"Моделирование методов обучения школьников на уроках информатики"
методическая разработка
Автор: Миненкова Елена Ивановна, магистрант, ФГБОУ МГУТУ им.К.Г. Разумовского (ПКУ), Москва
В раздел дополнительное образование
МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ ШКОЛЬНИКОВ НА УРОКАХ
ИНФОРМАТИКИ
Выбор методов обучения занимает определенное место в общем
планировании учебного процесса и должен рассматриваться в тесной связи с
выбором всех основных элементов обучения: задач, содержания, форм и
средств обучения.
Представление об оптимальном сочетании методов всегда является
конкретным. То, что для одних условий оказывается удачным, то для других
условий, для другой темы может оказаться совершенно неприемлемым.
Оптимальность того или иного метода объясняется не его названием и не
модой. Оптимально избранные методы позволяют наилучшим образом
решать поставленные задачи за отведенное время. Более того, часто
оптимальным оказывается комплекс методов, в котором один из них
доминирует. [14]
Выбор методов обучения определяется:
1)
целями и задачами обучения;
2)
содержанием учебного материала данной темы и конкретного урока;
3)
учебными возможностями школьников, уровнем их умений работать на
компьютере;
4)
возможностями самих учителей: их опытом, уровнем теоретической и
практической подготовленности, способностями в применении
определенных методов, средств, личностными качествами.
Так, например, в условиях недостатка времени, необходимости
изучения достаточно простого или наоборот сложного учебного материала в
классе со средним и низким уровнем подготовки учащихся лучше применить
объяснительно-иллюстративный метод.
В условиях же достатка времени в классах с учащимися с хорошим
уровнем подготовки при изучении учебного материала средней сложности
Миненкова Елена Ивановна
приемлем проблемный метод обучения. Если к этим условиям добавляется ещё способность и желание учителя беседовать с детьми, то очень хорош на уроке будет частично-поисковый метод (эвристическая беседа), или даже исследовательский, но он требует больше времени, чем какой-либо другой метод. Сравнительно универсальным является репродуктивный метод обучения, т.к. он подходит для всех категорий учащихся, при изучении учебного материала любой сложности, но при достатке времени. Чаще всего в информатике применяется комбинированный метод , который как-бы объединяет в себе объяснительно-иллюстративный и репродуктивный методы. Этот метод достаточно универсальный, у него единственный недостаток: ученики должны быть примерно одинаково подготовлены, с одинаковой скоростью работы за компьютером, что в школах встречается достаточно редко. Для практических занятий очень хорошо подойдет проблемно-поисковый метод, метод Кейса. [4] Вообще при выборе методов обучения полезно избирать их не только к отдельному уроку, а ко всей системе уроков по изучаемой теме. Например, на изучение темы «трёхмерная графика, моделирование и 3D-редакторы» во время образовательного эксперимента в пятом классе мы потратили 1,5 часа (3 урока по 30 минут). Во время изучения пользовались 4 видами методов, комбинируя их по мере углубления в тему. Календарное планирование по данной теме может выглядеть так: Вводная часть. Что такое трёхмерная графика, моделирование и 3D- редакторы (приложение №1). Урок №1. 3D-моделирование и визуализация. Урок № 2. Краткая история 3D-принтеров. Урок № 3. Сферы применения трёхмерной печати. Таблица выбора системы методов обучения при изучении целой темы такая: Миненкова Елена Ивановна
Таблица № 1.1 Метод № урока 1 2 3 Объяснительно-иллюстративный � Комбинированный Проблемный Частично-поисковый Анализируя отметки по вертикали можно судить о том, какие методы сочетались на данном уроке. А данные по горизонтали показывают, насколько представленными оказались в системе уроков по этой теме определенные методы обучения. Были ли созданы условия для успешного решения всего многообразия задач соответствующей учебной темы учениками с разными типами памяти и внимания. При выборе методов обучения учителю необходимо учесть и целый ряд обстоятельств возрастного характера учеников. Ведь в средней группе классов, где изучается базовый курс информатики, обучаются учащиеся переходного возраста, поэтому методы обучения могут и должны быть максимально разнообразными, чтобы поддерживать высокую работоспособность учащихся в период, когда они испытывают повышенную утомляемость; удовлетворять их весьма разнообразные, меняющиеся интересы, готовить их к более интенсивным и трудоемким методам обучения в старших классах. [3] Наконец, учителю придется учесть место урока в течение рабочего дня. Если урок проводится в конце рабочего дня, то ученики, естественно утомлены и придется применить методы стимулирования, чтобы поддержать их должную работоспособность и активность. Также учителю важно определить на каком этапе урока и в каких видах необходимо применить методы контроля и самоконтроля, чтобы проверить степень усвоения материала, качество учебно-воспитательных задач [1]. Миненкова Елена Ивановна
Итак, можно сформулировать некоторые основные требования к моделированию к методам обучения. 1. 1.В начале необходимо обеспечить перспективный выбор системы методов изучения новой темы. 2. Исходя из того, какое место занимает данный урок в системе уроков по данной теме, определить ведущий метод изучения нового материала с учетом специфики задач урока и содержания учебного материала. 3. Сочетать его с разнообразием методов обучения в системе уроков, чтобы обеспечить активность учеников с разными типами памяти, внимания, мотивов, отношения к учебе. 4. Далее необходимо конкретизировать выбор методов с учетом возможностей учеников и учителя, прежде всего уровня учебной подготовленности и отношения к учению коллектива школьников. 5. 5.По мере роста реальных учебных возможностей учеников класса необходимо обогащать и углублять применение методов, требующих проявление большей самостоятельности и активности учеников. 6. 6.При выборе методов обучения отдавать предпочтение тем, которые в максимальной мере раскрывают сильные стороны индивидуальной педагогической техники самого учителя. 7. По ходу обучения вносить оперативные коррективы в выбор методов, чтобы учитывать происходящие изменения ситуации и обеспечивать постоянное сохранение резонанса методов и возможностей класса. [2] 8. Информатика как учебный предмет имеет ряд отличительных от других учебных предметов особенности. 9. В информатике большой объем занимают относительно независимые виды деятельности учащегося и учителя при сокращении объема их совместной деятельности. Компьютер как посредник между учителем и учеником также увеличивает объем независимой самостоятельной деятельности. Миненкова Елена Ивановна
В информатике также более отчетливо видна функция управления и самоуправления познанием. Задача учителя – создать учебную ситуацию управлять деятельностью учащегося в ней [1]. Рассмотрим несколько примеров уроков с использованием различных методов обучения. Методы обучения: объяснительно-иллюстративный. При объяснении новой темы учитель должен обратить внимание на первичность, фундаментальность понятия модели и информации. Учитель сообщает, что понимается под информацией на житейском уровне (любые сведения об окружающем нас мире), приводя конкретные примеры. Следует предложить детям привести свои примеры информации и моделирования. Выделив несколько примеров, приведенных учащимися, можно спросить: что у них общего? (Это примеры информации). А чем они отличаются? После обсуждения надо подвести ребят к выводу: информация в примерах представлена в разных формах. Метод обучения: проблемный. При изучении практической темы перед учащимися можно поставить проблемную ситуацию: Без какого устройства не обойтись, если нужно скопировать снимки с фотоаппарата, а шнура к нему нет? 1. Микрофон. 2. Специальный маленький молоточек и напильник. 3. Клавиатура. 4. Кардридер. 5. Веб-камера. В ходе решения данной задачи у учащихся вырабатывается системный подход к разработке, умению видеть проблемы, решаемые задачей; умение перейти от проблемной ситуации к выбору результата ответа с последующей алгоритмизацией, умение проанализировать полученные результаты с точки зрения решения обозначенных проблем и выводит учащихся к цели, Миненкова Елена Ивановна
поставленной учителем перед изучением темы, формируя навыки работы с компьютером.[3] Таким образом, у учителей информатики имеется богатый выбор методов обучения, применение которых может содействовать успешному овладению компьютерной грамотности. Вместе с тем школьная практика показывает, что формальное применение методов не дает желаемых результатов. Оптимальность того или иного метода объясняется не его названием, не его «модностью», а его соответствием задачам и содержанию урока, возможностям учеников и учителя. Чтобы стать учителем информатики надо овладеть теорией предмета, знать педагогику, психологию и методику обучения информатике. Без знания теории, классических основ методики невозможно творчество, которое требует постоянного самообразования, осведомленности учителя об основных направлениях развития методики обучения предмету, о передовой педагогической практике, новаторских формах и методах обучения и воспитания.[4] СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ: 1. Добринский, Е. С. Быстрое прототипирование: идеи, технологии, изделия [Текст]/ Е. С. Добринский // Полимерные материалы. – 2011. – №9. – 148 с. 2. Зеньковский, В.А. 3D моделирование на базе Vue xStream: Учебное пособие / В.А. Зеньковский. + DVD. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 384 c. 3. Иванова Е. О. Теория обучения в информационном обществе[Текст] / Е. О. Иванова, И. М. Осмоловская.– М.: Просвещение, 2011. – 190 с. Миненкова Елена Ивановна
4. Исаев, Г.Н. Моделирование информационных ресурсов: теория и решение задач: Учебное пособие / Г.Н. Исаев. - М.: Альфа-М, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 224 c. 5. Петраков, Ю.В. Моделирование процессов резания: Учебное пособие / Ю.В. Петраков, О.И. Драчев. - Ст. Оскол: ТНТ, 2011. - 240 c. Миненкова Елена Ивановна
Приложение № 1.
