3D建模-3D打印技术在基础地质实验室的运用探讨

高洁胡华

（长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100）

0 引言

在信息化技术飞速发展，3D建模和3D打印广泛应用的今天，基础地质实验室也在积极地跟进现代化信息系统建设的步伐。高校可将专业课程中的实验物品进行3D建模数据虚拟化，而虚拟数据的模型又可进一步通过3D打印出来。实现从实物到虚拟，又从虚拟到实物，形成实—虚—实相结合的教学闭环。这种虚实结合的多样化的实验室平台能够应用于基础地质实验室，多方位的服务于师生的实验教学和学习，拓展实验室的更多功能，建设一个更全面的基础地质实验室平台。本文就3D建模—3D打印技术在基础地质实验室教学中的应用做了探讨。

1 3D建模和打印与实验室的融合

在地学类的专业培养中，往往涉及大量的实验课程。以长江大学（武汉校区）基础地质实验室为例，每年开设101个实验项目，学时数达1 500以上。大量的专业基础和专业课程都需要在实验室中进行实验部分的操作学习，需要使用大量的教具和标本进行教学。

传统的基础地质实验课程，常常首先以平面教学（PPT、图片）讲解为主，再辅助使用定制的教学模型或是标本进行展示。其中大多课程中都会用到一些定制教具，比如结晶学与矿物学课程中的晶体模型，晶体光学中的光率体模型，古生物学课程中的古生物模型，构造地质学课程中的地质构造模型等，这些教具通常由塑料和木头材料定制而成，一直以来都在基础地质实验的传统教学中扮演着重要的角色。而随着计算机科技的发展，通过将信息化技术与实验教学紧密结合，让高校的实验教学发生了翻天覆地的变化。3D图形的建立，使得老师在实验课程授课过程中，就可以直接在多媒体上进行直观而形象的立体多方位讲解。因此，很多高校都投入了实验室标本3D数据化的建设中。而随后，虚拟仿真实验室概念的产生和虚拟仿真实验平台的建设，实现了将实验教学资源数据化并整合投放到平台，让学生可以通过开放的课程资源和共享平台随时随地的在线学习。使得实验课程不再受空间和时间的限制，极大地方便了广大师生，并弥补了传统实验教学中的不足，拓宽了师生沟通的方法和渠道[1]。所以，各大高校都积极地推进虚拟仿真实验室的建设，以满足现代化的建设需求。特别是在新冠肺炎疫情期间，虚拟仿真实验室平台更是起到非常重要的作用，它使得学生在隔离状态下，也能顺利地进行实验课程的操作和学习。实验教学的3D数据资源化和虚拟实验室平台的建设，实现了实验教学从实物到虚拟的迈进，是高校实验教学（同时也是基础地质实验教学）发展改革中的重要一步。

随着近几年3D打印技术的成熟和3D打印成本的降低，3D打印技术开始普及。使得人们开始不断地去尝试3D打印机能够打印的物品，这一技术也渐渐运用到高校的实验室建设以及基础地质实验室建设中。比如，北京大学地质系实验教学中心、西安工业大学、同济大学的教学团队已经尝试了3D打印晶体模型，并作为教具，获得了很好的反馈。3D打印的出现及运用，使得高校的实验教学可以将虚拟数据通过打印转变成实物，极大地方便了实验室自主研发和自制教具。

2 3D建模——多方面辅助实验室教学

首先，实现从实到虚，即在基础地质实验室中应用3D建模技术，将实物模型虚拟化。岩矿标本的3D建模通常依靠多角度的照片，用软件后期合成达到3D效果；教具可直接使用Auto 3DMax建模。例如：结晶学中的晶体模型通常可以运用晶体几何形态三维可视化软件Shape、JCrystal；晶体内部三维结构三维可视化软件CrystalMaker和Diamond[2]；晶体单形可使用Shapr（App）、Rhino、Auto 3DMax等常规3D专业软件，甚至是利用基于手机的App，来建立起3D模型资源。在完成一定数量的模型资源库的基础上，后期就可以进一步搭建虚拟仿真平台，这个平台可以在以下几个方面辅助优化基础地质实验室教学。

2.1 服务于课前：支撑自主学习

学生可以通过平台，在实验课前就了解实验目的和过程。模型库中的三维动画可以将课程的基础内容以及重难点直接展现在学生面前，提供学生自主学习。三维动画的模式也极大地提高了学生的学习兴趣，在自学的过程中，增加了学生创新学习的机会，培养了学生独立思考问题、分析问题的能力。能让学生进行有效的预习，抓住重难点，提高学习效率。

2.2 服务于课堂：优化教学效果

地质学的很多实验课程都需要丰富的空间想象力。而空间想象力比较弱的同学，在传统的基础地质实验教学中，通过老师的传统平面图片和模型的授课，很难通过建立起空间想象，不能够及时的消化理解一些基本概念。虽然有的老师会使用传统的教学模型在讲台上授课，但是老师的实验示范在短时间内连续完成，另外由于观察时间和角度等问题，即使授课老师反复示范，由于每位学生理解与动手能力存在差异，很难确保每一位同学在头脑中形成清晰连续的实验操作步骤[3]。所以，利用动态的3D模型演示空间结构，每位同学都可以使用手机或电脑进行反复的旋转操作，可帮助同学在头脑中理清空间概念，剖析细节，化难为易，跟上教学进度，从而优化教学效果。

