海關(guān)歷史文化建筑三維重建思考

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摘要：3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的增量制造技術(shù)。通過對學(xué)生關(guān)于校園3D打印普及程度的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)在高校的推廣還不夠全面，分析3D打印在普及過程中的局限性。并且通過一次關(guān)于“海關(guān)歷史文化建筑的三維重建”的校園3D打印實踐，展示校園3D打印的完整流程。最后總結(jié)3D打印對學(xué)生學(xué)習(xí)的積極作用以及3D打印在文化宣傳方面所帶來的社會價值。

關(guān)鍵詞：校園3D打??；局限性；3D打印實踐；教育作用；社會價值

1引言

3D打印(3Dprinting，又稱三維打印)是一種快速成形技術(shù)，它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體。3D打印技術(shù)早在20世紀(jì)90年代中期就已出現(xiàn)，[1]由于其在制造工藝方面的創(chuàng)新，被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。同時，2013年版的《地平線報告》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3D打印作了較為詳細(xì)的介紹，報告的編纂者認(rèn)為，該技術(shù)將會在4-5年內(nèi)普及。[2]2014年1月，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，由原航空航天部林宗棠部長倡導(dǎo)的“中國3D打印創(chuàng)新培育工程”項目正式啟動，該項目計劃在全國青少年中播種10萬顆3D打印創(chuàng)新種子，并專門成立中國3D打印創(chuàng)新培育工程組委會。[3]顯然，3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域擁有無法代替的創(chuàng)新潛力和廣泛應(yīng)用的前景，但是在距離“中國3D打印創(chuàng)新培育工程”項目啟動有一年多時間的今天，校園3D打印的普及情況如何呢？3D打印的意義和價值是否能被學(xué)生所認(rèn)知？為了探索這些問題，上海海關(guān)學(xué)院的3D項目團隊進行了一次打印海關(guān)歷史文化建筑的實踐探索，并且在此次實踐的基礎(chǔ)上對校園3D打印這個新的教育應(yīng)用進行分析，挖掘3D打印背后的教育意義和社會價值。

2校園3D打印的環(huán)境氛圍調(diào)研

本研究選取了來自全國各高校的150位本科生進行問卷調(diào)查，共發(fā)放問卷150份，回收116份。問卷統(tǒng)計結(jié)果如下：通過調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，81%的在校本科生沒有使用過3D打印機，53.1%的在校本科生反映其身邊只有少數(shù)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有人使用3D打印技術(shù)，在表3的阻礙個人使用3D打印技術(shù)的因素統(tǒng)計中，認(rèn)為因?qū)W校沒有3D打印機的約占30.1%，認(rèn)為因不懂三維制圖的約占33.6%，認(rèn)為因打印技術(shù)不成熟的約占28.3%。通過以上數(shù)據(jù)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打印只是停留在聽說和了解的階段。當(dāng)前3D打印僅僅是試水教育行業(yè)，國內(nèi)僅有少數(shù)高校配備了3D打印機,未達(dá)到在教學(xué)活動中創(chuàng)新應(yīng)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打印機的配備代價高昂，目前全球熱度最高的桌面級打印機MakerBotReplicator2的售價在2萬到3萬之間。②國內(nèi)的開放性3D打印社區(qū)很少，專業(yè)的三維模型素材庫以及模型共享平臺也有所缺失。③入門級3D打印機的工作效率很低，一個不太復(fù)雜的小物體都要數(shù)小時才能打印出來。[4]④建模軟件的學(xué)習(xí)對于非工科專業(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過程。同時，我國在3D打印技術(shù)的培訓(xùn)與推廣方面，與其他國家相比還有差距，需要進一步推動新技術(shù)的學(xué)習(xí)，這需要教育行政部門、企業(yè)和學(xué)校共同努力。

33D打印的實踐探究

3.1三維建模

通過掃描儀獲取對象的三維數(shù)據(jù)，并且以數(shù)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(shù)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圖，轉(zhuǎn)換為stl文件格式之后就可以進行打印了。

3.2分層切割

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

3.3打印噴涂

加熱頭把3D打印材料（ABS樹脂、PLA）加熱到臨界狀態(tài)，呈現(xiàn)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(jù)分層切割中每層的二維圖形所形成的運動軌跡，噴頭將材料擠壓出來，凝固形成薄層，然后在這一層的基礎(chǔ)上進行新的一層的打印，層層堆積，形成三維實物模型。

3.4后期處理

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

4本次實踐探究活動的總結(jié)

4.13D打印對學(xué)習(xí)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，無論是創(chuàng)新的構(gòu)思還是有現(xiàn)實參照的模型構(gòu)建，均需要學(xué)習(xí)者在腦海里先形成立體的模型，然后在腦海里進行模型分解，再一步步通過建模軟件構(gòu)建出來。在建模過程中，學(xué)習(xí)者的空間想象能力、設(shè)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)生的動手能力和數(shù)據(jù)收集能力。在江海關(guān)建模的準(zhǔn)備過程中，我們除了進行實地考察、圖片收集，還從谷歌地圖上對江海關(guān)大樓進行了尺寸測量，利用江海關(guān)大樓各部分之間的比例在3dsmax上面進行建模操作。在后續(xù)的3D打印階段則需要學(xué)生的實踐操作，其中可能進行多次的模型修改和打印調(diào)試，整個建模過程提高了學(xué)生的觀察能力、數(shù)據(jù)收集能力和動手能力。第三，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。在江海關(guān)的建模過程當(dāng)中，學(xué)生除了對3D建模技巧的學(xué)習(xí)與熟悉，還對江海關(guān)的建筑外形和結(jié)構(gòu)也有深入的分析與學(xué)習(xí)，在一步步將海關(guān)大樓各個建筑結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的過程中，也是這個學(xué)習(xí)過程的不斷的自我突破，通過一次次建模挑戰(zhàn)來引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

4.23D打印的社會價值

第一，形象、直觀地表現(xiàn)一種文化。如通過本次海關(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(rèn)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(yīng)的實體打印成為物件，讓觀眾一開始就能看到產(chǎn)生了解的興趣，用客觀事實代替主觀想象，可以使社會公眾中各階層人群對海關(guān)文化有更多層次的認(rèn)識和體會。第三，有助于文化的傳承與發(fā)展。此次實踐探索過程中，項目小組成員多次對海關(guān)歷史建筑進行考察，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，同時將歷史遺留的文化建筑進行3D重建后進行保存，有利于后人地對海關(guān)歷史文化有更好的認(rèn)識和探索。

參考文獻(xiàn)：

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

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

[3]解艷華.3D打印走進北航[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(xí)技術(shù)[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2013,(4).

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

作者：陳曉龍 葉爾凡·艾爾肯 汪成源 單位：上海海關(guān)學(xué)院