3D МОДЕЛИРОВАНИЕ И 3D ПЕЧАТЬ
Содержание: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ. ЧТО ТАКОЕ ТРЕХМЕРНАЯ ГРАФИКА, МОДЕЛИРОВАНИЕ И 3D-РЕДАКТОРЫ. УРОК №1. 3D МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ УРОК № 2. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ 3D ПРИНТЕРОВ УРОК № 3. СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ
(Вводная часть) ЧТО ТАКОЕ ТРЕХМЕРНАЯ ГРАФИКА,
МОДЕЛИРОВАНИЕ И 3D-РЕДАКТОРЫ?
Трехмерная графика
- вид компьютерной графики, представляющий собой объемную модель какого-либо объекта. Мы живем в трехмерном пространстве, возможно именно поэтому понадобилось изобретение 3D- графики. Для создания трехмерной модели требуются специальные программные и аппаратные средства. К программным принадлежат приложения 3D-визуализации, о которых пойдет речь ниже. К аппаратным относят то, с помощью чего создается и отображается модель (компьютер, 3D-мониторы, 3D-принтеры), о них мы поговорим позднее.
Процесс создания трехмерной модели включает три этапа:
Моделирование. Визуализация. Миненкова Елена Ивановна
Вывод модели (печать либо на монитор).
Моделирование
- создание модели из ничего, проектирование с помощью программных средств, задание соответствующих размеров, текстур, освещения. Создается, так сказать, каркас объектов, описывается математическими формулами. Следующим этапом является
рендеринг
(англ. render -
визуализация
) - преобразование сырого каркаса в приятную для глаза форму, закругление углов, отображение света, отображение текстур. Осуществляется с помощью программных средств.
Вывод на печать, либо на экран монитора полученной визуальной
модели - последний этап.
Передовые технологии не стоят на месте, ученые изобретают новинки техники, к ним и относятся 3D-мониторы и 3D- принтеры.
3D-экран
- экран, который создает иллюзию объемного изображения. Для некоторых видов таких мониторов требуется дополнительное оборудование, такое как стерео-шлемы, стерео-очки. Но некоторые типы самостоятельно формируют стереоскопическое изображение.
3D-принтер
- принтеры для создания объемных объектов на бумаге, либо другом запечатывающемся материале. Различают две технологии создания таких изображений - лазерная я и струйная. также для некоторых технологий требуются очки для возможности созерцать объем.
Теперь немного о программном обеспечении
. Autodesk 3Ds Max - передовая программа для создания 3D моделей. Ее используют в архитектурном моделировании, в дизайне интерьера, в кинематографе, мультипликации. 3D Studio MAX предусматривает создание анимационных 3D-сцен. Autodesk Maya - 3D-графический редактор. Большинство моделей и спецэффектов в кинематографе созданы благодаря этому приложению. Также ей отдают предпочтение мастера компьютерных игр. Миненкова Елена Ивановна
Существует множество других программ для 3D-моделирования. Их роль также значительна в мире визуализации. Некоторые из них: AutoCAD, 3D Architech, Blender 3D, Компас-3D, 123D, SolidWork, ProEngineering, и другие.
УРОК № 1. 3D МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
Теперь поговорим подробнее о 3D моделировании и визуализации, а также для чего они необходимы. Например, при производстве продуктов или их упаковки, а также при создании прототипов изделий и создании объемной анимации.
3D-моделирование и визуализация требуются, когда:
Нужна оценка физических и технических особенностей изделия еще до его создания в оригинальном размере, материале и комплектации; Необходимо создать 3D-модель будущего интерьера; 3D-модели - неотъемлемая составляющая качественных презентаций и технической документации; Нужна основа для создания прототипа изделия; Если речь идет о продукте, можно выпустить его пробную серию и наладить дальнейшее производство, мелкосерийное или же промышленных масштабов. Миненкова Елена Ивановна
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЙ «3D МОДЕЛИРОВАНИЕ» И
«ВИЗУАЛИЗАЦИЯ»
Трехмерная графика
или
3D моделирование
– компьютерная графика, сочетающая в себе приемы и инструменты, необходимые для создания объемных объектов в трехмерном пространстве.
Под приемами стоит понимать способы формирования
трехмерного графического объекта
– расчет его параметров, черчение «скелета» или объемной не детализированной формы; выдавливание, наращивание и вырезание деталей и т.д.
А под инструментами - профессиональные программы для 3D-
моделирования
. В первую очередь – AutoCAD, 3D Architech, Blender 3D, Компас-3D, 123D, SolidWork, ProEngineering, а также некоторые другие программы для объемной визуализации предметов и пространства.
Объемный рендеринг
– это создание двухмерного растрового изображения на основе построенной 3D-модели. По своей сути, это максимально реалистичное изображение объемного графического объекта.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ
Реклама и маркетинг
Трехмерная графика незаменима для презентации будущего изделия. Для того, чтобы приступить к производству необходимо нарисовать, а затем создать 3D-модель объекта. А, уже на основе 3D-модели, с помощью Миненкова Елена Ивановна
технологий быстрого прототипирования (3D печать, фрезеровка, литье силиконовых форм и т.д.), создается реалистичный прототип (образец) будущего изделия. После рендеринга (3D-визуализации), полученное изображение можно использовать при разработке дизайна упаковки или при создании наружной рекламы, POS-материалов и дизайна выставочных стендов.
Городское планирование
С помощью трехмерной графики достигается максимально реалистичное моделирование городской архитектуры и ландшафтов – с минимальными затратами. Визуализация архитектуры зданий и ландшафтного оформления дает возможность инвесторам и архитекторам ощутить эффект присутствия в спроектированном пространстве. Что позволяет объективно оценить достоинства проекта и устранить недостатки.
Промышленность
Современное производство невозможно представить без моделирования продукции. С появлением 3D-теxнологий производители получили возможность значительной экономии материалов и уменьшения Миненкова Елена Ивановна
финансовых затрат на инженерное проектирование. С помощью 3D- моделирования дизайнеры-графики создают трехмерные изображения деталей и объектов, которые в дальнейшем можно использовать для создания пресс-форм и прототипов объекта.
3D моделирование в литейном производстве
В литейном производстве 3D моделирование постепенно становится незаменимой технологической составляющей процесса создания изделия. Если речь идет о литье в металлические пресс формы, то 3D-модели таких пресс-форм создаются с помощью технологий 3D-моделирования, а также 3D прототипирования. Но не меньшую популярность сегодня набирает литье в силиконовые формы. В данном случае - 3D моделирование и визуализация помогут вам создать прототип объекта, на основе которого будет сделана форма из силикона либо другого материала (дерево, полиуретан, алюминий и т.д.).
Компьютерные игры
Технология 3D при создании компьютерных игр используется уже более десяти лет. В профессиональных программах опытные специалисты вручную прорисовывают трехмерные ландшафты, модели героев, анимируют созданные 3D-объекты и персонажи, а также создают концепт-арты (концепт- дизайны). Миненкова Елена Ивановна
Кинематограф
Вся современная киноиндустрия ориентируется на кино в формате 3D. Для подобных съемок используются специальные камеры, способные снимать в 3D-формате. Кроме того, с помощью трехмерной графики для киноиндустрии создаются отдельные объекты и полноценные ландшафты.
