3D打印技术在城市地理学实践教学中的应用
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作者: 匡鑫
摘 要 以地理类教学为例，探讨地理类课程教学实践中利用3D打印技术的过程和方法，阐述该教学理念在高校实践教学中的作用和成效。
关键词 3D打印技术；城市地理学；实践教学
中图分类号：G652 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）03-0162-02
1 3D打印技术概述
3D打印技术发明于20世纪80年代，是通过电子制图、远程数据传输、激光扫描、材料熔化等一系列技术，使特定金属粉或者记忆材料熔化，并按照电子模型图的指示一层层重新叠加起来，最终把电子模型图变成实物的技术。该技术具有环境污染小、提高材料的使用率等特点。有关专家表示，这种技术代表了制造业发展新趋势。
3D打印机的应用对象非常广泛，应用范围最广的主要集中在四个方面：一是概念模型；二是结构和外观的测试或者实验；三是一些功能性的测试；四是直接制造。
2 教学实施过程及应用
目前3D打印技术在高校的实践教学中尚处于探索和尝试阶段。笔者以“城市地理学”教学为例，总结利用3D打印技术开展地理类教学的步骤和方法。
明确教学目标 教师要在深入钻研教材的基础上，要求学生利用3D打印模型了解城市的特点，依据城市3D打印模型了解掌握地域城镇综合体的分布特征和功能、规模结构，可以运用3D打印设计软件对城市进行规划，实现城市的最优化布局。
实物测绘、软件建模 教学活动遵循“提出问题、3D设计、3D打印、知识形成”的过程，采取项目化教学方法，按主题的不同将学生分成若干小组，要求小组成员利用3D打印机打印出3D作品。要想完成这个项目，第一项就是建立城市3D模型，需要学生照顾到每一个细节，建筑、桥梁、马路、人行道都不可以放过，因为每一个细节都是让城市活起来的要素。小组内的成员合作讨论该城市的设计方案，对各项设施和资源进行合理布局，形成初步方案；之后将搜集到的数据及设置好的数据库参数输入3D打印设计软件中进行三维建模。
打印3D模型 学生在得出满意的三维模型后，将模型输入3D打印机中，不同的3D打印机操作过程是不同的。以RepRap Pro Ormerod2打印机为例，其打印格式是G文件，如果文件格式是G文件，就可直接打印；如果是STL格式，就需要转化格式，方可打印。通过“窗口”→“系统设置”→“扩展”→“安装扩展程序”，从Slicr软件程序中选择G-code格式，将三维地形模型转化为适合RepRap Pro 0M2打印机识别的G-code格式，即可进行打印。在打印过程中由于学生经验不够，可能会产生三维数据不准确，出现方向反转、产生缝隙等问题。针对这种情况，教师要及时进行分析和讲解，使学生明白精确绘图的意义。
成品展示 各小组将打印组装好的3D城市规划模型进行展示，向教师和其他组的学生汇报设计思路，阐述规划理念，说明规划中的亮点，表达设计过程中的感悟与思考。其余小组在听取该城市规划设计方案后提出问题，汇报小组针对这些问题进行答辩。待所有小组作品汇报展示完毕后，教师对这些方案进行评价。最初教师可让学生制作简单的社区规划图，随后可通过让学生设计和制作大型的城市规划模型，让学生逐渐熟练和掌握绘图、打印的方法，逐步提升学生的3D打印作品的水平。对于小型社区规划，教师以是否精确来作为重要的衡量标准；对于大型城市规划，教师要以城区布局是否合理来作为评分标准。这样多元化的评价标准，激发了学生学习的兴趣和自信心，使他们更加投入到3D打印技术的学习中去。
3 3D 打印技术的作用和成效
有利于培养学生的地理能力 对于学生来说，在进行城市规划设计时，需要了解城市的体形机构与各个要素之间的关系，包括城市的天际线、制高点、边缘和入口、建筑物、街道、广场等，这些在设计过程中需要进行大量的空间形象思维。传统的地理实践中采用的是沙盘制作的方法，学生根据教师提供的图片和图表来设计沙盘，使学生很难直观地判断出设计方案的实际效果。3D打印技术的使用可以使学生对设计方案的总体规划指标进行分析，直观查看效果，不断调整城市布局，实现城市空间结构的合理利用，有利于培养创新意识，鼓励学生进行创新实践，发展学生立体空间思维。为了验证3D打印技术应用于教学对于学生空间能力的培养有着积极意义，笔者选定两组学生作为实验对象，分别采用3D教育和普通教学方法，通过比较发现，3D教育下的学生立体感更强，兴趣也更浓厚。
由于城市规划的日益复杂，传统的手工模型制作已经无法满足教学的需要。3D打印技术的应用可以使学生的观察能力、独立思考能力、动手能力得到很好的锻炼。一个城市不可能凭空建设出来，它总是有背景的，一项好的设计必然将背景因素考虑在内，并且对此做出处理。使用3D打印技术可以在城市规划设计时制作城市全景式模型，比如可以随意转换组合的模型。这样做的优点在于，只需要通过不同的组合来改变设计规划，不需要反复从头开始。随着建筑项目进度的不断深入，3D模型的性质也变了。之前已经确定了初步的宏观想法，紧接着便要优化细节了。城市规划涵盖了商业区、居民区等多种设施，学生只需要使用3D打印机就可制作出1：1的等比例的模型。
促进学生的研讨与合作 具有合作能力是当今社会对人才的基本要求。3D打印技术应用到实践教学中，学生之间形成合作团队，自然而然地引进监督机制、竞争机制和评价机制，每个个体都处于集体的监督之下和评价之中，小组之间、小组中的个体之间形成一种竞争，这样学生的团队意识进一步增强，实践能力显著提高。另外，教师可以和学生一起合作，使学生感到有一种安全感、亲近感，师生之间更能产生一种融洽感，教师也能更直接、更进一步地了解学生，便于更及时、更有针对性地指导学生训练。在3D模型制作过程中，凸显了学生的主体地位，促进了人与人的交流与沟通，形成问题解决的过程与思维。
增强教学的实效性 在传统的城市地理教学过程中，教师在讲解城市规划设计时，利用多媒体技术向学生展示城市规划的图片，或者拿着一个手工制作的城市规划模型给全班学生讲解，对学生理解科学合理的布局城市有着较大难度。3D打印技术只需学生输入相关的数据就可得到满意的三维模型。过去的实践训练中，需要制作手工比例模型来展示自己的城市规划成果，费时费力，而且成本高昂；使用3D打印技术过程中就可以完整展现学生的实际理念，做出一个与3D图一模一样的模型，更加直观地展现在大家面前。而且在制作过程中，学生可随时修正数据，能很大程度上缩短制作时间，节省费用，有效提高教学质量和教学效率。
4 结语
3D打印在医疗、航天航空、艺术等众多领域都已经得到广泛应用，将3D打印技术应用于高校实践教学中是一项新兴而具有挑战性的工作，需要高校领导高度重视，在吸取国外高校3D打印技术实践教学的基础上，探索出适合本校的教学模式，以培养出适合社会需要的应用型人才。
参考文献
[1]李青，王青.3D打印：一种新兴的学习技术[J].远程教育杂志，2013（4）.
[2]兀旦晖，赵晨飞.3D打印技木在教学中的应用研究[J].课程教育研究，2013（21）.
[3]邓富强，马选民.3D打印技术在虚拟现实教学中的应用[J].电子世界，2014（10）.
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