虛擬現(xiàn)實(shí)與3D打印技術(shù)深度融合

蔡雷+++李巖

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)是目前廣受追捧的一門綜合性技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和人工智能等多種技術(shù)，并且已經(jīng)逐步應(yīng)用在教育、醫(yī)療、娛樂(lè)、軍事等眾多領(lǐng)域。3D打印技術(shù)同樣是20世紀(jì)末出現(xiàn)的顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)的新興技術(shù)。這兩種技術(shù)的融合既是一種大膽的嘗試，也是未來(lái)發(fā)展的方向。特別是在國(guó)內(nèi)高中教育階段，如果能將兩者有效融合，將會(huì)為培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力帶來(lái)顛覆性的變革。

三維設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)

北京市第六十五中學(xué)是北京市中小學(xué)科技教育示范校。依托金鵬科技團(tuán)的優(yōu)勢(shì)資源，學(xué)校于2014年9月成為東城區(qū)教委“三維設(shè)計(jì)與3D打印”培訓(xùn)試點(diǎn)校的第一批實(shí)踐者。經(jīng)過(guò)了半年的集中培訓(xùn)和反復(fù)實(shí)踐，學(xué)校不僅配備了8臺(tái)先進(jìn)的3D打印機(jī)，還組織三維設(shè)計(jì)教師自主編寫了3D打印的校本教材，并在校內(nèi)開設(shè)了“三維設(shè)計(jì)與3D打印”的學(xué)生社團(tuán)活動(dòng)課，開始系統(tǒng)地向?qū)W生介紹3D打印技術(shù)。

開課初始，3D打印課程就受到了全校學(xué)生的熱烈追捧。為了緊跟發(fā)展前沿、規(guī)范教學(xué)，三維設(shè)計(jì)與3D打印課程借鑒STEAM課程理念，融合數(shù)學(xué)、科學(xué)、藝術(shù)、技術(shù)及工程學(xué)等內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神、勤于反思及信息意識(shí)為主，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科綜合應(yīng)用。事實(shí)證明，普及性的三維設(shè)計(jì)與3D打印課程不僅激發(fā)了學(xué)生探究的欲望，更提升了他們的創(chuàng)新與創(chuàng)造能力。很多學(xué)生結(jié)合不同學(xué)科，利用三維設(shè)計(jì)軟件和3D打印機(jī)，創(chuàng)作出了豐富多彩的創(chuàng)意作品。

虛擬現(xiàn)實(shí)與3D打印技術(shù)的深度融合

2015年10月，北京市第六十五中學(xué)建成了基于沉浸式教學(xué)體驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成虛擬現(xiàn)實(shí)模擬系統(tǒng)，是構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象的多學(xué)科綜合學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)及研究的教與學(xué)的空間與平臺(tái)，是集虛擬現(xiàn)實(shí)、3D打印、移動(dòng)學(xué)習(xí)技術(shù)于一體的高端實(shí)驗(yàn)室。學(xué)校利用北京市首批開放式重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)與故宮雙語(yǔ)導(dǎo)游、物理、化學(xué)、英語(yǔ)、政治、計(jì)算機(jī)等學(xué)科相結(jié)合的課程。

1. 虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的功能與定位

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的功能與定位主要在于：第一，進(jìn)行學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)課程的開發(fā)和實(shí)施，逐步形成學(xué)科內(nèi)綜合以及跨學(xué)科多主題、多層次（知識(shí)類、體驗(yàn)類、動(dòng)手類、探究類等）的系列課程。學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中完成在常規(guī)學(xué)習(xí)環(huán)境中難以完成的自主、合作及探究性學(xué)習(xí)、試驗(yàn)和研究，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。第二，課程開發(fā)滲透基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)和能力培養(yǎng)，重點(diǎn)提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，為開展“開放性科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)”提供必要的環(huán)境和課程資源。第三，為教師提供課程研究、試驗(yàn)及促進(jìn)教師專業(yè)發(fā)展的平臺(tái)。第四，完成物理、化學(xué)、生物在日常環(huán)境下難以完成的實(shí)驗(yàn)操作課程的開發(fā)。第五，促進(jìn)校際間交流，實(shí)現(xiàn)市級(jí)及區(qū)域虛擬現(xiàn)實(shí)課程資源共享。

2. 虛擬現(xiàn)實(shí)與3D打印相結(jié)合的特色課程

基于以上的功能和定位，學(xué)校將這些特色課程分為基礎(chǔ)類及研究類。虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)類課程為普及性內(nèi)容，通過(guò)校內(nèi)教師自主編寫的校本教材，滿足大多數(shù)學(xué)生對(duì)于VR技術(shù)的了解與一般運(yùn)用的需求。2016年的中考語(yǔ)文作文題“奇妙的實(shí)驗(yàn)室”涉及的就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。從考場(chǎng)出來(lái)的第六十五中學(xué)的學(xué)生都非常自信地說(shuō)：“這個(gè)題目太熟悉了，把咱們學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境、設(shè)備及基礎(chǔ)素養(yǎng)課程寫出來(lái)就是一篇生動(dòng)的文章了。”