Архитектура и дизайн интерьеров
Технология 3D-моделирования в архитектуре давно зарекомендовала себе с наилучшей стороны. Сегодня создание трехмерной модели здания является незаменимым атрибутом проектирования. На основании 3D модели можно создать прототип здания. Причем, как прототип, повторяющий лишь общие очертания здания, так и детализированную сборную модель будущего строения. Что же касается дизайна интерьеров, то, с помощью технологии 3D- моделирования, можно увидеть, как будет выглядеть дом или кватрира после проведения ремонта. Миненкова Елена Ивановна
Анимация
С помощью 3D-графики можно создать анимированного персонажа, «заставить» его двигаться, а также, путем проектирования сложных анимационных сцен, создать полноценный анимированный видеоролик.
ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ 3D-МОДЕЛИ
Разработка 3D модели осуществляется в несколько этапов
: 1.
Моделирование или создание геометрии модели.
Речь идет о создании трехмерной геометрической модели, без учета физических свойств объекта. В качестве приемов используется: Выдавливание; Модификаторы; Полигональное моделирование; Вращение. Миненкова Елена Ивановна
2.
Текстурирование объекта.
Уровень реалистичности будущей модели напрямую зависит от выбора материалов при создании текстур. Профессиональные программы для работы с трехмерной графикой практически не ограничены в возможностях для создания реалистичной картинки. 3.
Выставление света и точки наблюдения.
Один из самых сложных этапов при создании 3D-модели. Ведь именно от выбора тона света, уровня яркости, резкости и глубины теней напрямую зависит реалистичное восприятие изображения. Кроме того, необходимо выбрать точку наблюдения за объектом. Это может быть вид с высоты птичьего полета или масштабирование пространства с достижением эффекта присутствия в нем - путем выбора вида на объект с высоты человеческого роста. Миненкова Елена Ивановна
4.
3D визуализация или рендеринг
Завершающий этап 3D-моделирования. Он заключается в детализации настроек отображения 3D модели. То есть добавление графических спецэффектов, таких, как блики, туман, сияние и т.д. В случае видео- рендеринга, определяются точные параметры 3D анимации персонажей, деталей, ландшафтов и т.п. (время цветовых перепадов, свечения и др.). На этом же этапе детализируются настройки визуализации: подбирается нужное количество кадров в секунду и расширение итогового видео (например, DivX, AVI, Cinepak, Indeo, MPEG-1, MPEG-4, MPEG-2, WMV и т.п.). В случае необходимости получить двухмерное растровое изображение, определяется формат и разрешение изображения, в основном - JPEG, TIFF или RAW.
__________________________________________________________________
Растровое изображение – это способ представления цифрового
изображения в виде массива битов или сетки пикселей.
Растровое изображение существует различных форматов, наиболее известные из них *.gif, *.jpg и *.bmp. Из последовательности битов растрового изображения формируется сетка цветных пикселей, которые создают изображение на экране монитора. Каждому пикселю, формирующему изображение, назначается определенный цвет. Система растровых изображений использует RGB матрицу, т.е. три цвета, красный, зеленый и синий. Например, черный цвет записывается в виде RGB 0,0,0, где для каждого цвета доступно 256 значений, позволяющие создать широкий диапазон насыщенности цвета. Когда изображение рассматривается пользователем, все пиксели визуально сглаживаются и видна нормальная картинка. В зависимости от разрешения, некоторые растровые изображения могут быть увеличены до очень больших размеров, в то время как другие становятся сразу трудно рассматриваемыми. Чем меньше разрешение, тем меньше размер файла изображения и тут нужно найти баланс для получения качественной картинки. Миненкова Елена Ивановна
_____________ _____________________________________________________ 5.
Постпродакшн.
Обработка отснятых изображений и видео с помощью медиа- редакторов - Adobe Photoshop, Adobe Premier Pro (или Final Cut Pro/ Sony Vegas), GarageBand, Imovie, Adobe After Effects Pro, Adobe Illustrator, Samplitude, SoundForge, Wavelab и др. Постпродакшн заключается в придании медиа-файлам оригинальных визуальных эффектов, цель которых - взбудоражить сознание, впечатлить, вызвать интерес и запомниться на долго!
МЕТОДЫ 3D ВИЗУАЛИЗАЦИИ (РЕНДЕРИНГ)
1.
Растеризация
Один из самых простых методов рендеринга. При его использовании не учитываются дополнительные визуальные эффекты (например, цвет и тень объекта относительно точки наблюдения). __________________________________________________________________
Растеризация — это перевод изображения, описанного векторным
форматом в пиксели или точки, для вывода на дисплей или принтер.
Процесс, обратный векторизации. Миненкова Елена Ивановна
Растеризация, или метод сканирования строк (англ. scanline rendering) - одна из групп методов рендеринга. Визуализация производится проецированием объектов сцены на экран без рассмотрения эффекта перспективы относительно наблюдателя. __________________________________________________________________ 2.
Рейкастинг
3D-модель осматривается с определенной, заранее заданной точки - с высоты человеческого роста, высоты птичьего полета и т.д. Из точки наблюдения направляются лучи, которые определяют светотени объекта, когда происходит его рассмотрение в привычном формате 2D. __________________________________________________________________
Ray casting, рейкастинг, Метод «бросания лучей» (англ. ray casting — рус.
бросание лучей) — один из методов рендеринга в компьютерной
графике, при котором сцена строится на основе замеров пересечения
лучей с визуализируемой поверхностью.
В основе рейкастинга стоит идея испускать лучи из «глаз» наблюдателя, один луч на пиксель, и находить самый близкий объект, который блокирует путь распространения этого луча. Используя свойства материала и эффект света в сцене, алгоритм рейкастинга может определить затенение данного объекта. 3.
Трассировка лучей
Данный метод рендеринга подразумевает то, что, при попадании на поверхность, луч разделяется на три компонента: отраженный, теневой и преломленный. Собственно, это и формирует цвет пиксела. Помимо этого, от количества разделений напрямую зависит реалистичность изображения. __________________________________________________________________
Трассировка лучей
(англ. Ray tracing; рейтрейсинг) — один из методов геометрической оптики — исследование оптических систем путём отслеживания взаимодействия отдельных лучей с поверхностями. В узком смысле —
технология построения изображения трёхмерных моделей в
Миненкова Елена Ивановна
компьютерных программах, при которых отслеживается обратная
траектория распространения луча (от экрана к источнику).
__________________________________________________________________ 4.
Трассировка пути
Один из самых сложных методов 3D-визуализации. При использовании данного метода 3D-рендеринга распространение световых лучей максимально приближено к физическим законам распространения света. Именно это и обеспечивает высокую реалистичность конечного изображения. Стоит отметить, что данный метод отличается ресурсоемкостью. __________________________________________________________________
Трассировка пути (англ. path tracing) — методика рендеринга в
компьютерной графике, которая стремится симулировать физическое
поведения света настолько близко к реальному, насколько это возможно.
Трассировка пути является обобщением традиционной трассировки лучей (англ. ray tracing), алгоритм которой трассирует лучи в направлении от виртуальной камеры сквозь пространство; луч «отскакивает» от предметов до тех пор, пока полностью не поглотится или рассеется. Качество изображений, получаемых при помощи метода трассировки пути, как правило, лучше, чем качество изображений, полученных другими методами рендеринга, однако трассировка пути требует гораздо больших затрат производительности. __________________________________________________________________
УРОК № 2. СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ
3D -печать
– это процесс послойного изготовления (наращивания) объекта на основе его отстроенной трехмерной модели из следующих материалов – пластик, фотополимер, гипс, металл, бумага и другие. Доступность печати на 3D принтере дает возможность осуществлять эксперименты в строительной и архитектурной области, в мелкосерийном производстве, образовании, медицине, полиграфии, рекламе и ювелирном мастерстве. Миненкова Елена Ивановна
Можно выделить такие основные сферы применения 3D печати:
1.
Архитектура и строительство
. При помощи 3D принтера создаются архитектурные макеты зданий практически любого уровня сложности. Такие макеты наглядно демонстрируют объект архитектуры и максимально выгодно презентуют его заказчику. Готовые модели домов и сооружений пользуются не малой популярностью еще и в связи со своей низкой себестоимостью. 2.
Медицина
. Печать на 3D принтере продвинуло современную медицину на шаг вперед и позволяет спасать человеческие жизни. При помощи 3D принтера печатают зубные коронки, протезы, искусственную почку, суставы, клетки кожи, органы и ткани человека.
3.Образование
. Трехмерная печать учебных макетов и наглядных пособий для классных комнат.
4.Мелкосерийное производство
. Создание прототипа для нового изделия, производство которого планируется запустить, с целью презентации его заказчику и окончательного утверждения формы. Изготовление деталей механизмов – воссоздание утерянных или поломанных деталей. Печать Миненкова Елена Ивановна
прототипа, при помощи которого создается силиконовая форма для литья небольших партий продукции. 5.
