3D模型如何应用的物理教学

第一篇：3D模型如何应用的物理教学

3D模型如何应用的物理教学

基于OpenGL的数字化教学平台是教育部项目“用信息技术工具改造普通物理学课程”研究成果，在物理学科教学中得到了成功的应用，如以可交互模型的形式展现理想模型或思想实验来帮助学生理解一些物理现象原理和规律，开展物理演示实验的研究性学习，将3D模型整合到物理教学网上P1提供给学生作为在线学习资料等.物理学在各个理工学科中应用广泛，本研究尝试将物理现象3D模型从单一学科教学中的应用推广到产品设计学科教学中.产品概念设计是产品生命周期中的第一个阶段，也是产品设计中的第一个阶段.它是在设计任务确定以后，抽象出所需的功能结构，并寻求适当的物理作用原理组合来实现该功能结构.其中的物理作用简单来说就是实现从一种物理形式向另一种物理形式的转化.举例来说，灯泡包含的物理作用原理有将电能转化为光能；电动车则将电的形式转化为力的形式，将力的形式转化为速度的形式等如何科学地选择功能结构实现方式对于产品的生产成本、实用性、可持续性等方面都有着至关重要的影响.

第二篇：在物理教学中建构物理模型

类别：教学设计 题目：在物理教学中建构物理模型

学校：溧阳市平桥初级中学 姓名：谭成峰 电话：*** 在物理教学中建构物理模型

摘要：中学物理教材中有许多物理知识比较抽象，学生往往不易理解和接受，并会因此而失去学习的信心。但如果借助“物理建模思想构建”教学，采用模型构建思想的方法，突出物理情景问题的主要部分，疏通思路，帮助学生建立起清晰的物理情景，使物理问题简单化，这样不仅起到增强学生学习的自信心的作用，同时还潜意识地培养了学生的创造性的能力，提高教学质量。关键词：建构 物理模型 理想化

根据新课程标准要求，中学物理要体现“从生活走进物理，从物理走向生活”的新理念。所以在教学中能否将实际问题与头脑中已有物理模型建立联系，将实际问题转换为物理问题是关键。物理模型在实际问题与物理问题间起到了桥梁的作用，本文将从物理模型的概念、重要作用，以及教学中如何指导学生建构物理模型等方面谈下自己的看法。

一、认识物理教学中的物理模型法

物理学是一门研究物质最普遍、最基本的运动形式的自然科学。而所有的自然现象都不是孤立的。这种事物之间复杂的相互联系，一方面反映了必然联系的规律性，同时又存在着许多偶然性，使我们的研究产生了复杂性。因此，许多比较复杂的问题需要我们引入能够描述其要点的辅助量或建立理想化模型，帮助研究与解决问题，这就是模型法。建构理想化模型是物理学研究中常用的方法。

物理模型是理论知识的一种初级形式，就是将我们研究的物理对象或物理过程、情境通过抽象、理想化、简化、和类比等方法，进行“去次取主”、“化繁为简”的处理，把反应研究对象的本质特征抽象出来，构成一个概念或实物的体系，就形成物理模型。物理模型既源于实践,而又高于实践，在我们的生活、生产、科技领域中带有普遍的共性特征，具有一定的抽象概括性。物理模型的构建是一种重要的 科学思维方法，通过对物理现象或过程，从而寻找出反映物理现象或物理过程的内在本质及内在规律达到认识问题的目的。

二、物理模型在初中物理教学中的作用

在物理学习中，有的学生经常拿到物理题目无从下手，造成这种情况的原因是多方面的，但其中一个重要原因，就是这部分学生基础不牢，没有掌握好一些基本的物理模型。物理是一门培养思维的学科，它特别强调一个“悟”字，思考的越多，感悟的越多，属于自己的东西也就越多。因此，我们在平时解题中千万不能贪多求快，要能概括出题目所属的物理模型，这样做不仅能达到举一反三的目的，久而久之，物理建摸的本领也会得到很大的提升。而一旦具有了自主建模的本领很多看似复杂的题目就会迎刃而解。因此，在物理学习中建立合理的模型会给我们的学习带来事半功倍的效果。

例如：有些物理问题、现象或过程非常抽象，难以理解，运用模型思维建立起模型，将使问题变得直观形象。如在研究光现象时，用光线形象表示光的传播路径：即沿光的传播路线画一条直线，并在直线上画上箭头表示光的传播方向。而实际上我们在观察太阳、电灯„„光源所发出的光时，是看不见带箭头的直线的。引入“光线”这一模型，只是为了研究光现象方便，如果不用光路图就很难学习光现象的知识。同样，用力的示意图表示力的三要素。物体间力的作用是看不见，摸不着的，为了更好地研究物体受力，并发现其中的规律，我们用一根带箭头的线段来表示力。研究肉眼观察不到的原子结构时，建立原子核式结构模型。在研究磁场时用磁感线描述磁场等等。这些模型的建立，使很多物理现象变得很直观，更易于我们接受。

同样，在物理教学中，很多问题也是很复杂的，很难研究的。如能将其转化成物理模型将使问题变得简单化。如：对物体进行受力分析时，可以不考虑物体的形状和大小，可以把物体看成一个质点，物体受到的力都作用在一点上。同样，生活中很少有一个物体真正的做匀速直线运动，在我们研究运动问题的时候，在某种条件下，我们就可以认为物体做的是匀速直线运动。