虛擬現(xiàn)實(shí)研究類課程滿足對(duì)這門課程有濃厚興趣、想深入研究的學(xué)生的需要，是VR與3D打印相結(jié)合的高端課程。每天中午及放學(xué)后，喜歡深入研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的學(xué)生都會(huì)來(lái)到這間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝、航母模型制作、高危試驗(yàn)等?，F(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的32個(gè)案例可按照不同的內(nèi)容分為四類：一是航空航天科技類的案例，該類案例集中介紹了飛機(jī)外形設(shè)計(jì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)部件等內(nèi)容；二是艦船外形設(shè)計(jì)類的案例，主要幫助學(xué)生了解艦艇和大型船舶外形的設(shè)計(jì)原理，有助于進(jìn)行三維建模；三是車輛結(jié)構(gòu)展示類案例，展示了汽車和其他類型車輛的外部設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括座椅、儀表和發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件組成；四是文物與建筑模型類案例，對(duì)文物和著名建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析，詳細(xì)地向?qū)W生介紹了斗拱結(jié)構(gòu)和榫卯結(jié)構(gòu)的偉大設(shè)計(jì)。

針對(duì)這四類案例，學(xué)校結(jié)合3D打印，設(shè)定了不同的主題。學(xué)生可以自選主題和研究方向，通過(guò)使用虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行觀察、思考和討論，并將自己的創(chuàng)意用三維軟件設(shè)計(jì)出來(lái)，進(jìn)行3D打印。這種特色課程能夠真正激發(fā)學(xué)生的探究欲望和主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，提升學(xué)生的創(chuàng)造能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。

首先，對(duì)軍事感興趣的學(xué)生根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中航空母艦案例的觀察和討論，設(shè)計(jì)了中國(guó)未來(lái)的航母模型，并用3D打印機(jī)打印出來(lái)。他們?cè)谔摂M的環(huán)境下觀察了航空母艦的內(nèi)部構(gòu)造，從而讓他們不滿足于僅僅打印出航母的外形，更是在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上開動(dòng)腦筋，安裝了遙控雙軸驅(qū)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)、甲板下LED燈帶和手動(dòng)式飛機(jī)彈射器。

其次，故宮文物與建筑類案例對(duì)于故宮中的文物和各種古建筑進(jìn)行了虛擬開發(fā)。在這里，不僅能夠看到著名古建筑中使用的經(jīng)典榫卯結(jié)構(gòu)，還能夠根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的分解觀察，讓學(xué)生能夠充分了解經(jīng)典結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的無(wú)窮魅力。在三維設(shè)計(jì)與3D打印課程中，我們還設(shè)置了使用3D打印技術(shù)復(fù)制故宮青銅器和經(jīng)典建筑的任務(wù)。學(xué)生可以根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并打印成型。學(xué)生設(shè)計(jì)的故宮小臣缶方鼎模型經(jīng)過(guò)打印成型、打磨上色和風(fēng)干做舊，完美地復(fù)制了這一著名的青銅器文物。

再次，車輛結(jié)構(gòu)展示類案例提供了轎車和工程車等車輛結(jié)構(gòu)的虛擬展示。在三維設(shè)計(jì)與3D打印課上，學(xué)生設(shè)計(jì)的“車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視模型”和“工程車輛集合”，完成了從簡(jiǎn)單的模仿設(shè)計(jì)到自主創(chuàng)意設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。

經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)年的不斷探索，我們看到了虛擬現(xiàn)實(shí)與3D打印融合的特色課程的諸多優(yōu)勢(shì)，學(xué)生體驗(yàn)到了日常環(huán)境下難以觀察到的虛擬場(chǎng)景。這兩種前沿技術(shù)的融合真正激發(fā)了學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的探究欲望，提升了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手的能力，也為學(xué)生參加各種科技創(chuàng)新比賽打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 開放式實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺(tái)

虛擬現(xiàn)實(shí)與3D打印融合的發(fā)展與未來(lái)

虛擬現(xiàn)實(shí)與3D打印的融合正在逐步深入，未來(lái)，我們還將依托學(xué)校的課題，致力于虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)管理體系和分層應(yīng)用研究，為教師的專業(yè)化發(fā)展及學(xué)生個(gè)體發(fā)展提供平臺(tái)，努力實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)與整體教學(xué)的深度融合。一方面，努力將三維設(shè)計(jì)與3D打印課程覆蓋更多的學(xué)生，讓更多的學(xué)生有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)三維設(shè)計(jì)的基本操作，掌握3D打印的相關(guān)技術(shù)。另一方面，跨越平臺(tái)和軟件的障礙，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)模型在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)上的交互，最大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。除此之外，還將通過(guò)學(xué)科教師和專業(yè)教師的共同努力，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)學(xué)科與三維設(shè)計(jì)和虛擬現(xiàn)實(shí)三者之間的聯(lián)動(dòng)和虛擬現(xiàn)實(shí)課程的區(qū)域共享。

這只是開始，未來(lái)的路還很長(zhǎng)！

（作者單位：北京市第六十五中學(xué)）