Кино
. Трехмерные объекты, напечатанные индустрии кино гораздо реалистичнее и экономичнее, чем компьютерная графика и настоящий декор – антикварные изделия, драгоценности, автомобили, элементы оформления интерьера и т.д. 6.
Производство одежды и обуви
. Сегодня на 3D принтере изготавливаются новые модели одежды для высокой моды – платья, шубы, рубашки. Кроме того, трехмерная печать позволяет изготовить совершенно необычные модели обуви из полиуретана, пластика и резины. 7.
Дизайн упаковки
. Изготовить пробный макет упаковки и бутылки сегодня можно и на 3D -принтере. Такие макеты могут быть цветными и сохранять все элементы дизайна – штрих-код, этикетку, торговый знак и др. Миненкова Елена Ивановна
8.
Ювелирные изделия
. При создании ювелирных украшений самый трудоемкий процесс – изготовление воскового прототипа, сегодня восковую модель будущего ювелирного изделия можно вырастить при помощи 3D печати. 9.
3D -модель известного персонажа
. 10.
Элементы декора и бижутерия
. 11.
Изготовление сувениров, игрушек и аксессуаров
. Миненкова Елена Ивановна
Что можно печатать на 3D принтере?
Печать на 3D принтере
– революционная технология, ставшая неотъемлемой частью сферы науки и техники. Кроме уже перечисленных областей применения, 3D принтер используется в самых неожиданных отраслях. Представляем вашему вниманию шедевры современной 3D -печати.
Сладости
Печатать сладости на 3D принтере можно в любых количествах, в белом или цветном варианте, а также можно придавать им различные вкусы – мята, ваниль, фруктовые ароматы.
Мебель
Дизайнерская компания Emerging Objects выпустила футуристическую мебель, напечатанную на основе трехмерных технологий - скамья из смеси цемента и светильник из природной соли.
Музыкальные инструменты
Миненкова Елена Ивановна
В Новой Зеландии была выпущена линейка так называемых ODD- гитар. Кроме того, уже создана «искусственная» скрипка и настоящая акустическая гитара.
Зеркальный фотоаппарат
Лео Мариус разработал технологию производства зеркального фотоаппарата, теперь можно скачать файлы и распечатать свой собственный фотоаппарат на 3D -принтере.
Автомобиль
Автомобиль Urbee 2 состоит из 50 деталей, каждая из которых распечатана на 3D принтере.
Оружие
Коди Уилсон произвел на свет благодаря 3D -печати настоящие 3D -оружие – пистолет «Освободитель». Миненкова Елена Ивановна
Теперь у вас не должно возникать вопроса: «
Что можно печатать на
3D принтере?
». Возможности 3D-печати практически не имеют границ. Именно поэтому услуги 3D печати востребованы и пользуются массовым спросом. Кроме того, современные технологии печати на 3D принтере доступны практически каждому.
УРОК № 3. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ 3D ПРИНТЕРОВ
Сейчас трёхмерная печать быстро набирает популярность и многим кажется, что она зародилась совсем недавно. На самом же деле недавно зародилось разве что название «3D принтер». Ранее данные устройства назывались машинами 3D прототипирования. И технология старше многих из её нынешних почитателей. Вот краткая история развития 3D печати:
1984:
Американец Чарльз Халл разработал технологию «стереолитографии» (SLA) для печати 3D-объектов по данным цифровых моделей из фотополимеризующихся композитных материалов (ФПК). Миненкова Елена Ивановна
1985
— Михаило Фейген предложил послойно формировать объемные модели из листового материала: пленок, полиэстера, композитов, пластика, бумаги и т.д., скрепляя между собой слои при помощи разогретого валика. Такая технология получила название «производство объектов ламинированием» (LOM). По сути, листы приклеиваются друг к другу, а лазер вырезает контур.
1986
— получение патента на технологию «стереолитографии» (SLA). Разработанную в 1984 году. В этом же году Чарльз Халл основал компанию 3D Systems и разработал первый коммерческий прибор трехмерной печати. Который незатейливо назвали - «установка для стереолитографии».
1986
— доктора Карл Декарт и Джо Биман в Университете штата Техас в Остине разработали и запатентовали метод селективного лазерного спекания (SLS).
1987
— израильской компанией Cubital была разработана Технология послойного уплотнения (SGC). Миненкова Елена Ивановна
1988
— 3D Systems разработала модель SLA-250, которая была запущена в серийное производство для широкого круга пользователей.
1988
— Скотт Крамп изобрел FDM (моделирование путём декомпозиции плавящегося материала). Наиболее распространённая ныне технология. Она и используется в большинстве «домашних» 3D принтеров.
1989
— Скотт Крамп основал комапнию Stratasys.
1991
— Stratasys выпустила первый 3D -принтер серии Dimension с экструдирующей печатающей головкой (FDM).
1991
— Helisys продала свою первую машину на основе объектного ламинирования (laminated object manufacturing (LOM)) Миненкова Елена Ивановна
1992
— Компания Stratasys продала свою первую машину на основе технологии FDM - «3D Modeler».
1992
— Фирма DTM продала свою первую систему селективного лазерного обжига (SLS)
1993
— Была создана компания Solidscape. Ныне один из ведущих производителей.
1995
— в Массачусетском технологическом институте был придуман термин "3D -печать".
1995
— Компания Z Corporation получила эксклюзивную лицензию от MIT использовать технологию 3D P (Печать склеиваемым порошком).
1996
— Stratasys представила «Genisys».
1996
— Компания Z Corporation представила Z402.
1996
— 3D Systems представила Actua 2100. К данному устройству быстрого прототипирования было впервые применено название «3D -принтер». Миненкова Елена Ивановна
1997
— компания EOS была продана конкуренту по стереолитографии 3D Systems. И они стали монополистами.
2005
— Компания Z Corporation выпустила Spectrum Z510. Это был первый на рынке 3D -принтер с высоким качеством цветной печати (3D P).
2006
— Открыт проект Reprap при использовании лицензии GNU General Public Licence.
2008
— Выпущена первая версия Reprap, «принтера который может производить сам себя». На тот момент он мог изготавливать около 50% необходимых деталей. Миненкова Елена Ивановна
2008
— Objet Geometries Ltd, разработала принтер Connex500, печатающий несколькими различными материалами сразу (3D P). Сейчас количество материалов перевалило за 100.
2010
— Urbee: первый автомобиль, созданный при помощи гигантских 3D -принтеров Dimension 3D Printers и Fortus 3D Production Systems.
2010
— медицинская компания Organovo. Inc объявила о создании технологии, печати искусственных кровеносных сосудов.
2010
– группа ученых Fluid Interfaces Group из Массачусетского Технологического Института представила первый 3D принтер для создания продуктов - «Cornucopia». Среди пищевых 3D-принтеров наибольшей популярностью пользуются установки, печатающие шоколадом.
2011
— голландский производитель 3D принтеров Ultimaker развил скорость трехмерной печати до 350 мм в секунду. Действительно неплохо, Миненкова Елена Ивановна
хоть и точность пострадала от скорости. Сейчас этот показатель уже не так удивляет.
2011
— под руководством Университета Эксетера и университета Брюнеля и фирмы Delcam, исследователи создали первый 3D-принтер, печатающий шоколадом. На самом деле это опять FDM, сложность была только в разработке состава.
2011
— Инженерами Университета Саутгемптона создан первый самолёт, напечатанный на 3D -принтере. Сложность была скорее в проектировании модели таким образом, чтобы её можно было распечатать. Модель прекрасно летала.
2011
— Венский Технологический Университет представил самый маленький, лёгкий и дешёвый по себестоимости печати 3D -принтер. Работающий по аддитивной технологии фотополимеризации Миненкова Елена Ивановна
светочувствительной смолы, весом 1,5 килограмма и стоимостью около 1200 евро.
2012
— Компания 3D Systems выпустила на рынок персональный трехмерный принтер для домашнего использования 3D Cube.FDM.
2012
— в Венском Технологическом Университете создали трехмерный принтер, печатающий микроскопические объекты разрешением до 100 нм со скоростью 5 мм в секунду.