三、如何在中学物理教学中构建及应用物理模型 纵观物理学发展史，许多重大的发现与结论，都是由于科学家们经过大胆的猜想构思，创建出科学的理想化的物理模型，并通过实验检验或实践验证，模型与事实基础很好吻合前提下获得的。如： 伽里略让小球从弯曲的斜槽上自由下落，当斜槽充分光滑时，小球可沿另端斜槽上升到初始高度，如果另端斜槽末端越接近水平，小球为达到初始高度,将运动很远。如果末端完全水平，小球将一直运动下去，永不停止。正因为伽里略构建了光滑这一理想化的模型，才有惯性定律的重大发现。

同样，在我们日常的教学过程中发现，有心的同学熟练掌握了这些物理模型，就可将一些看似复杂的物理情景化解为简单模型的组合，灵活简便地解出难题，可谓熟能生巧。而没留心的同学只会根据最基本的概念规律去推证，结果费时费力，即使得出了结果，心中对那些物理情景仍不是很清楚，不能留下深刻的印象，更谈不上触类旁通，温故知新。所以在日常教学中，要指导学生会运用物理模型分析和解答实际的物理问题，在解决问题中培养与训练学生的物理模型，其基本步骤为：

（1）通过审题，摄取题目有效信息.如：物理现象、物理事实、物理情景、物理状态、物理过程等.（2）在寻找与已有信息（某种知识、方法、模型）的相似、相近或联系，通过类比联想或抽象概括，或逻辑推理等，建立起新的物理模型，将新情景问题“难题”转化为常规命题.（3）选择相关的物理规律求解.我们平常碰到的一些物理习题，就是依据一定的物理规律、物理模型精心构思设计而成的。只要找到事物间的联系，就可迅速找到解决问题的途径。

例题：（2009年荆州市中考试题）电路中有一个滑动变阻器，现测得其两端电压为9V，移动滑片后，测得其两端电压变化了6V，如果通过滑动变阻器的电流变化了1.5A，则()A．移动滑片前滑动变阻器接人电路的阻值是4Ω B．移动滑片后滑动变阻器接人电路的阻值是4Ω C．移动滑片后滑动变阻器两端的电压一定为3V D．移动滑片后滑动变阻器两端的电压可能为15V 分析：本题没有给出电路图，电路中的元件和连接方式都不清楚，不知从何下手，下面我们就从模型建构的角度入手：

建构模型的指导思想——为了解释一些物理现象，我们需要提出种种假说或假设。我们在解释本题电压电流变化时，不妨也提出一些假设，通过分析、推理去判断假设是否正确，这也是我们通常所讲的假设法。

本题模型建构的详细过程：

1定性。即确定电路各元件及其连接关系。电路中一般有电源，导线和开关，由题目知道该电路中还有一个滑动变阻器；移动滑片后，测得滑动变阻器两端电压发生变化，说明该电路中还有一个电阻与其串联（假设是并联，则滑动变阻器两端电压将保持不变）。此时形成电路初步模型如右图1，这个电路的原型是用变阻器控制灯泡亮度的电路图。由此可见，学生分析解答的过程，就是识别和还原，开发和利用原有物理模型的过程。在分析物理问题时，需要有根据的抽象，剔粗取精、去伪存真。

2定量。即运用电路公式和规律确定各物理量的大小。这里有两种移动滑片的情况：

一是向左移动滑片，电阻变小，滑动变阻器两端的电压将减小6V，为3V。通过滑动变阻器的电流增大了1.5A，所以此时电流应大于1.5A，由欧姆定律，移动滑片后滑动变阻器接人电路的阻值R应小于2Ω。可以假设R＝1Ω，由欧姆定律求出I＝3A，进一步可知移动滑片前的电流为1.5A，再结合串联电路中各部分电压之和等于总电压，可以得到下列两个式子，由上两式可以求出R0＝4Ω，U（电源）＝15V。移动滑片前后滑动变阻器两端电压、电阻以及通过的电流大小如图2所示。

二是向右移动滑片，电阻变大，滑动变阻器两端的电压将增大6V，为15V。通过滑动变阻器的电流减小了1.5A，所以此前电流应大于1.5A，由欧姆定律，移动滑片前滑动变阻器接人电路的阻值R应小于6Ω。可以假设R＝3Ω，由欧姆定律求出I＝3A，进一步可知移动滑片后的电流为1.5A，再结合串联电路中各部分电压之和等于总电压，可以得到下列两个式子，由上两式可以求出R0＝4Ω，U（电源）＝21V。移动滑片前后滑动变阻器两端电压、电阻以及通过的电流大小如图3所示。

由上可知，移动滑片前后滑动变阻器接人电路的阻值都不是4Ω，故A、B错；移动滑片后滑动变阻器两端的电压可能为15V，也可能为3V，故选D。

总之，由于客观事物具有多样性，人们不可能一下把它们认识清楚，而采用理想化的客体，即建立正确的物理模型来代替实在的客体，就可以使事物的规律具有比较简单的形式，便于教师引导学生去认识和掌握它们，使学生对物理本质的理解更加细致深入，对解决物理问 题的分析更加清晰明了，所以，物理模型在中学物理教学中有其不可替代的作用和重要的价值。