2.3 服务于课后：反复使用教学资源

同学们可以随时随地通过电脑或手机去学习，不再像之前的传统教学，需要前往实验室预约，才能看到模型和标本，也增加了实验老师的工作量。虚拟平台的建设可以极大地方便学生学习和老师管理，学生可以不受限制在任意时间和场地学习，不再有课堂时间不足的烦恼。而老师也能通过后台了解学生的学习状况，还能和学生进行互动。所以，它可以不受标本、时间、场地的限制，也能够让学生自己掌握进度，重复操作。虚拟教学资源可帮助学生无限制的反复学习。

2.4 教学资源的扩建与共享

实物教具和标本有可能会出现标本不典型，或是数量不够的问题，而虚拟教学资源就能解决这个难题。3D数据库不仅仅只限于实验室拥有的标本，实验室没有的标本也可以分批建设到平台中，无限制丰富实验教学资源。资源库的建立虽然在短时间内需要耗费时间和精力，但是一次投入，可以获得长效的回馈。师生可通过平台合理使用资源，只要平台一直保持维护和更新，资源库便可以一直服务于师生，甚至是面向社会开放。实现了资源共享、远程教学等，满足现代化的教学需求。

3 3D打印——搭建更优化的实验室平台

从虚拟回归到实物，也就是从3D建模到实现3D打印。在3D资源搭建好之后，就可以进行3D打印的准备工作。3D数据完成之后，可以将文件换为3D打印文件格式（STL）并进行切片处理。将做好的文件经过切片后保存成GCODE文件格式导出到SD卡中。由3D打印机读取文件中的切片信息后，使用粉状材料或者丝状材料，通过加热融化由喷头喷出，打印机系统会读取并将这些切片信息按照文件中的形式逐层的打印出来后，再按照文件中的形式逐层的连接起来后形成一个整体及所打印的整体[4]，最终完成打印。3D打印可以从以下几个方面参与到基础地质实验室建设中。

3.1 自制3D打印教学模具

3D建模的数据设置好参数通过3D打印机打印出来，其打印成品大小合适，质地轻盈，成本低廉，很适合作为教具投入教学中使用。比如结晶学中晶体结构模型的47种几何单形，属于最基础的一些立体几何图形，如立方体、八面体、三方柱、四方柱等，它们形状规则，表面光滑，可以很方便的建模和通过3D打印机打印出来。另外，晶体光学中的光率体模型、各种各样的古生物模型、地质构造模型等，只要完成建模，都可以实现打印。在需要的时候，随时根据实验室的情况及时打印补充。

3D打印还能满足老师创新改革以及个性化的教学需求，可添加和删减一些教具上的细节内容。比如为了获得很直观的教学效果，可以把结晶轴和对称面在晶体模型中设计和打印出来，学生在进行对称和旋转操作时，可以直接看到假想的对称轴和对称面的类型和方向。同时还能做到等比例放大和缩小，老师用大型的上课，学生用小型的学习，可以满足个性化定制的需求。也可以在模型上设计打印二维码等，方便学生扫码查看资料。

传统的模型往往需要大规模的定制和采购，而3D打印模具随时需要随时打印，在产品个性化和可更新性上更具有优势，是实验室非常理想的教学模型。

3.2 承担学校及社会科学实践活动

3D打印可以支持学生的科学实践活动，全面提高学生的软件操作能力和综合动手能力。除了地质专业教具的打印之外，学生还可以进行自主创意设计，如3D打印晶体钥匙扣，3D打印月球灯，3D打印Diy自制工具，等等。比如晶体钥匙扣的设计，除了地质专业知识的支撑，创意的设计，更是极大地锻炼了学生的动手能力。在模型打印过程中，会出现各种各样需要解决的问题：斑点疤痕、错层、拉丝垂料、过热、打印耗材无法粘贴在工作台上等。学生在操作的过程中，时刻都要积极思考，将理论运用于实际，观察发现问题、解决问题、反思问题并且从中获取经验。学生对于3D打印的兴致非常高，愿意主动积极的参与，看着自己的作品从创意变成实物，非常有成就感。在充分锻炼学生实践能力的同时，也激发了学生学习专业基础课的热情，真正实现三维教学，实现现代化创新模式的教学。

3.3 3D打印服务于社会活动

高校实验室由于其得天独厚的资源和场地，非常适合作为社会科普场所使用。而基础地质实验室拥有众多的典型矿物、岩浆岩、沉积岩、变质岩标本，以及薄片和显微镜等，可以让大家全方面地走进地质，了解地球，面向社会传播地质学知识，是优良的地质科普基地。

在基础地质实验室承担科普教育活动中，3D打印也可以作为实验室的开放项目，面向社会展示或面向中小学生开放科学实践活动。它可以展示现代科学与传统地质学结合的魅力，向社会播下科学的种子，从而让3D打印和地质学知识得到更广泛的传播。

3.4 3D打印支撑科研

在地质学的科研领域中，3D建模已经使用的非常广泛，而3D打印技术还在探索和发展中。如3D打印人造岩芯技术，可以有效对天然岩芯进行重复制造，可以设计特定的岩芯孔道充填结构等，从而支撑科研工作。3D打印技术还在不断地开拓，在地质专业的应用领域有着良好的应用前景。

4 结语

由上可见，通过将3D建模—3D打印技术应用到基础地质实验室中，可以在课前、课中、课后全面服务于实验室，丰富实验教学资源和教学手段，增强实验教学效果，并全面提高学生的自主学习能力，独立思考能力，综合动手能力。同时，可在实验室教具建设，学校科学实践活动以及科研方面提供更有力的支持。3D建模—3D打印技术的应用，是基础地质实验室的现代化信息系统建设过程中的重要一步。