海關(guān)歷史文化建筑三維重建思考論文

　　摘要：3D打印是一種以數字模型文件為基礎，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構造物體的增量制造技術(shù)。通過(guò)對學(xué)生關(guān)于校園3D打印普及程度的調研，發(fā)現3D打印技術(shù)在高校的推廣還不夠全面，分析3D打印在普及過(guò)程中的局限性。并且通過(guò)一次關(guān)于“海關(guān)歷史文化建筑的三維重建”的校園3D打印實(shí)踐，展示校園3D打印的完整流程。最后總結3D打印對學(xué)生學(xué)習的積極作用以及3D打印在文化宣傳方面所帶來(lái)的社會(huì )價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：校園3D打��；局限性；3D打印實(shí)踐；教育作用；社會(huì )價(jià)值

　　1引言

　　3D打印(3Dprinting，又稱(chēng)三維打印)是一種快速成形技術(shù)，它以數字化模型為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式構造物體。3D打印技術(shù)早在20世紀90年代中期就已出現，[1]由于其在制造工藝方面的創(chuàng )新，被認為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。同時(shí)，2013年版的《地平線(xiàn)報告》首次將3D打印的教育應用列入了“待普及”的新技術(shù)清單，并對3D打印作了較為詳細的介紹，報告的編纂者認為，該技術(shù)將會(huì )在4-5年內普及。[2]2014年1月，經(jīng)國務(wù)院批準，由原航空航天部林宗棠部長(cháng)倡導的“中國3D打印創(chuàng )新培育工程”項目正式啟動(dòng)，該項目計劃在全國青少年中播種10萬(wàn)顆3D打印創(chuàng )新種子，并專(zhuān)門(mén)成立中國3D打印創(chuàng )新培育工程組委會(huì )。[3]顯然，3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域擁有無(wú)法代替的創(chuàng )新潛力和廣泛應用的前景，但是在距離“中國3D打印創(chuàng )新培育工程”項目啟動(dòng)有一年多時(shí)間的今天，校園3D打印的普及情況如何呢？3D打印的意義和價(jià)值是否能被學(xué)生所認知？為了探索這些問(wèn)題，上海海關(guān)學(xué)院的3D項目團隊進(jìn)行了一次打印海關(guān)歷史文化建筑的實(shí)踐探索，并且在此次實(shí)踐的基礎上對校園3D打印這個(gè)新的教育應用進(jìn)行分析，挖掘3D打印背后的教育意義和社會(huì )價(jià)值。

　　2校園3D打印的環(huán)境氛圍調研

　　本研究選取了來(lái)自全國各高校的150位本科生進(jìn)行問(wèn)卷調查，共發(fā)放問(wèn)卷150份，回收116份。問(wèn)卷統計結果如下：通過(guò)調查數據發(fā)現，81%的在校本科生沒(méi)有使用過(guò)3D打印機，53.1%的在校本科生反映其身邊只有少數人使用3D打印技術(shù)，而又27.4%的在校本科生反映其身邊完全沒(méi)有人使用3D打印技術(shù)，在表3的阻礙個(gè)人使用3D打印技術(shù)的因素統計中，認為因學(xué)校沒(méi)有3D打印機的約占30.1%，認為因不懂三維制圖的約占33.6%，認為因打印技術(shù)不成熟的約占28.3%。通過(guò)以上數據可以看出3D打印技術(shù)在高校的推廣仍處于初級階段，大部分同學(xué)對3D打印只是停留在聽(tīng)說(shuō)和了解的階段。當前3D打印僅僅是試水教育行業(yè)，國內僅有少數高校配備了3D打印機,未達到在教學(xué)活動(dòng)中創(chuàng )新應用的層面，3D打印技術(shù)在高校的推廣仍處于初級階段，還存在許多阻力：①3D打印機的配備代價(jià)高昂，目前全球熱度最高的桌面級打印機MakerBotReplicator2的售價(jià)在2萬(wàn)到3萬(wàn)之間。②國內的開(kāi)放性3D打印社區很少，專(zhuān)業(yè)的三維模型素材庫以及模型共享平臺也有所缺失。③入門(mén)級3D打印機的工作效率很低，一個(gè)不太復雜的小物體都要數小時(shí)才能打印出來(lái)。[4]④建模軟件的學(xué)習對于非工科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生有一定難度。在整體上，3D打印機在學(xué)校的普及還需要一個(gè)過(guò)程。同時(shí)，我國在3D打印技術(shù)的培訓與推廣方面，與其他國家相比還有差距，需要進(jìn)一步推動(dòng)新技術(shù)的學(xué)習，這需要教育行政部門(mén)、企業(yè)和學(xué)校共同努力。

　　33D打印的實(shí)踐探究

　　3.1三維建模

　　通過(guò)掃描儀獲取對象的三維數據，并且以數字化方式生成三維模型、也可使用3dsmax、Maya、AutoCAD、ZBrush等三維建模軟件建立三維數字化模型。下圖為項目組成員利用3dsmax軟件所建的江海關(guān)大樓模型的一部分的布線(xiàn)圖，轉換為stl文件格式之后就可以進(jìn)行打印了。