参考文献：

1、禹双青，物理模型方法学习策略探讨，湖南师范大学：教育，2005年

2、乔际平等著.《物理学科教育学》.北京：首都师范大学出版社，2000.1

3、吕明德：学习建构主义理论 培养学生创新能力 中学物理教学探讨2001/5

4、史献计，物理模型建构的心理过程分析，《物理教师》，2005年第4期

第三篇：物理教学中的模型教具

物理教学中的模型教具

在日常的物理教学中会遇到很多的困惑。无意间发现了这篇论文，分享给大家，也许他会给像我一样有困惑的朋友们有点启发，有点帮助。

模型在我们日常生活、工程技术和科学研究中经常见到,对我们的生产生活有很大帮助。物理学研究具有复杂性。怎样发现复杂多变的客观现象背后的基本规律呢?又如何简单的表达它们呢?人们有幸在漫长地实践活动中找到一些有效的方法,其中一个就是:在具体情况下忽略研究对象或过程的次要因素,抓住其本质特征,把复杂的研究对象或现象简化为较为理想化的模型,从而发现和表达物理规律。

既然物理模型是物理学研究的重要方法和手段,物理教育和教学中对物理模型的讲述和讲授就必不可少。建立物理模型就要忽略次要因素以简化客观对象,合理简化客观对象的过程就是建立物理模型的过程。根据简化过程和角度的不同,将物理模型分为以下五类:物理对象模型、物理条件模型、物理过程模型、理想化实验和数学模型。下面我们逐个加以说明。

(一)物理对象模型——直接将具体研究对象的某些次要因素忽略掉而建立的物理模型。这种模型应用最为广泛,在初中物理教材中有许多很好的例子。例如:质点、薄透镜、光线、弹簧振子、理想电流表、理想电压表、理想电源和分子模型。作为例子,我们详细分析质点。质点,就是忽略运动物体的大小和形状而把它看成的一个有质量的几何点。其条件是在所研究的问题中,实际物体的大小和形状对本问题的研究的影响小到可以忽略。这样以来,很多类型的运动的描述就得到化简。比如所有做直线运动的物体都可以看成质点。因为作直线运动的物体的每一个部分每时每刻都做同样的运动,所以就可以忽略其大小和形状,而只找这个物体上的一个点作为概括,当然这个点的质量等于物体本身的质量。这样,直线运动物体的运动轨迹就是一条直线,很容易想象、理解和刻画。很多具体例子都可以这么做,例如以最大速度行驶在笔直铁轨上的火车,沿着航空路线飞行的客机,从比萨斜塔上下落的铁球,等等。

(二)物理条件模型——忽略研究对象所处条件的某些次要因素而形成的物理模型。在初中物理中有:光滑面、轻质杆、轻质滑轮、轻绳、轻质球、绝热容器、匀强电场和匀强磁场等。我们以轻质杆为例加以分析。比如简单机械里的杠杆,在初中阶段问题往往归结到力矩的平衡上来。即:动力×动力臂=阻力×阻力臂。动力和阻力都包括杆以外的物体对杠杆的作用力,还包括杆本身的重力。而杆重力的力臂在杆上的每一点都不同,这样除了杆的形状是几何规则的少数例子以外的绝大部分杠杆问题在初中阶段就没法解决。而轻质杆的引入正好解决了这一问题。轻质杆是忽略了自身重力的弹性杆。当外界物体对杠杆的力矩远远大于杆自身重力的力矩或者杆自身重力的力矩相互抵消时,就可以把杆当成轻质杆,杠杆受到的力矩只有外力矩,这样所有杠杆平衡问题都可以迎刃而解。

(三)物理过程模型——忽略物理过程中的某些次要因素建立的物理模型。在初中物理中有:匀速直线运动、稳恒电流等。这些物理模型都是把物理过程中的某个物理量的微小变化忽略掉,把这个物理量看成是恒定的。因为这些量的变化量与物理量本身相比太小了,以至于可以略去不计。这样不用考虑过程中物理量的复杂变化情况而只考虑恒定过程,分析问题就容易多了。

(四)理想化实验——在大量实验研究的基础上,经过逻辑推理,忽略次要因素,抓住主要特征,得到在理想条件下的物理现象和规律的科学研究方法就是理想实验。理想化方法是物理科学研究和物理学习中最基本、应用最广泛的方法。初中物理中就有一个非常着名的理想化实验:伽利略斜面实验。伽利略的斜面实验有许多,现在举其中的一个例子,同样的小球从同种材料同样高度的斜面上滑下来,在摩擦力依次减小的水平面上沿直线运动的路程依次增大。伽利略由此推知:小球在没有摩擦的水平面上永远做匀速直线运动(在理想条件下的物理现象)。牛顿又在此基础上建立了牛顿第一定律。无需多论,也足以见得理想实验的强大力量。

(五)数学模型——由数字、字母或其它数学符号组成的、描述现实对象数量规律的数学公式、图形或算法。初中物理中的数学模型主要有磁感线和电场线。磁感线(电场线)是形象的描述磁感应强度(电场强度)空间分布的几何线,是一种数学符号。而磁场和电场本身的性质对这些几何线做了一些规定,例如空间各点的电场强度是唯一的规定了电场线不相交。这样就使它们成为形象、简练而准确的描述磁场和电场的数学符号。

物理模型在初中物理教育与教学中起到举足轻重的作用,因此,在教学中我们就要重视对物理模型概念和具体模型(例如上文分析的模型)的讲述,重视对建立物理模型方法的讲授,重视对学生建立和应用物理模型意识的增强,重视对学生建立和应用物理模型能力的培养,让学生体验到成功建立和应用物理模型解决实际问题的快乐。