2013 –
год и вовсе стал очень плодотворным: • в Microsoft Windows 8.1 появилось приложение для 3D-печати, получившее название 3D Builder; правда, это скорее маркетинговый ход, «еще один довод» в пользу данной ОС, поскольку приложение годится разве что для первоначального знакомства с объемной печатью; • началось создание по 3D-технологиям индивидуальных протезов для имплантации взамен поврежденных костных тканей; • канадский инженер Рилан Грейсон (Rylan Grayson) разработал новую технологию, при которой светочувствительный резиноподобный материал затвердевает под воздействием лазера; ожидается, что коммерческая версия такого принтера Peachy Printer будет иметь цену около $100; причем этот принтер очень легко может быть превращен в 3D-сканер — вот вам и первое 3D-МФУ; • подготовлен к выпуску первый принтер для производства пиццы. Американский оружейник-энтузиаст Коди Уилсон разработал и напечатал на 3D -принтере однозарядный пистолет. Оружие выполнено из 16 Миненкова Елена Ивановна
деталей, металлической из которых является только одна ─ боек. Вскоре после этого оружейник выложил в интернет цифровую модель пистолета, получившего название The Liberator, вскоре после этого Государственный департамент США потребовал удалить инструкции с веб-сайта. 21 ноября 2013 года в Филадельфии (США) был принят закон, запрещающий изготовление огнестрельного оружия с помощью 3D -принтеров. В Великобритании нелегальны производство, продажа, приобретение и владение оружием, напечатанным на 3D -принтере.
2014
– Начался прорыв в области строительства зданий с использованием 3D -печати бетоном. В течение 2014 года, шанхайская компания WinSun анонсировала, сначала строительство десяти 3D -печатных домов, возведенных за 24 часа, а после напечатала пятиэтажный дом и особняк.
2015
– В Университете Южной Калифорнии прошли первые испытания гигантского 3D -принтера, который способен напечатать дом с общей площадью 250 кв. метров за сутки.
2015 –
Российские ученые сообщили о успешном опыте биопечати щитовидной железы. Уникальный эксперимент провели сотрудники Миненкова Елена Ивановна
Лаборатории биотехнологических исследований компании «3D Биопринтинг Солюшенс», работающие под руководством профессора Владимира Миронова. Железа была удачно пересажена мышке.
В октябре 2015 года
в рамках выставки «Станкостроение» (Крокус- Экспо) ЗАО «СПЕЦАВИА» были представлены российские разработки и промышленные образцы строительных 3D -принтеров.
2016
– Трехмерные технологии, крепко закрепившиеся в нашей жизни, не стоят на месте. Печать на 3D принтере стала практически массовым явлением и продолжает расширять сферы своего применения. 3D принтер настолько глубоко вошел в нашу жизнь, что используется сегодня практически во всех сферах жизнедеятельности человека, начиная с медицины и заканчивая ювелирными украшениями. NASA разрабатывает принтер, который будет производить любые детали для ремонта прямо на МКС. Так же для космонавтов станет реальностью, возможность печатать себе вкусную пищу. Миненкова Елена Ивановна
Миненкова Елена Ивановна
приемлем проблемный метод обучения. Если к этим условиям добавляется ещё способность и желание учителя беседовать с детьми, то очень хорош на уроке будет частично-поисковый метод (эвристическая беседа), или даже исследовательский, но он требует больше времени, чем какой-либо другой метод. Сравнительно универсальным является репродуктивный метод обучения, т.к. он подходит для всех категорий учащихся, при изучении учебного материала любой сложности, но при достатке времени. Чаще всего в информатике применяется комбинированный метод , который как-бы объединяет в себе объяснительно-иллюстративный и репродуктивный методы. Этот метод достаточно универсальный, у него единственный недостаток: ученики должны быть примерно одинаково подготовлены, с одинаковой скоростью работы за компьютером, что в школах встречается достаточно редко. Для практических занятий очень хорошо подойдет проблемно-поисковый метод, метод Кейса. [4] Вообще при выборе методов обучения полезно избирать их не только к отдельному уроку, а ко всей системе уроков по изучаемой теме. Например, на изучение темы «трёхмерная графика, моделирование и 3D-редакторы» во время образовательного эксперимента в пятом классе мы потратили 1,5 часа (3 урока по 30 минут). Во время изучения пользовались 4 видами методов, комбинируя их по мере углубления в тему. Календарное планирование по данной теме может выглядеть так: Вводная часть. Что такое трёхмерная графика, моделирование и 3D- редакторы (приложение №1). Урок №1. 3D-моделирование и визуализация. Урок № 2. Краткая история 3D-принтеров. Урок № 3. Сферы применения трёхмерной печати. Таблица выбора системы методов обучения при изучении целой темы такая: Миненкова Елена Ивановна
Таблица № 1.1 Метод № урока 1 2 3 Объяснительно-иллюстративный � Комбинированный Проблемный Частично-поисковый Анализируя отметки по вертикали можно судить о том, какие методы сочетались на данном уроке. А данные по горизонтали показывают, насколько представленными оказались в системе уроков по этой теме определенные методы обучения. Были ли созданы условия для успешного решения всего многообразия задач соответствующей учебной темы учениками с разными типами памяти и внимания. При выборе методов обучения учителю необходимо учесть и целый ряд обстоятельств возрастного характера учеников. Ведь в средней группе классов, где изучается базовый курс информатики, обучаются учащиеся переходного возраста, поэтому методы обучения могут и должны быть максимально разнообразными, чтобы поддерживать высокую работоспособность учащихся в период, когда они испытывают повышенную утомляемость; удовлетворять их весьма разнообразные, меняющиеся интересы, готовить их к более интенсивным и трудоемким методам обучения в старших классах. [3] Наконец, учителю придется учесть место урока в течение рабочего дня. Если урок проводится в конце рабочего дня, то ученики, естественно утомлены и придется применить методы стимулирования, чтобы поддержать их должную работоспособность и активность. Также учителю важно определить на каком этапе урока и в каких видах необходимо применить методы контроля и самоконтроля, чтобы проверить степень усвоения материала, качество учебно-воспитательных задач [1]. Миненкова Елена Ивановна
Итак, можно сформулировать некоторые основные требования к моделированию к методам обучения. 1. 1.В начале необходимо обеспечить перспективный выбор системы методов изучения новой темы. 2. Исходя из того, какое место занимает данный урок в системе уроков по данной теме, определить ведущий метод изучения нового материала с учетом специфики задач урока и содержания учебного материала. 3. Сочетать его с разнообразием методов обучения в системе уроков, чтобы обеспечить активность учеников с разными типами памяти, внимания, мотивов, отношения к учебе. 4. Далее необходимо конкретизировать выбор методов с учетом возможностей учеников и учителя, прежде всего уровня учебной подготовленности и отношения к учению коллектива школьников. 5. 5.По мере роста реальных учебных возможностей учеников класса необходимо обогащать и углублять применение методов, требующих проявление большей самостоятельности и активности учеников. 6. 6.При выборе методов обучения отдавать предпочтение тем, которые в максимальной мере раскрывают сильные стороны индивидуальной педагогической техники самого учителя. 7. По ходу обучения вносить оперативные коррективы в выбор методов, чтобы учитывать происходящие изменения ситуации и обеспечивать постоянное сохранение резонанса методов и возможностей класса. [2] 8. Информатика как учебный предмет имеет ряд отличительных от других учебных предметов особенности. 9. В информатике большой объем занимают относительно независимые виды деятельности учащегося и учителя при сокращении объема их совместной деятельности. Компьютер как посредник между учителем и учеником также увеличивает объем независимой самостоятельной деятельности. Миненкова Елена Ивановна
В информатике также более отчетливо видна функция управления и самоуправления познанием. Задача учителя – создать учебную ситуацию управлять деятельностью учащегося в ней [1]. Рассмотрим несколько примеров уроков с использованием различных методов обучения. Методы обучения: объяснительно-иллюстративный. При объяснении новой темы учитель должен обратить внимание на первичность, фундаментальность понятия модели и информации. Учитель сообщает, что понимается под информацией на житейском уровне (любые сведения об окружающем нас мире), приводя конкретные примеры. Следует предложить детям привести свои примеры информации и моделирования. Выделив несколько примеров, приведенных учащимися, можно спросить: что у них общего? (Это примеры информации). А чем они отличаются? После обсуждения надо подвести ребят к выводу: информация в примерах представлена в разных формах. Метод обучения: проблемный. При изучении практической темы перед учащимися можно поставить проблемную ситуацию: Без какого устройства не обойтись, если нужно скопировать снимки с фотоаппарата, а шнура к нему нет? 1. Микрофон. 2. Специальный маленький молоточек и напильник. 3. Клавиатура. 4. Кардридер. 5. Веб-камера. В ходе решения данной задачи у учащихся вырабатывается системный подход к разработке, умению видеть проблемы, решаемые задачей; умение перейти от проблемной ситуации к выбору результата ответа с последующей алгоритмизацией, умение проанализировать полученные результаты с точки зрения решения обозначенных проблем и выводит учащихся к цели, Миненкова Елена Ивановна
поставленной учителем перед изучением темы, формируя навыки работы с компьютером.[3] Таким образом, у учителей информатики имеется богатый выбор методов обучения, применение которых может содействовать успешному овладению компьютерной грамотности. Вместе с тем школьная практика показывает, что формальное применение методов не дает желаемых результатов. Оптимальность того или иного метода объясняется не его названием, не его «модностью», а его соответствием задачам и содержанию урока, возможностям учеников и учителя. Чтобы стать учителем информатики надо овладеть теорией предмета, знать педагогику, психологию и методику обучения информатике. Без знания теории, классических основ методики невозможно творчество, которое требует постоянного самообразования, осведомленности учителя об основных направлениях развития методики обучения предмету, о передовой педагогической практике, новаторских формах и методах обучения и воспитания.[4] СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ: 1. Добринский, Е. С. Быстрое прототипирование: идеи, технологии, изделия [Текст]/ Е. С. Добринский // Полимерные материалы. – 2011. – №9. – 148 с. 2. Зеньковский, В.А. 3D моделирование на базе Vue xStream: Учебное пособие / В.А. Зеньковский. + DVD. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 384 c. 3. Иванова Е. О. Теория обучения в информационном обществе[Текст] / Е. О. Иванова, И. М. Осмоловская.– М.: Просвещение, 2011. – 190 с. Миненкова Елена Ивановна
4. Исаев, Г.Н. Моделирование информационных ресурсов: теория и решение задач: Учебное пособие / Г.Н. Исаев. - М.: Альфа-М, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 224 c. 5. Петраков, Ю.В. Моделирование процессов резания: Учебное пособие / Ю.В. Петраков, О.И. Драчев. - Ст. Оскол: ТНТ, 2011. - 240 c. Миненкова Елена Ивановна
Приложение № 1.
