué)生在教師指導(dǎo)下獨(dú)立自主地學(xué)習(xí)，通過(guò)親身的實(shí)踐活動(dòng)，不斷地從感性實(shí)踐上升到理性認(rèn)識(shí)，再反過(guò)來(lái)指導(dǎo)感性實(shí)踐。通過(guò)這種學(xué)習(xí)，學(xué)生的觀察能力、獨(dú)立思考能力、動(dòng)手能力得到了很好的鍛煉；求實(shí)的科學(xué)態(tài)度、探究的科學(xué)精神、熱愛(ài)科學(xué)的情感也得到了培養(yǎng)[2]。

3.1 3D打印技術(shù)有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維

3D打印技術(shù)作為一種連接虛擬現(xiàn)實(shí)中三維設(shè)計(jì)與真實(shí)世界模型的技術(shù)，不僅豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境，而且激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。3D打印機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)將學(xué)生的三維設(shè)計(jì)想法快速地進(jìn)地生成原型，而不用花很多時(shí)間手工制作，通過(guò)快速生成的原型，在設(shè)計(jì)初期就可以更快、更安全地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和不足，并且修正設(shè)計(jì)中的缺陷，教師也能及時(shí)給予指導(dǎo)和幫助。在這一過(guò)程中能夠引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一個(gè)不斷創(chuàng)新的設(shè)計(jì)過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)。利用3D打印還有助于營(yíng)造一種優(yōu)質(zhì)的創(chuàng)作環(huán)境，不斷強(qiáng)化學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、批判性思維和問(wèn)題解決能力，這些也是知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的人才培養(yǎng)目標(biāo)之一。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的大型模型，還可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，每組設(shè)計(jì)一部分模型，然后互相進(jìn)行交流，這種交互活動(dòng)不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的合作精神和協(xié)作能力，而且能夠充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。

3.2 3D打印技術(shù)有助于改善教學(xué)效果

3D打印技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于能拓展人們想象的空間。不論是教師還是學(xué)生一旦他們有新的想法時(shí)，都可以通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就使得以后的教育將變得更靈活，使得學(xué)生以后不僅僅是被動(dòng)的單純接受知識(shí)，還可以對(duì)知識(shí)進(jìn)行主動(dòng)的探索。在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中，很多教師都希望都將電腦中三維虛擬的模型轉(zhuǎn)化為可觀察、可觸摸的實(shí)體模型，以便學(xué)生可以更形象更直觀地去理解所學(xué)的知識(shí)和技能，讓學(xué)生獲得切身的體驗(yàn)。3D打印正好解決了這個(gè)問(wèn)題，并且它可以幫老師更好的傳遞他們的教學(xué)思想。通過(guò)3D打印，既能夠幫助學(xué)生更好地掌握抽象三維虛擬模型，也為教師講解該教學(xué)內(nèi)容提供了一種更直觀的方法。一個(gè)具體的實(shí)物勝過(guò)成百上千句話語(yǔ)的表述。因此，在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中運(yùn)用3D打印可以深化學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)的領(lǐng)悟，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，將復(fù)雜的知識(shí)變得更容易理解。使教學(xué)活動(dòng)更高效。3D打印技術(shù)可以大大激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的能動(dòng)性和創(chuàng)造性，從而也更好地提高了教師的教學(xué)效果。

3.3 3D技術(shù)打印有助于營(yíng)造更愉快的學(xué)習(xí)體驗(yàn)

由于成本和技術(shù)問(wèn)題，傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中學(xué)生僅在電腦上完成三維設(shè)計(jì)方案，不能夠制作模型。配備3D打印機(jī)以后，通過(guò)3D打印即可及時(shí)看到自己設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品，學(xué)生的設(shè)計(jì)得到了快速的實(shí)現(xiàn)。3D打印的核心應(yīng)用就在于它能夠幫助學(xué)生將數(shù)字化的三維設(shè)計(jì)快速變成可觸摸的實(shí)體模型。獨(dú)特的實(shí)物模型能使學(xué)生獲得切身的感受，并且學(xué)生還可以跟模型進(jìn)行互動(dòng)，從另一個(gè)角度增加對(duì)模型的了解，在這個(gè)過(guò)程中，能夠幫助學(xué)生獲得愉快地學(xué)習(xí)體驗(yàn)，增強(qiáng)他們記憶，避免遺忘。這將更好地激發(fā)學(xué)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(shè)計(jì)自己生產(chǎn)作品的過(guò)程中。在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中，3D打印加速了學(xué)生三維設(shè)計(jì)的過(guò)程，幫助他們避免了把時(shí)間浪費(fèi)在無(wú)用工作上，也避免了最終三維設(shè)計(jì)不合理所帶來(lái)的挫敗感，使學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)更為愉快。

4.結(jié)束語(yǔ)

3D打印豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。3D打印技術(shù)在本質(zhì)上是多媒體技術(shù)的延伸，它拓展了人的感覺(jué)和知覺(jué)，促進(jìn)了人的思維能力的進(jìn)一步發(fā)展，它與教學(xué)的融合勢(shì)在必行。各院校應(yīng)將3D打印引入到虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，拓展學(xué)生的想象空間，開發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維，提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。3D打印機(jī)在教學(xué)中的使用，必將會(huì)推動(dòng)教學(xué)方式的變革，對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行改革，不久的將來(lái)，3D打印也會(huì)像電腦和互聯(lián)網(wǎng)一樣在學(xué)校和家庭中普及。作為教育工作者絕對(duì)不應(yīng)該錯(cuò)過(guò)使用這項(xiàng)新技術(shù)的大好時(shí)機(jī)。雖然目前3D打印的普及還面臨著很多現(xiàn)實(shí)困難，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和飛速發(fā)展，很多我們現(xiàn)在面臨的難題都會(huì)迎刃而解。讓我們?cè)趯?shí)踐中繼續(xù)探索3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，借此推動(dòng)教學(xué)活動(dòng)的創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)[M].天津：南開大學(xué)出版社，2001.