第四篇：3D打印技术及应用

3D打印技术及应用

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（xxxxxxxxxxx）

摘要：3D打印技术自发展以来，以其高效、低成本、低能耗的特点，已经在许多领域发挥了不可多得的作用，它将是21世纪最伟大的技术之一。这项技术实现了从无到有的过程，能够制造出你想到的和你想不到的东西，小到肌肉组织，大到楼房建筑。在未来该技术发展成熟时，人类的发展肯定能够迈上新的台阶。关键字：3D打印 3D发展历史 高效 低成本 低能耗 从无到有

Abstract：Since the development of 3D printing technology, with its high efficiency, low cost, low energy consumption, has played an important role in many areas, it will be one of the greatest technology in twenty-first Century.This technology to achieve a process from scratch, to make you think and you can not think of things, small to muscle tissue, large buildings to the building.In the future, the development of the technology is mature, the human development will certainly be able to step onto a new level.Key words：3D print 3D development history high efficiency low cost low energy

consumption from scratch 0引言

3D打印技术，专业名称为快速成形技术，又

[1]称快速原型制造技术，简称RPM。3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，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来构造物体的技术。3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物[2]。

3D打印是“增材制造”的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方[3]法组合成最终产品。而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。

3D打印技术起源于20世纪80年代末的美国，发展至今已经取得极大的进步。随着技术的创新，3D打印技术逐渐深入各个应用领域，工业生产、商业、医学、建筑、艺术等领域都能看到3D打印技术的影子。3D打印技术会在各个领域中刮起一波新的革命，包括建筑行业。3D打

印技术将会改变我们的对事物的认知。3D技术发展史

3D打印技术实际上是一系列快速原型成形技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y孚西内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。从上个世纪80年代到今天，3D打印技术走过了—条漫长的发展之路[4]。

1984年，Charles Hull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术，1986年，Chuck Hull发明了立体光刻工艺，利用紫外线照射将树脂凝固成形，以此来制造物体，并获得了专利。随后他离开了原来工作的Utra Violet Products，开始成立一家名为3D SystEMS的公司，专注发展3D打印技术，1988年，3DSystems开始生产第一台3D打印机SLA-250，体型非常庞大。

1988年，Scott Crump发明了另外一种3D打印技术——热熔解积压成形(FDM)，利用蜡、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体，随后

[5]

也成立了～家名为Stratasys的公司。

1989年，C．R．Dechard博士发明了选区激光烧结技术(SLS)，利用离强度激光将尼龙、蜡、ABS、金属和陶瓷等材料粉来烤结，直至成形。

1993年，麻省理工大学教授EmanuaI Sachs创造7三维打印技术(3DP)，将金属、陶瓷的粉末通过粘接剂粘在一起戍形。1995年，麻省理工大学的毕业生Jim Bredt和TimAnderson修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床，而不是把墨水挤压在纸张上的方案，随后创立了现代的三维打印企业Z Corporation。

1996年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation分别推出了型号为Actua 2100、Genisys、2402的三款30打印讥产品，第一次使用了“3D打印机”的称谓[6]。

2005年，Z Croooration推出了世界上第一台离精度彩色3D打印机一SpeCTRum 2510，同一年，英国巴恩大学的Adrian Bowyer发起了开源3D打日机项目RepRap，目标是通过3D打印机本身，能够制造出另一台3D打印机。

2008年，第—个基于RepRap的30打印机发布，代号为“Darwin”[7]，它能够打印自身50%元件，体积仅—个箱子大小。

2010年11月，第一台用巨型3D打印机打印出整个身躯的轿车出现，它的所有外部组件都由3D打印制作完成，包括用Dimension 3D打印机和由Stratasys公司数字生产服务项目RedEye on Demand提供的Fortus3D成型系统制作完成的玻璃面板[8]。

2011年8月，世界上第一架3D打印飞机由英国南安营敦大学的工程师剑建完成。9月，维也纳科技大学开发了更小、更轻、更便宜的3D打印机，这个超小3D打印机重1.5kg，报价约1200欧元。

2012年3月，维也纳大学的研究人员宣布利用二光子平板印刷技术突破了3D打印的最小极限，展示了一辆长度不到0.3mm的赛车模型。7月，比利时的international Univers时 CollegeLeuven的一个研究组测试了一辆几乎完全由3D打印的小型赛车，其车速达到了140千米／小时。12月，美国分布式防御组织成功测试了3D打印的枪支弹夹[10]。

从3D打印技术的发展史我们可以看出，随着3D打印技术的种类变多，3D打印机可打印的东西越来越多。而且，3D打印机的价格在不断下降，1999年3D Systems的SLA 7000要价80万美元，而Cube要价仅1299美元。另外，虽然对于普通用户和制造业来说，3D打印的大规模产业化时机还没有成熟，但我们也看到3D打印机开始向两极分化，除了百万元级的大型3D打印机之外，国内目前也出现了面向个人用户价格

为数千元的3D打印机。3D技术的发展现状

3D打印技术应用领域正逐步拓展，市场空

间广阔[11]。

过去几年里，快速制造技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了广泛应用，对改善制造业的产品设计和制造水平起到了巨大作用，在工程和教学研

究等应用领域也占有了独特地位[12]

。通常应用在产品试制和试验阶段，比如功能检测和装配检测等环节应用较多。

目前3D打印技术在航空器和医学及牙科领域的应用增速最快，2009至2011年的3年间，应用于航空器制造领域的设备市场份额由9.9%上升到了12.1%，医学和牙科的市场份额由