3D МОДЕЛИРОВАНИЕ И 3D ПЕЧАТЬ
Содержание: ВВОДНАЯ ЧАСТЬ. ЧТО ТАКОЕ ТРЕХМЕРНАЯ ГРАФИКА, МОДЕЛИРОВАНИЕ И 3D-РЕДАКТОРЫ. УРОК №1. 3D МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ УРОК № 2. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ 3D ПРИНТЕРОВ УРОК № 3. СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ
(Вводная часть) ЧТО ТАКОЕ ТРЕХМЕРНАЯ ГРАФИКА,
МОДЕЛИРОВАНИЕ И 3D-РЕДАКТОРЫ?
Трехмерная графика
- вид компьютерной графики, представляющий собой объемную модель какого-либо объекта. Мы живем в трехмерном пространстве, возможно именно поэтому понадобилось изобретение 3D- графики. Для создания трехмерной модели требуются специальные программные и аппаратные средства. К программным принадлежат приложения 3D-визуализации, о которых пойдет речь ниже. К аппаратным относят то, с помощью чего создается и отображается модель (компьютер, 3D-мониторы, 3D-принтеры), о них мы поговорим позднее.
Процесс создания трехмерной модели включает три этапа:
Моделирование. Визуализация. Миненкова Елена Ивановна
Вывод модели (печать либо на монитор).
Моделирование
- создание модели из ничего, проектирование с помощью программных средств, задание соответствующих размеров, текстур, освещения. Создается, так сказать, каркас объектов, описывается математическими формулами. Следующим этапом является
рендеринг
(англ. render -
визуализация
) - преобразование сырого каркаса в приятную для глаза форму, закругление углов, отображение света, отображение текстур. Осуществляется с помощью программных средств.
Вывод на печать, либо на экран монитора полученной визуальной
модели - последний этап.
Передовые технологии не стоят на месте, ученые изобретают новинки техники, к ним и относятся 3D-мониторы и 3D- принтеры.
3D-экран
- экран, который создает иллюзию объемного изображения. Для некоторых видов таких мониторов требуется дополнительное оборудование, такое как стерео-шлемы, стерео-очки. Но некоторые типы самостоятельно формируют стереоскопическое изображение.
3D-принтер
- принтеры для создания объемных объектов на бумаге, либо другом запечатывающемся материале. Различают две технологии создания таких изображений - лазерная я и струйная. также для некоторых технологий требуются очки для возможности созерцать объем.
Теперь немного о программном обеспечении
. Autodesk 3Ds Max - передовая программа для создания 3D моделей. Ее используют в архитектурном моделировании, в дизайне интерьера, в кинематографе, мультипликации. 3D Studio MAX предусматривает создание анимационных 3D-сцен. Autodesk Maya - 3D-графический редактор. Большинство моделей и спецэффектов в кинематографе созданы благодаря этому приложению. Также ей отдают предпочтение мастера компьютерных игр. Миненкова Елена Ивановна
Существует множество других программ для 3D-моделирования. Их роль также значительна в мире визуализации. Некоторые из них: AutoCAD, 3D Architech, Blender 3D, Компас-3D, 123D, SolidWork, ProEngineering, и другие.
УРОК № 1. 3D МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
Теперь поговорим подробнее о 3D моделировании и визуализации, а также для чего они необходимы. Например, при производстве продуктов или их упаковки, а также при создании прототипов изделий и создании объемной анимации.
3D-моделирование и визуализация требуются, когда:
Нужна оценка физических и технических особенностей изделия еще до его создания в оригинальном размере, материале и комплектации; Необходимо создать 3D-модель будущего интерьера; 3D-модели - неотъемлемая составляющая качественных презентаций и технической документации; Нужна основа для создания прототипа изделия; Если речь идет о продукте, можно выпустить его пробную серию и наладить дальнейшее производство, мелкосерийное или же промышленных масштабов. Миненкова Елена Ивановна
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЙ «3D МОДЕЛИРОВАНИЕ» И
«ВИЗУАЛИЗАЦИЯ»
Трехмерная графика
или
3D моделирование
– компьютерная графика, сочетающая в себе приемы и инструменты, необходимые для создания объемных объектов в трехмерном пространстве.
Под приемами стоит понимать способы формирования
трехмерного графического объекта
– расчет его параметров, черчение «скелета» или объемной не детализированной формы; выдавливание, наращивание и вырезание деталей и т.д.
А под инструментами - профессиональные программы для 3D-
моделирования
. В первую очередь – AutoCAD, 3D Architech, Blender 3D, Компас-3D, 123D, SolidWork, ProEngineering, а также некоторые другие программы для объемной визуализации предметов и пространства.
Объемный рендеринг
– это создание двухмерного растрового изображения на основе построенной 3D-модели. По своей сути, это максимально реалистичное изображение объемного графического объекта.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ
Реклама и маркетинг
Трехмерная графика незаменима для презентации будущего изделия. Для того, чтобы приступить к производству необходимо нарисовать, а затем создать 3D-модель объекта. А, уже на основе 3D-модели, с помощью Миненкова Елена Ивановна
технологий быстрого прототипирования (3D печать, фрезеровка, литье силиконовых форм и т.д.), создается реалистичный прототип (образец) будущего изделия. После рендеринга (3D-визуализации), полученное изображение можно использовать при разработке дизайна упаковки или при создании наружной рекламы, POS-материалов и дизайна выставочных стендов.
Городское планирование
С помощью трехмерной графики достигается максимально реалистичное моделирование городской архитектуры и ландшафтов – с минимальными затратами. Визуализация архитектуры зданий и ландшафтного оформления дает возможность инвесторам и архитекторам ощутить эффект присутствия в спроектированном пространстве. Что позволяет объективно оценить достоинства проекта и устранить недостатки.
Промышленность
Современное производство невозможно представить без моделирования продукции. С появлением 3D-теxнологий производители получили возможность значительной экономии материалов и уменьшения Миненкова Елена Ивановна
финансовых затрат на инженерное проектирование. С помощью 3D- моделирования дизайнеры-графики создают трехмерные изображения деталей и объектов, которые в дальнейшем можно использовать для создания пресс-форм и прототипов объекта.
3D моделирование в литейном производстве
В литейном производстве 3D моделирование постепенно становится незаменимой технологической составляющей процесса создания изделия. Если речь идет о литье в металлические пресс формы, то 3D-модели таких пресс-форм создаются с помощью технологий 3D-моделирования, а также 3D прототипирования. Но не меньшую популярность сегодня набирает литье в силиконовые формы. В данном случае - 3D моделирование и визуализация помогут вам создать прототип объекта, на основе которого будет сделана форма из силикона либо другого материала (дерево, полиуретан, алюминий и т.д.).