　　3.2分層切割

　　將3D模型stl文件輸入電腦中，通過(guò)打印機配備的專(zhuān)業(yè)軟件，我們將江海關(guān)模型切分成一層層的薄片，每個(gè)薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的規格決定。[5]

　　3.3打印噴涂

　　加熱頭把3D打印材料（ABS樹(shù)脂、PLA）加熱到臨界狀態(tài)，呈現半流體性質(zhì)，以層層疊加的形式，每層在計算機的控制之下，根據分層切割中每層的二維圖形所形成的運動(dòng)軌跡，噴頭將材料擠壓出來(lái)，凝固形成薄層，然后在這一層的基礎上進(jìn)行新的一層的打印，層層堆積，形成三維實(shí)物模型。

　　3.4后期處理

　　模型打印完成后表面一般會(huì )比較粗糙，需要拋光、修整、上色等等，才能完成模型的制作。

　　4本次實(shí)踐探究活動(dòng)的總結

　　4.13D打印對學(xué)習的積極作用

　　第一，提高學(xué)生的空間想象能力和創(chuàng )造力。[6]3D打印分為3D建模階段和3D打印階段，建模階段考察學(xué)生的空間想象能力，無(wú)論是創(chuàng )新的構思還是有現實(shí)參照的模型構建，均需要學(xué)習者在腦海里先形成立體的模型，然后在腦海里進(jìn)行模型分解，再一步步通過(guò)建模軟件構建出來(lái)。在建模過(guò)程中，學(xué)習者的空間想象能力、設計能力和思維能力等得到全面發(fā)展和提高。第二，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和數據收集能力。在江海關(guān)建模的準備過(guò)程中，我們除了進(jìn)行實(shí)地考察、圖片收集，還從谷歌地圖上對江海關(guān)大樓進(jìn)行了尺寸測量，利用江海關(guān)大樓各部分之間的比例在3dsmax上面進(jìn)行建模操作。在后續的3D打印階段則需要學(xué)生的實(shí)踐操作，其中可能進(jìn)行多次的模型修改和打印調試，整個(gè)建模過(guò)程提高了學(xué)生的觀(guān)察能力、數據收集能力和動(dòng)手能力。第三，激發(fā)學(xué)習熱情。在江海關(guān)的建模過(guò)程當中，學(xué)生除了對3D建模技巧的學(xué)習與熟悉，還對江海關(guān)的建筑外形和結構也有深入的分析與學(xué)習，在一步步將海關(guān)大樓各個(gè)建筑結構實(shí)現的過(guò)程中，也是這個(gè)學(xué)習過(guò)程的不斷的自我突破，通過(guò)一次次建模挑戰來(lái)引導學(xué)生的學(xué)習積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習熱情。

　　4.23D打印的社會(huì )價(jià)值

　　第一，形象、直觀(guān)地表現一種文化。如通過(guò)本次海關(guān)3D模型的展示，我們可以對具有海關(guān)歷史文化底蘊的關(guān)徽、海關(guān)大樓等形成立體的認識。第二，創(chuàng )新文化宣傳模式。采用3D打印技術(shù)，把海關(guān)文化中相對應的實(shí)體打印成為物件，讓觀(guān)眾一開(kāi)始就能看到產(chǎn)生了解的興趣，用客觀(guān)事實(shí)代替主觀(guān)想象，可以使社會(huì )公眾中各階層人群對海關(guān)文化有更多層次的認識和體會(huì )。第三，有助于文化的傳承與發(fā)展。此次實(shí)踐探索過(guò)程中，項目小組成員多次對海關(guān)歷史建筑進(jìn)行考察，收集了大量的圖片和文字資料，填補了網(wǎng)絡(luò )上的這部分歷史文化資料的空白，同時(shí)將歷史遺留的文化建筑進(jìn)行3D重建后進(jìn)行保存，有利于后人地對海關(guān)歷史文化有更好的認識和探索。

　　參考文獻：

　　[1]Walters,P.&Davies,K.3Dprintingforartists:researchandcreativepractice[J].JournaloftheNorwegianPrintAssociation,2010,(1):12-15.

　　[2]NMC.NMCHorizonReport:2013HigherEducationEdition[EB/OL].2013-O5-22.http://www.nmc.org/pdf/2013-horizon-re-port-HE.pdf

　　[3]解艷華.3D打印走進(jìn)北航[N].人民政協(xié)報,2014-12-03(11).[4][5]李青,王青.3D打印:一種新興的學(xué)習技術(shù)[J].遠程教育雜志,2013,(4).

　　[6]Kostakis,V.,Niaros,V.,Giotitsas,C.(2014):Opensource3Dprintingasameansoflearning:AneducationalexperimentintwohighschoolsinGreece.In:TelematicsandInformatics[Z].

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