13.6%上升到了15.1%[13]

。此外，在个人消费领域，3D打印技术让消费者在家里就能直接制作出想要的衣服、首饰、装饰品、玩具、乐器、自行车甚至食品。如同电脑从学院、实验室进入到家庭一样，3D打印技术也逐步改变所有人的生活。和任何其他技术类似，3D打印机迅速地变得越来越便宜，功能却越来越强大。

三维打印技术，现在已经处在了人人都用得

起的临界点[15]

。在美国，5年前一台标准的3D打印机的价格是5000-50000美元，而近期3D Systems和Autodesk推出了1500美元左右的个人用产品，最简单的3D打印机的价格甚至已经达到了800美元。3D打印技术在过去数十年里取得了重大进展，但有关材料、设备和应用的技

术挑战依然存在[16]，具体有以下几个方面：

材料特性:在3D打印技术能够完全过渡到提供切实可行的制造解决方案之前，需要为材料提供力学性能数据的规范性标准，也需要更详细的由这些材料性能制成零部件的规范信息。在没有充分认识材料属性之前，是无法进行相应零部

件设计的[17]

。目前，世界各国已经研发了很多3D打印技术材料，因此，建立全面的规范标准需要整合研究机构以及系统与材料。

材料开发:虽然已有大量的同质与异质材料混合物应用于3D打印技术，但仍然需要开发更多的材料。其中包括更好地理解已经使用的材料的加工-结构-属性之间关系，从而了解这些材料的局限性和优点[18-23]。此外，还需要开发质量测试程序和方法，以帮助扩展可用材料的种类。3D技术的优点

三维打印技术的魅力在于它不需要在工厂操作，桌面打印机可以打印出小物品，而且，人们可以将其放在办公室一角、商店甚至房子里；而自行车车架、汽车方向盘甚至飞机零件等大物品，则需要更大的打印机和更大的放置空间。

3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本[24]。

与传统技术相比，三维打印技术还拥有如下优势：通过摒弃生产线而降低了成本；大幅减少了材料浪费；而且，它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器；另外，在具有良好设计概念和设计过程的情况下，三维打印技术还可以简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品。

三维打印技术还有其他重要的优点。大多数金属和塑料零件为了生产而设计，这就意味着它们会非常笨重，并且含有与制造有关但与其功能无关的剩余物。三维打印技术不是这样的。在三维打印技术中，原材料只为生产所需要的产品”，借用三维打印技术，他的团队生产出的零件更加精细轻盈。当材料没有了生产限制后，就能以最优化的方式来实现其功能，因此，与机器制造出的零件相比，打印出来的产品的重量要轻60%，并且同样坚固。3D技术的应用

4.1 3D打印机

3D打印技术最直接的产物就是3D打印机。最早的3D打印机由恩里科·迪尼(Enrico Dini)的发明家所设计的，当时的打印机还比较粗糙。如今3D打印机已经比较普遍，便宜的售价不到2000元，能够打印制造各种各样的模型实物。3D打印机的优势在于产品多样化，效率高而成本比传统工艺低，制造复杂物品不增加成本，无须组装，减少废弃副产品，材料无限组合，精确的实

体复制。

3D打印机是结合添加剂、制造技术和快速成形技术的一种机器。快速成形技术是在现代CAD/CAM 技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是“分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台“立体打印机”，因此得名“3D 打印机”。它以数字模型文件为基础，通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，运用一些金属、蜡、塑料等可粘合材料，采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料

来生成3D实体[25]

。简单来说，比如要打印一个立体的苹果，就先要将苹果的大小形状等参数在设计软件中设计出来，或者用扫描仪把苹果的各参数扫描输入计算机，然后计算机会把苹果每一层截面的形状计算出来，然后在3D打印机里由下到上一层一层地把苹果薄片“叠”起来。（如图4.1）

图4.1 3D打印机

4.2 3D打印机种类

3D打印机的种类繁多，主要根据成型技术来划分：

①立体光固化成型法SLA。该方法主要采用液态光敏树脂原料，通过3D设计软件设计出三维数字模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，分层扫描固化叠加成三维工件原型。②选择性激光烧结法SLS。该方法主要采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。

③分层实体制造法LOM，又称层叠法成形。该方法主要用片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。

④熔积成型法FDM。该方法主要采用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）作为原材料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高 1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y两个维度的平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，这样逐层堆积形成三维实体。

⑤生物绘图技术Bioplotter。主要以细胞为原材料，复制一些简单的生命体组织，例如皮肤、肌肉以及血管等，甚至在未来可以制造人体组织如肾脏、肝脏甚至心脏，用于进行器官移植。

⑥ 3D建筑打印机。下文中详细介绍。4.3 应用领域

3D打印技术已经运用在医疗行业、科学研究、产品原型、文物保护、建筑设计、制造业、食品产业、汽车制造业和配饰制造等领域中，为这些领域带来革命性的改变。下面我就详细讲讲3D打印技术的应用。

在工业中，3D打印机很难用于批量生产，因为对比于传统的工业生产技术还有一定的障碍，所以在工业中一般用于产品的开发研制，设计师可以把设计好的产品用3D打印机很快地制造出来，然后根据实际需要来继续下一步的研发，大大降低了研发的成本，还提升了研发速度。

