虚拟现实与3D打印技术深度融合

蔡雷+++李岩

虚拟现实（VR）技术是目前广受追捧的一门综合性技术，涉及计算机图形学、多媒体技术、人机交互技术和人工智能等多种技术，并且已经逐步应用在教育、医疗、娱乐、军事等众多领域。3D打印技术同样是20世纪末出现的颠覆传统制造业的新兴技术。这两种技术的融合既是一种大胆的尝试，也是未来发展的方向。特别是在国内高中教育阶段，如果能将两者有效融合，将会为培养学生的动手实践能力带来颠覆性的变革。

三维设计与3D打印技术

北京市第六十五中学是北京市中小学科技教育示范校。依托金鹏科技团的优势资源，学校于2014年9月成为东城区教委“三维设计与3D打印”培训试点校的第一批实践者。经过了半年的集中培训和反复实践，学校不仅配备了8台先进的3D打印机，还组织三维设计教师自主编写了3D打印的校本教材，并在校内开设了“三维设计与3D打印”的学生社团活动课，开始系统地向学生介绍3D打印技术。

开课初始，3D打印课程就受到了全校学生的热烈追捧。为了紧跟发展前沿、规范教学，三维设计与3D打印课程借鉴STEAM课程理念，融合数学、科学、艺术、技术及工程学等内容，以培养学生科学精神、勤于反思及信息意识为主，实现了跨学科综合应用。事实证明，普及性的三维设计与3D打印课程不仅激发了学生探究的欲望，更提升了他们的创新与创造能力。很多学生结合不同学科，利用三维设计软件和3D打印机，创作出了丰富多彩的创意作品。

虚拟现实与3D打印技术的深度融合

2015年10月，北京市第六十五中学建成了基于沉浸式教学体验的虚拟现实实验室。虚拟现实实验室基于虚拟现实技术，由计算机技术辅助生成虚拟现实模拟系统，是构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象的多学科综合学习、实验及研究的教与学的空间与平台，是集虚拟现实、3D打印、移动学习技术于一体的高端实验室。学校利用北京市首批开放式重点实验室——虚拟现实实验室开发了虚拟现实与故宫双语导游、物理、化学、英语、政治、计算机等学科相结合的课程。

1. 虚拟现实实验室的功能与定位

虚拟现实实验室建设的功能与定位主要在于：第一，进行学科实践活动课程的开发和实施，逐步形成学科内综合以及跨学科多主题、多层次（知识类、体验类、动手类、探究类等）的系列课程。学生能够在虚拟环境中完成在常规学习环境中难以完成的自主、合作及探究性学习、试验和研究，培养学生的核心素养。第二，课程开发渗透基础学科知识和能力培养，重点提高学生的科学探究能力，为开展“开放性科学实践活动”提供必要的环境和课程资源。第三，为教师提供课程研究、试验及促进教师专业发展的平台。第四，完成物理、化学、生物在日常环境下难以完成的实验操作课程的开发。第五，促进校际间交流，实现市级及区域虚拟现实课程资源共享。

2. 虚拟现实与3D打印相结合的特色课程

基于以上的功能和定位，学校将这些特色课程分为基础类及研究类。虚拟现实基础类课程为普及性内容，通过校内教师自主编写的校本教材，满足大多数学生对于VR技术的了解与一般运用的需求。2016年的中考语文作文题“奇妙的实验室”涉及的就是虚拟现实技术。从考场出来的第六十五中学的学生都非常自信地说：“这个题目太熟悉了，把咱们学校实验室的环境、设备及基础素养课程写出来就是一篇生动的文章了。”

虚拟现实研究类课程满足对这门课程有浓厚兴趣、想深入研究的学生的需要，是VR与3D打印相结合的高端课程。每天中午及放学后，喜欢深入研究虚拟现实技术的学生都会来到这间实验室进行发动机拆装、航母模型制作、高危试验等。现有的虚拟现实实验设备中的32个案例可按照不同的内容分为四类：一是航空航天科技类的案例，该类案例集中介绍了飞机外形设计与内部结构、发动机部件等内容；二是舰船外形设计类的案例，主要帮助学生了解舰艇和大型船舶外形的设计原理，有助于进行三维建模；三是车辆结构展示类案例，展示了汽车和其他类型车辆的外部设计和内部结构，包括座椅、仪表和发动机的零部件组成；四是文物与建筑模型类案例，对文物和著名建筑结构进行了剖析，详细地向学生介绍了斗拱结构和榫卯结构的伟大设计。

针对这四类案例，学校结合3D打印，设定了不同的主题。学生可以自选主题和研究方向，通过使用虚拟现实实验设备，在虚拟的环境中进行观察、思考和讨论，并将自己的创意用三维软件设计出来，进行3D打印。这种特色课程能够真正激发学生的探究欲望和主动学习的热情，提升学生的创造能力和动手实践能力。

首先，对军事感兴趣的学生根据虚拟现实系统中航空母舰案例的观察和讨论，设计了中国未来的航母模型，并用3D打印机打印出来。他们在虚拟的环境下观察了航空母舰的内部构造，从而让他们不满足于仅仅打印出航母的外形，更是在内部结构上开动脑筋，安装了遥控双轴驱动推进系统、甲板下LED灯带和手动式飞机弹射器。

其次，故宫文物与建筑类案例对于故宫中的文物和各种古建筑进行了虚拟开发。在这里，不仅能够看到著名古建筑中使用的经典榫卯结构，还能够根据需要实现建筑结构的分解观察，让学生能够充分了解经典结构设计的无穷魅力。在三维设计与3D打印课程中，我们还设置了使用3D打印技术复制故宫青铜器和经典建筑的任务。学生可以根据虚拟现实场景进行三维设计，并打印成型。学生设计的故宫小臣缶方鼎模型经过打印成型、打磨上色和风干做旧，完美地复制了这一著名的青铜器文物。

再次，车辆结构展示类案例提供了轿车和工程车等车辆结构的虚拟展示。在三维设计与3D打印课上，学生设计的“车辆内部结构剖视模型”和“工程车辆集合”，完成了从简单的模仿设计到自主创意设计的转变。

经过一个学年的不断探索，我们看到了虚拟现实与3D打印融合的特色课程的诸多优势，学生体验到了日常环境下难以观察到的虚拟场景。这两种前沿技术的融合真正激发了学生对现实问题的探究欲望，提升了学生实践动手的能力，也为学生参加各种科技创新比赛打下了坚实的基础。

图2 开放式实验室综合管理平台

虚拟现实与3D打印融合的发展与未来

虚拟现实与3D打印的融合正在逐步深入，未来，我们还将依托学校的课题，致力于虚拟现实实验室的科学管理体系和分层应用研究，为教师的专业化发展及学生个体发展提供平台，努力实现虚拟现实与整体教学的深度融合。一方面，努力将三维设计与3D打印课程覆盖更多的学生，让更多的学生有机会学习三维设计的基本操作，掌握3D打印的相关技术。另一方面，跨越平台和软件的障碍，实现三维设计模型在虚拟现实平台上的交互，最大程度地激发学生的学习兴趣和探究欲望。除此之外，还将通过学科教师和专业教师的共同努力，实现基础学科与三维设计和虚拟现实三者之间的联动和虚拟现实课程的区域共享。

这只是开始，未来的路还很长！

（作者单位：北京市第六十五中学）