Компьютерные игры
Технология 3D при создании компьютерных игр используется уже более десяти лет. В профессиональных программах опытные специалисты вручную прорисовывают трехмерные ландшафты, модели героев, анимируют созданные 3D-объекты и персонажи, а также создают концепт-арты (концепт- дизайны). Миненкова Елена Ивановна
Кинематограф
Вся современная киноиндустрия ориентируется на кино в формате 3D. Для подобных съемок используются специальные камеры, способные снимать в 3D-формате. Кроме того, с помощью трехмерной графики для киноиндустрии создаются отдельные объекты и полноценные ландшафты.
Архитектура и дизайн интерьеров
Технология 3D-моделирования в архитектуре давно зарекомендовала себе с наилучшей стороны. Сегодня создание трехмерной модели здания является незаменимым атрибутом проектирования. На основании 3D модели можно создать прототип здания. Причем, как прототип, повторяющий лишь общие очертания здания, так и детализированную сборную модель будущего строения. Что же касается дизайна интерьеров, то, с помощью технологии 3D- моделирования, можно увидеть, как будет выглядеть дом или кватрира после проведения ремонта. Миненкова Елена Ивановна
Анимация
С помощью 3D-графики можно создать анимированного персонажа, «заставить» его двигаться, а также, путем проектирования сложных анимационных сцен, создать полноценный анимированный видеоролик.
ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ 3D-МОДЕЛИ
Разработка 3D модели осуществляется в несколько этапов
: 1.
Моделирование или создание геометрии модели.
Речь идет о создании трехмерной геометрической модели, без учета физических свойств объекта. В качестве приемов используется: Выдавливание; Модификаторы; Полигональное моделирование; Вращение. Миненкова Елена Ивановна
2.
Текстурирование объекта.
Уровень реалистичности будущей модели напрямую зависит от выбора материалов при создании текстур. Профессиональные программы для работы с трехмерной графикой практически не ограничены в возможностях для создания реалистичной картинки. 3.
Выставление света и точки наблюдения.
Один из самых сложных этапов при создании 3D-модели. Ведь именно от выбора тона света, уровня яркости, резкости и глубины теней напрямую зависит реалистичное восприятие изображения. Кроме того, необходимо выбрать точку наблюдения за объектом. Это может быть вид с высоты птичьего полета или масштабирование пространства с достижением эффекта присутствия в нем - путем выбора вида на объект с высоты человеческого роста. Миненкова Елена Ивановна
4.
3D визуализация или рендеринг
Завершающий этап 3D-моделирования. Он заключается в детализации настроек отображения 3D модели. То есть добавление графических спецэффектов, таких, как блики, туман, сияние и т.д. В случае видео- рендеринга, определяются точные параметры 3D анимации персонажей, деталей, ландшафтов и т.п. (время цветовых перепадов, свечения и др.). На этом же этапе детализируются настройки визуализации: подбирается нужное количество кадров в секунду и расширение итогового видео (например, DivX, AVI, Cinepak, Indeo, MPEG-1, MPEG-4, MPEG-2, WMV и т.п.). В случае необходимости получить двухмерное растровое изображение, определяется формат и разрешение изображения, в основном - JPEG, TIFF или RAW.
__________________________________________________________________
Растровое изображение – это способ представления цифрового
изображения в виде массива битов или сетки пикселей.
Растровое изображение существует различных форматов, наиболее известные из них *.gif, *.jpg и *.bmp. Из последовательности битов растрового изображения формируется сетка цветных пикселей, которые создают изображение на экране монитора. Каждому пикселю, формирующему изображение, назначается определенный цвет. Система растровых изображений использует RGB матрицу, т.е. три цвета, красный, зеленый и синий. Например, черный цвет записывается в виде RGB 0,0,0, где для каждого цвета доступно 256 значений, позволяющие создать широкий диапазон насыщенности цвета. Когда изображение рассматривается пользователем, все пиксели визуально сглаживаются и видна нормальная картинка. В зависимости от разрешения, некоторые растровые изображения могут быть увеличены до очень больших размеров, в то время как другие становятся сразу трудно рассматриваемыми. Чем меньше разрешение, тем меньше размер файла изображения и тут нужно найти баланс для получения качественной картинки. Миненкова Елена Ивановна
_____________ _____________________________________________________ 5.
Постпродакшн.
Обработка отснятых изображений и видео с помощью медиа- редакторов - Adobe Photoshop, Adobe Premier Pro (или Final Cut Pro/ Sony Vegas), GarageBand, Imovie, Adobe After Effects Pro, Adobe Illustrator, Samplitude, SoundForge, Wavelab и др. Постпродакшн заключается в придании медиа-файлам оригинальных визуальных эффектов, цель которых - взбудоражить сознание, впечатлить, вызвать интерес и запомниться на долго!
МЕТОДЫ 3D ВИЗУАЛИЗАЦИИ (РЕНДЕРИНГ)
1.
Растеризация
Один из самых простых методов рендеринга. При его использовании не учитываются дополнительные визуальные эффекты (например, цвет и тень объекта относительно точки наблюдения). __________________________________________________________________
Растеризация — это перевод изображения, описанного векторным
форматом в пиксели или точки, для вывода на дисплей или принтер.
Процесс, обратный векторизации. Миненкова Елена Ивановна
Растеризация, или метод сканирования строк (англ. scanline rendering) - одна из групп методов рендеринга. Визуализация производится проецированием объектов сцены на экран без рассмотрения эффекта перспективы относительно наблюдателя. __________________________________________________________________ 2.
Рейкастинг
3D-модель осматривается с определенной, заранее заданной точки - с высоты человеческого роста, высоты птичьего полета и т.д. Из точки наблюдения направляются лучи, которые определяют светотени объекта, когда происходит его рассмотрение в привычном формате 2D. __________________________________________________________________
Ray casting, рейкастинг, Метод «бросания лучей» (англ. ray casting — рус.
бросание лучей) — один из методов рендеринга в компьютерной
графике, при котором сцена строится на основе замеров пересечения
лучей с визуализируемой поверхностью.
В основе рейкастинга стоит идея испускать лучи из «глаз» наблюдателя, один луч на пиксель, и находить самый близкий объект, который блокирует путь распространения этого луча. Используя свойства материала и эффект света в сцене, алгоритм рейкастинга может определить затенение данного объекта. 3.
Трассировка лучей
Данный метод рендеринга подразумевает то, что, при попадании на поверхность, луч разделяется на три компонента: отраженный, теневой и преломленный. Собственно, это и формирует цвет пиксела. Помимо этого, от количества разделений напрямую зависит реалистичность изображения. __________________________________________________________________
Трассировка лучей
(англ. Ray tracing; рейтрейсинг) — один из методов геометрической оптики — исследование оптических систем путём отслеживания взаимодействия отдельных лучей с поверхностями. В узком смысле —
технология построения изображения трёхмерных моделей в
Миненкова Елена Ивановна
компьютерных программах, при которых отслеживается обратная
траектория распространения луча (от экрана к источнику).
__________________________________________________________________ 4.
Трассировка пути
Один из самых сложных методов 3D-визуализации. При использовании данного метода 3D-рендеринга распространение световых лучей максимально приближено к физическим законам распространения света. Именно это и обеспечивает высокую реалистичность конечного изображения. Стоит отметить, что данный метод отличается ресурсоемкостью. __________________________________________________________________
Трассировка пути (англ. path tracing) — методика рендеринга в
компьютерной графике, которая стремится симулировать физическое
поведения света настолько близко к реальному, насколько это возможно.
Трассировка пути является обобщением традиционной трассировки лучей (англ. ray tracing), алгоритм которой трассирует лучи в направлении от виртуальной камеры сквозь пространство; луч «отскакивает» от предметов до тех пор, пока полностью не поглотится или рассеется. Качество изображений, получаемых при помощи метода трассировки пути, как правило, лучше, чем качество изображений, полученных другими методами рендеринга, однако трассировка пути требует гораздо больших затрат производительности. __________________________________________________________________
УРОК № 2. СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ
3D -печать
– это процесс послойного изготовления (наращивания) объекта на основе его отстроенной трехмерной модели из следующих материалов – пластик, фотополимер, гипс, металл, бумага и другие. Доступность печати на 3D принтере дает возможность осуществлять эксперименты в строительной и архитектурной области, в мелкосерийном производстве, образовании, медицине, полиграфии, рекламе и ювелирном мастерстве. Миненкова Елена Ивановна
Можно выделить такие основные сферы применения 3D печати:
1.