在医学中，3D打印机可以用来制造肌肉组织和特定的人体器官，通过打印人类胚胎干细胞生产3D结构，能造成更精确的人体组织模型，这对药物开发，毒性测试非常有用，为人类提供可靠的药物而不必再用动物做药物测试，提供用

于移植器官而无需捐献，并能消除器官排斥和免

疫带来的问题。

3D打印机还可以用于艺术雕塑品的制作，有些工艺设计品难以用传统工艺制造出来，而利用3D打印机，只需把作品的模型参数输入电脑，打印出来，而且还打破了材料的局限和工艺的限制，使得艺术品更具可观性。3D打印技术在建筑中的应用

读土建类专业的我对建筑行业比较感兴趣。我认为3D打印技术在一些领域中的应用已经达到了一个瓶颈，要想再继续发展很难，将3D打印技术应用到建筑中将是未来该技术的发展方向。

最近国内有公司尝试将3D打印技术运用到建筑中（如图5-1）。上海，10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦园区内正式交付使用，是首次打印出能够住人的房子，这些“打印”出来的建筑墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照电脑设计的图纸和方案，经一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而成，10幢小屋的建筑过程仅花费24小时（如图5.1），用3D打印技术将房子直接打印出来，这个新闻令不少人惊叹。整个打印过程形象来说3D打印房子的技术流程就是：用巨大3D打印吊机装置，喷头装着特殊的水泥，水泥从漏斗

图5.1 3D打印建筑

喷嘴流出来，吊机上下左右控制喷嘴的运动，喷出水泥形成一层层的墙壁。就像早上刷牙挤牙膏一样，只不过需要往 牙刷上挤出上千层的牙膏。其中还涉及材料技术和控制技术。

利用这种建筑打印技术，可以在短时间内建造出多间标准的房子，而且不需要众多的建筑工人，很大程度避免了建筑的误差，而且能最大程度保留建筑设计师的想法，效率高，而且几乎没有建筑垃圾（要知道一个城市的建筑垃圾占了所以垃圾的三分之一）。

利用3D打印技术建房子需要攻克很多技术难题，材料、结构、工具。万科老总王石就断言，未来3D打印房子会成为一个主流：“万科下一步准备做什么呢，我们要用3D打印机打印房子。三年之后万科的建研中心就会用3D打印机打印出一个房子，万科要集中资源，集中全球最优秀的资源，在中国广阔的城镇化进程中，做很多以前想不到的事情。

目前3D打印建筑处于起步阶段，相信随着科技的发展和3D打印技术的成熟，未来将会在建筑界中刮起一股革命风暴，我们不需要人工一砖一瓦地建房子，只需要把数据录入电脑，一栋楼房就会耸立在我们面前。许多在如今无法建成的建筑结构，利用3D打印就可以一丝不差地做出来，解决一切建筑建造技术问题，使建筑设计和建造走向无限自由，完美地体现建筑设计师的设计。无建筑垃圾使建筑工程过程更加环保。当3D打印建房技术成熟后，建楼效率大大提高，成本大大降低，中国居高不下的房价肯定会下降，更多人能买得起房。只不过到那时候许多人会失业，建筑工地中不会再有那么多建筑工人，又会引起一系列社会问题。但是科技总是要进步，人类总是要发展，社会也会进步，或许那时候人们不需要像今天一样整天疲于工作挣钱。3D打印技术未来运用前景

英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中，将“3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一”，这充分可以看出3D 打印机将来不是要取代某一个制造业，而是要取代几乎所有的制造业。未来你想要什么，只需下载图纸，按一下„打印‟键，就可以去喝咖啡听音乐了，剩下的所有事，请统统交给打印机[26]。

未来的3D打印我们可以做什么？也许我们的房屋不在是人工建造的而是用3D打印机打印一个，我们不会受食物的匮乏而限制，想吃什么自己打；家里的常用物品不在需要购买，需要杯子自己打印一个，可以看出，3D打印会在将来给我们带来的便捷之处。

3D打印机的未来或将无所不能，只需要一个想法，一些材料，一台3D打印机，就能将脑

中的一切转变为实体，高新区3D打印技术的发展设想和对策采取财税金融政策上积极支持、积极引导建立行业协会，鼓励研发，加强教育培训

等措施，进一步促进3D打印社会化推广[27]。

制定数字化制造规划，促进3D产业优先发展。建议将3D打印技术定位为生产性服务业、文化创意、工业设计、先进制造、电子商务及制造业信息化工程的关键技术和共性技术，将该产业纳入优先发展产业及产品目录。在财税金融政策上，鼓励企业投资、研发、生产和应用3D打印，支持3D打印设备的进出口。

加强产业联盟、行业协会建设，推动3D产业协同发展。积极引导工业设计企业、3D数字化技术提供商、3D打印机及材料研发企业和机构、3D打印服务应用提供商组建产业联盟，利用有关学会、协会的平台加强研讨和交流，共同推动3D打印技术研发和行业标准制定。促进3D打印技术发展的市场平台建设，包括3D打印电子商务平台、3D打印数据安全和产权保护机制、3D打印及周边项目投融资机制等，促进产业可持续发展。

加大科技扶持力度，提升3D打印技术水平。设立专项基金，重点推进数字化技术、软件控制、打印装置、材料技术等关键技术的研发。在研发扶持中，要注意建立公平、公正的研发绩效评估体系，鼓励各研发主体探索不同的技术路径。加强对3D打印产学研合作的支持，特别对实施产业化的企业在市场销售、社会推广上给予政策支持[28]。

