海关历史文化建筑三维重建思考

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摘要：3D打印是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的增量制造技术。通过对学生关于校园3D打印普及程度的调研，发现3D打印技术在高校的推广还不够全面，分析3D打印在普及过程中的局限性。并且通过一次关于“海关历史文化建筑的三维重建”的校园3D打印实践，展示校园3D打印的完整流程。最后总结3D打印对学生学习的积极作用以及3D打印在文化宣传方面所带来的社会价值。

关键词：校园3D打印；局限性；3D打印实践；教育作用；社会价值

1引言

3D打印(3Dprinting，又称三维打印)是一种快速成形技术，它以数字化模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体。3D打印技术早在20世纪90年代中期就已出现，[1]由于其在制造工艺方面的创新，被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”。同时，2013年版的《地平线报告》首次将3D打印的教育应用列入了“待普及”的新技术清单，并对3D打印作了较为详细的介绍，报告的编纂者认为，该技术将会在4-5年内普及。[2]2014年1月，经国务院批准，由原航空航天部林宗棠部长倡导的“中国3D打印创新培育工程”项目正式启动，该项目计划在全国青少年中播种10万颗3D打印创新种子，并专门成立中国3D打印创新培育工程组委会。[3]显然，3D打印技术在教育领域拥有无法代替的创新潜力和广泛应用的前景，但是在距离“中国3D打印创新培育工程”项目启动有一年多时间的今天，校园3D打印的普及情况如何呢？3D打印的意义和价值是否能被学生所认知？为了探索这些问题，上海海关学院的3D项目团队进行了一次打印海关历史文化建筑的实践探索，并且在此次实践的基础上对校园3D打印这个新的教育应用进行分析，挖掘3D打印背后的教育意义和社会价值。

2校园3D打印的环境氛围调研

本研究选取了来自全国各高校的150位本科生进行问卷调查，共发放问卷150份，回收116份。问卷统计结果如下：通过调查数据发现，81%的在校本科生没有使用过3D打印机，53.1%的在校本科生反映其身边只有少数人使用3D打印技术，而又27.4%的在校本科生反映其身边完全没有人使用3D打印技术，在表3的阻碍个人使用3D打印技术的因素统计中，认为因学校没有3D打印机的约占30.1%，认为因不懂三维制图的约占33.6%，认为因打印技术不成熟的约占28.3%。通过以上数据可以看出3D打印技术在高校的推广仍处于初级阶段，大部分同学对3D打印只是停留在听说和了解的阶段。当前3D打印仅仅是试水教育行业，国内仅有少数高校配备了3D打印机,未达到在教学活动中创新应用的层面，3D打印技术在高校的推广仍处于初级阶段，还存在许多阻力：①3D打印机的配备代价高昂，目前全球热度最高的桌面级打印机MakerBotReplicator2的售价在2万到3万之间。②国内的开放性3D打印社区很少，专业的三维模型素材库以及模型共享平台也有所缺失。③入门级3D打印机的工作效率很低，一个不太复杂的小物体都要数小时才能打印出来。[4]④建模软件的学习对于非工科专业的学生有一定难度。在整体上，3D打印机在学校的普及还需要一个过程。同时，我国在3D打印技术的培训与推广方面，与其他国家相比还有差距，需要进一步推动新技术的学习，这需要教育行政部门、企业和学校共同努力。

33D打印的实践探究

3.1三维建模

通过扫描仪获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型、也可使用3dsmax、Maya、AutoCAD、ZBrush等三维建模软件建立三维数字化模型。下图为项目组成员利用3dsmax软件所建的江海关大楼模型的一部分的布线图，转换为stl文件格式之后就可以进行打印了。

3.2分层切割

将3D模型stl文件输入电脑中，通过打印机配备的专业软件，我们将江海关模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。[5]

3.3打印喷涂

加热头把3D打印材料（ABS树脂、PLA）加热到临界状态，呈现半流体性质，以层层叠加的形式，每层在计算机的控制之下，根据分层切割中每层的二维图形所形成的运动轨迹，喷头将材料挤压出来，凝固形成薄层，然后在这一层的基础上进行新的一层的打印，层层堆积，形成三维实物模型。

3.4后期处理

模型打印完成后表面一般会比较粗糙，需要抛光、修整、上色等等，才能完成模型的制作。

4本次实践探究活动的总结

4.13D打印对学习的积极作用

第一，提高学生的空间想象能力和创造力。[6]3D打印分为3D建模阶段和3D打印阶段，建模阶段考察学生的空间想象能力，无论是创新的构思还是有现实参照的模型构建，均需要学习者在脑海里先形成立体的模型，然后在脑海里进行模型分解，再一步步通过建模软件构建出来。在建模过程中，学习者的空间想象能力、设计能力和思维能力等得到全面发展和提高。第二，提高学生的动手能力和数据收集能力。在江海关建模的准备过程中，我们除了进行实地考察、图片收集，还从谷歌地图上对江海关大楼进行了尺寸测量，利用江海关大楼各部分之间的比例在3dsmax上面进行建模操作。在后续的3D打印阶段则需要学生的实践操作，其中可能进行多次的模型修改和打印调试，整个建模过程提高了学生的观察能力、数据收集能力和动手能力。第三，激发学习热情。在江海关的建模过程当中，学生除了对3D建模技巧的学习与熟悉，还对江海关的建筑外形和结构也有深入的分析与学习，在一步步将海关大楼各个建筑结构实现的过程中，也是这个学习过程的不断的自我突破，通过一次次建模挑战来引导学生的学习积极性，激发了学生的学习热情。

4.23D打印的社会价值

第一，形象、直观地表现一种文化。如通过本次海关3D模型的展示，我们可以对具有海关历史文化底蕴的关徽、海关大楼等形成立体的认识。第二，创新文化宣传模式。采用3D打印技术，把海关文化中相对应的实体打印成为物件，让观众一开始就能看到产生了解的兴趣，用客观事实代替主观想象，可以使社会公众中各阶层人群对海关文化有更多层次的认识和体会。第三，有助于文化的传承与发展。此次实践探索过程中，项目小组成员多次对海关历史建筑进行考察，收集了大量的图片和文字资料，填补了网络上的这部分历史文化资料的空白，同时将历史遗留的文化建筑进行3D重建后进行保存，有利于后人地对海关历史文化有更好的认识和探索。

参考文献：

[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]解艳华.3D打印走进北航[N].人民政协报,2014-12-03(11).[4][5]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).

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

作者：陈晓龙 叶尔凡·艾尔肯 汪成源 单位：上海海关学院