加强教育培训，促进3D打印社会化推广。将3D打印技术纳入相关学科建设体系，培养3D打印技术人才。依靠行业协会、博览会、论坛等组织形式进行3D打印技术和周边应用的培训。在科技馆、文化艺术中心、青少年活动中心等公

共机构进行3D打印技术的展示、宣传和推广。发展3D打印服务中心，推广3D打印技术应用，为发展3D打印产业积累应用经验[29]

。结论

3D打印技术是一种能够改变我们生活方式的一种技术，虽然这项技术已经被运用到人类社会的各个领域中，并取得了一定的成就，但是这项技术还在起步过程中，我相信3D打印技术还有更大的发展空间，特别是在建筑方面。或许，未来将利用3D打印技术在火星上就地取材建立一个火星基地，还可以制作出各种生活用品。

3D打印还有很长的道路要走，它的价值还没发挥到极致，当3D打印技术达到一个成熟的阶段，将会在人类的进程中刮起一波新的制造革命。

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第五篇：基于医学影像分割3D统计形状模型[最终版]

基于医学影像分割3D统计形状模型

在过去的30年里，基于模型的分割方法被认为是最成功的图像分析方法之一。通过将一个包含所期望的感兴趣区域的结构表面信息以及形状信息与新的图像进行匹配，该分割方式被认为是自顶向下的。由于该方法用到了图像内部的先验信息，因此相比传统的分割方法，这种方法可以更稳定地处理局部图像信息扰动。虽然一个单一的形状模板对于工业制造而言已经足够了，只需要大量生产即可，但是对于生物器官而言，由于其内部可观的的可变性，因此该方法在这种情况下通常会分割失败。为防止上述情况，通常需要该模型具备适用于变形的可调节参数。一种直观的方法就是对大量的训练数据运用统计方法进行形变信息收集，从而根据收集的信息构造统计形状模型。

这方面最著名的方法就是由Cootes等人在1995年提出的主动形状模型以及于2001年提出的主动表面模型。

针对统计形状模型，首先需要明白的是自由形变模型。Kass等人于1988年提出了具有重要意义的基于形变的snake分割方法，该方法的主要思想就是模型进化是由两种能量驱动的，一种图像数据的外部能量，一种基于一般光滑性约束的内部能量。内部能量和外部能量达到平衡就意味着到达了感兴趣区域的边界。不久以后，Terzopoulos等人将该方法推广到了三维图像中。Delingette等人于1994年引入了可形变的单一网格，该网格可以使稳定的内部能量很顺利地朝着特定的模板形状进行形变。Mclnerney和Terzopoulos等人于1999年提出了将拓扑变化应用在可形变表面的方法。可形变模型发展了将近30年，在这20多年里，很多与该话题相关的综述性文章都已发表，其中最典型的就是由Mclnerney和Terzopoulos于1996年，Jain等人于1998年以及2001年Montagnat等人发表的综述性文章。在这里就不讨论上述综述里的相关算法。也许是由于时间缘故，之前的算法并没有应用到有约束的形变当中。虽然无约束的形变模型可以用于表示特定性状，但无论是内部能量还是外部能量都是基于边缘平滑属性的，并且该能量并不能根据统计信息进行相应演变。

如果要了解统计形状模型，还需要了解水平集。水平集这一概念是由Osher和Sethian等人于1988年提出的，该概念于1995年在Malladiet等人的推广（将模糊的形状表示与局部或者边缘信息进行结合），在计算机视觉以及图像分析等方面被很广泛的应用。Leventon等人于2000年，将原始的能量方程进行了改进，给之前的方程中增加了额外项，该项可以使边缘信息朝着之前学习到的先验形状信息进行演变。对于该方法的适用性，有很多人提出了质疑。形状模型的基础在于具有标记性的距离映射，该映射并不适用于线性空间，如果训练太多样本，会导致形状模型是无效的（可能会达到过拟合的效果）。然而，该方法收到了大量好评并且被推广到很多领域，例如，Tsai等人于2003年就提出了将Leventon的模型与基于区域的能量方程相结合的方法。Pohl等人于2006年提出了将符号距离映射应用到线性LogOdds空间的方法，该方法可以用于解决建模问题。

在医学领域应用统计形状模型，该训练数据必须包含已经分割好的体素信息。取决于要应用的分割方法，初始数据可以是二值化的体素数据，应用概率方法的模糊体素数据或者表面网格数据。事实上，所有的形状表示是可以相互转换的，而形状模型的表现形式的选择就是设计统计形状模型的第一步。接下来的一系列步骤都是在初始步骤的基础上完成的。

最常用以及最简单的描述形状的方法，就是将所获得的点云数据进行向量表示。这些点一般都是特征点或者标注点，标注点上的法向量一般都是用来构造表面重建的必备要素。具有相互连通性的点集就是表面网格。标志点被Kendall于1989年，Bookstein等人于2003年广泛应用于生物形状统计研究当中。基于统计形状模型中标记点的使用，Cootes于1992年提出了点云分布模型。目前大多数的形状模型都是基于点云分布模型的。

血管模型以及骨骼模型于20世纪70年代经常被用于描述生物形状信息，常用于图像分析当中。这些模型经常用中心线信息以及相应的半径信息描述目标，这种描述方式相比特征点的描述更紧密。Pizer等人于1999年用一种二维的从粗略到精细的表现方式表示血管模型。该方式通常包括中心线上的点云以及从该点云出发，指向边界的法向量信息。后来该方法被Pizer等人于2003年扩展到三维空间，并命名为m-rep。2006年，Yushkevich等人将m-rep应用到连续的或者序列性的医学影像中。后来m-reps在大量医学影像的连续处理过程中得到了广泛的应用，该过程包括图像分割，图像配准以及感兴趣区域的形状区分。

1996年Staib和Duncan等人用Fourier表面描述各种各样的拓扑形状。除此之外，还有就是利用球谐函数，即用一系列基函数去描述球的拓扑表面。该方法被Szekely等人于1996年以及Kelemen等人于1999年应用在图形分割的形变模型当中。Matheny和Goldgof等人于1995年提出了面调和函数，是对SPHARM 进行了拓展，可以用来对非球状拓扑进行建模。Nikou等人于2001年用球状网格的振动模式描述物体表面。Davatzikos等人于2003年应用小波变换描述形状信息（当时只是描述2维信息）。后来 Nain和Yu等人于2007年将球型小波变化应用在3维情况下。2002年Tsagaan等人提出了非均匀有理B样条描述没有太多细节信息的形状，这种情况下，一般需要的特征点个数就很少。2005年Golland等人提出了形状特征描述子，该描述子用于形状信息分类这一单一目标就已足够了。

构造统计模型，需要得到平均形状模型以及收集到的许多训练样本。统计形状模型的构建很大程度上取决于所选择的形状信息。点云信息的有效性就在于所标记的标记点必须在所对应的位置。只有在这种情况下，才能顺利的进行对齐这一步骤。形状作为一个在相似性变换条件下不变的属性，基本不受平移，旋转，缩放的影响。通常而言，一个统计形状模型不能作用于由全局变换引起的形状改变，目的是尽可能的保持形状的细节信息。因此，对齐的第一步就是将所有的训练样本放在同一个坐标系下。解决该问题的方法就是1975年和1991年，Gower和Goodall两人提出的广义普鲁克形状对齐。标准的普鲁克对齐（命名于希腊神话故事）最小化了两个形状之间的均方距离。对齐方式一般是将一组样本与未知的平均形状进行对齐，这个过程是迭代完成的。Dryden和Mardia于1998年提出了该方法的细节信息。需要指出的是，GPA对异常值点并不特殊对待，都是将L1范数和无穷范数替代欧几里得距离矩阵。

对齐之后，接下来就是降维，寻找最能描述形状信息的最少变量。通常使用的是Jolliffe于2002年提出的主成分分析方法以及Horn于1965年提出的平行分析的方法，这两种方法的特征值是等价的。PCA的降维会同时影响到很多变量，所降维数的不同，将会导致所选取的特征点的不同，不同的降维方式会导致不同的区域中有限的标记点的聚类。PCA最终获取的特征向量具有正交性。比较流行的是独立主成分分析，由Hyvarinen等人于2001年提出。该方法并没有假设数据服从正态分布，但传达的是统计独立性的性质或者是映射。除了PCA和LDA等降维方法，还有独立成分分析以及由Hilger等人于2003年提出的最大化自相关因素M AF。经证明，MAF与ICA是等价的。至于给统计形状模型选择适用的降维方法，可以参考stegmann等人于2006年提出的一系列选择技巧。除了探索不同的线性分解，当然也可以构造非线性统计形状模型。Sozou等人于1994年提出了基于多项式压缩的非线性PCA，以及他的团队于1995年提出的多层感知器。Twining和Taylor等人于2001年提出了核PCA的方法，这种方法比其他方法更适用。很多情况下都是将核PCA与水平集结合起来，这样的距离映射就不再局限于线性向量空间。

统计模型建立的好坏很大程度上取决于用于训练的数据质量的好坏。在3D统计形状模型的构建过程中，建模结果经常不尽如人意，那是因为训练图片的量太少，还有就是手动分割比较困难，而且很耗时。也许训练数据不少，但是符合要求的数据量不太多。这样会导致模型的泛化性能比较差。Cottes和Taylor等人于1995年应用有限元思想为每一个训练样本生成与其相差不大的样本。还有一种增加模型复杂性的方法就是将统计形状模型分成不同相互独立的小块。Davatzikos等人于2003年应用小波变换将整个模型分成不同的等级：最底层对应的是全局转换，较高层对应的是局部区域的转换。

统计建模需要一系列的合适的，具有已经标注好的训练样本。在所有训练样本的点云集合中找出相应的标记点就是一项很繁琐的事情，手动标记特征点因为枯燥耗时会增大任务难度，更不用提在三维样本上。三位样本很难精确定位特征点位置，即使对于专家而言，这也是一项大工程。这就涉及到了点的配准。点的配准一般分为5种，分别是网格到网格，网格到体积，体积到体积，参数化到参数化，以及基于最优化的配准。针对网格到网格，主要用到的方法是由Besl和Mckay提出来的最近迭代点算法，以及由Rangaraian等人于1997年提出来的软分配海盗算法。这两种方法都是使用不同数量的顶点来表示形状，并且将其中一个形状通过最佳相似度变化匹配到另一个形状以得到最后的匹配结果。当然在这两种方法的基础上也发展了许多更加简单的方法，例如通过选择任意形状作为参考形状，然后将这个参考形状匹配到所有的其他形状上去，因此其他形状就可以使用与参考形状相同数量的点来进行形状表示。这种方案的缺点是即使使用平均形状再次作为参考形状也会引起一定的偏差。