Архитектура и строительство
. При помощи 3D принтера создаются архитектурные макеты зданий практически любого уровня сложности. Такие макеты наглядно демонстрируют объект архитектуры и максимально выгодно презентуют его заказчику. Готовые модели домов и сооружений пользуются не малой популярностью еще и в связи со своей низкой себестоимостью. 2.
Медицина
. Печать на 3D принтере продвинуло современную медицину на шаг вперед и позволяет спасать человеческие жизни. При помощи 3D принтера печатают зубные коронки, протезы, искусственную почку, суставы, клетки кожи, органы и ткани человека.
3.Образование
. Трехмерная печать учебных макетов и наглядных пособий для классных комнат.
4.Мелкосерийное производство
. Создание прототипа для нового изделия, производство которого планируется запустить, с целью презентации его заказчику и окончательного утверждения формы. Изготовление деталей механизмов – воссоздание утерянных или поломанных деталей. Печать Миненкова Елена Ивановна
прототипа, при помощи которого создается силиконовая форма для литья небольших партий продукции. 5.
Кино
. Трехмерные объекты, напечатанные индустрии кино гораздо реалистичнее и экономичнее, чем компьютерная графика и настоящий декор – антикварные изделия, драгоценности, автомобили, элементы оформления интерьера и т.д. 6.
Производство одежды и обуви
. Сегодня на 3D принтере изготавливаются новые модели одежды для высокой моды – платья, шубы, рубашки. Кроме того, трехмерная печать позволяет изготовить совершенно необычные модели обуви из полиуретана, пластика и резины. 7.
Дизайн упаковки
. Изготовить пробный макет упаковки и бутылки сегодня можно и на 3D -принтере. Такие макеты могут быть цветными и сохранять все элементы дизайна – штрих-код, этикетку, торговый знак и др. Миненкова Елена Ивановна
8.
Ювелирные изделия
. При создании ювелирных украшений самый трудоемкий процесс – изготовление воскового прототипа, сегодня восковую модель будущего ювелирного изделия можно вырастить при помощи 3D печати. 9.
3D -модель известного персонажа
. 10.
Элементы декора и бижутерия
. 11.
Изготовление сувениров, игрушек и аксессуаров
. Миненкова Елена Ивановна
Что можно печатать на 3D принтере?
Печать на 3D принтере
– революционная технология, ставшая неотъемлемой частью сферы науки и техники. Кроме уже перечисленных областей применения, 3D принтер используется в самых неожиданных отраслях. Представляем вашему вниманию шедевры современной 3D -печати.
Сладости
Печатать сладости на 3D принтере можно в любых количествах, в белом или цветном варианте, а также можно придавать им различные вкусы – мята, ваниль, фруктовые ароматы.
Мебель
Дизайнерская компания Emerging Objects выпустила футуристическую мебель, напечатанную на основе трехмерных технологий - скамья из смеси цемента и светильник из природной соли.
Музыкальные инструменты
Миненкова Елена Ивановна
В Новой Зеландии была выпущена линейка так называемых ODD- гитар. Кроме того, уже создана «искусственная» скрипка и настоящая акустическая гитара.
Зеркальный фотоаппарат
Лео Мариус разработал технологию производства зеркального фотоаппарата, теперь можно скачать файлы и распечатать свой собственный фотоаппарат на 3D -принтере.
Автомобиль
Автомобиль Urbee 2 состоит из 50 деталей, каждая из которых распечатана на 3D принтере.
Оружие
Коди Уилсон произвел на свет благодаря 3D -печати настоящие 3D -оружие – пистолет «Освободитель». Миненкова Елена Ивановна
Теперь у вас не должно возникать вопроса: «
Что можно печатать на
3D принтере?
». Возможности 3D-печати практически не имеют границ. Именно поэтому услуги 3D печати востребованы и пользуются массовым спросом. Кроме того, современные технологии печати на 3D принтере доступны практически каждому.
УРОК № 3. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ 3D ПРИНТЕРОВ
Сейчас трёхмерная печать быстро набирает популярность и многим кажется, что она зародилась совсем недавно. На самом же деле недавно зародилось разве что название «3D принтер». Ранее данные устройства назывались машинами 3D прототипирования. И технология старше многих из её нынешних почитателей. Вот краткая история развития 3D печати:
1984:
Американец Чарльз Халл разработал технологию «стереолитографии» (SLA) для печати 3D-объектов по данным цифровых моделей из фотополимеризующихся композитных материалов (ФПК). Миненкова Елена Ивановна
1985
— Михаило Фейген предложил послойно формировать объемные модели из листового материала: пленок, полиэстера, композитов, пластика, бумаги и т.д., скрепляя между собой слои при помощи разогретого валика. Такая технология получила название «производство объектов ламинированием» (LOM). По сути, листы приклеиваются друг к другу, а лазер вырезает контур.
1986
— получение патента на технологию «стереолитографии» (SLA). Разработанную в 1984 году. В этом же году Чарльз Халл основал компанию 3D Systems и разработал первый коммерческий прибор трехмерной печати. Который незатейливо назвали - «установка для стереолитографии».
1986
— доктора Карл Декарт и Джо Биман в Университете штата Техас в Остине разработали и запатентовали метод селективного лазерного спекания (SLS).
1987
— израильской компанией Cubital была разработана Технология послойного уплотнения (SGC). Миненкова Елена Ивановна
1988
— 3D Systems разработала модель SLA-250, которая была запущена в серийное производство для широкого круга пользователей.
1988
— Скотт Крамп изобрел FDM (моделирование путём декомпозиции плавящегося материала). Наиболее распространённая ныне технология. Она и используется в большинстве «домашних» 3D принтеров.
1989
— Скотт Крамп основал комапнию Stratasys.
1991
— Stratasys выпустила первый 3D -принтер серии Dimension с экструдирующей печатающей головкой (FDM).
1991
— Helisys продала свою первую машину на основе объектного ламинирования (laminated object manufacturing (LOM)) Миненкова Елена Ивановна
1992
— Компания Stratasys продала свою первую машину на основе технологии FDM - «3D Modeler».
1992
— Фирма DTM продала свою первую систему селективного лазерного обжига (SLS)
1993
— Была создана компания Solidscape. Ныне один из ведущих производителей.
1995
— в Массачусетском технологическом институте был придуман термин "3D -печать".
1995
— Компания Z Corporation получила эксклюзивную лицензию от MIT использовать технологию 3D P (Печать склеиваемым порошком).
1996
— Stratasys представила «Genisys».
1996
— Компания Z Corporation представила Z402.
1996
— 3D Systems представила Actua 2100. К данному устройству быстрого прототипирования было впервые применено название «3D -принтер». Миненкова Елена Ивановна
1997
— компания EOS была продана конкуренту по стереолитографии 3D Systems. И они стали монополистами.
2005
— Компания Z Corporation выпустила Spectrum Z510. Это был первый на рынке 3D -принтер с высоким качеством цветной печати (3D P).
2006
— Открыт проект Reprap при использовании лицензии GNU General Public Licence.
2008
— Выпущена первая версия Reprap, «принтера который может производить сам себя». На тот момент он мог изготавливать около 50% необходимых деталей. Миненкова Елена Ивановна
2008
— Objet Geometries Ltd, разработала принтер Connex500, печатающий несколькими различными материалами сразу (3D P). Сейчас количество материалов перевалило за 100.
2010
— Urbee: первый автомобиль, созданный при помощи гигантских 3D -принтеров Dimension 3D Printers и Fortus 3D Production Systems.
2010
— медицинская компания Organovo. Inc объявила о создании технологии, печати искусственных кровеносных сосудов.
2010
– группа ученых Fluid Interfaces Group из Массачусетского Технологического Института представила первый 3D принтер для создания продуктов - «Cornucopia». Среди пищевых 3D-принтеров наибольшей популярностью пользуются установки, печатающие шоколадом.
2011
— голландский производитель 3D принтеров Ultimaker развил скорость трехмерной печати до 350 мм в секунду. Действительно неплохо, Миненкова Елена Ивановна
хоть и точность пострадала от скорости. Сейчас этот показатель уже не так удивляет.
2011
— под руководством Университета Эксетера и университета Брюнеля и фирмы Delcam, исследователи создали первый 3D-принтер, печатающий шоколадом. На самом деле это опять FDM, сложность была только в разработке состава.
2011
— Инженерами Университета Саутгемптона создан первый самолёт, напечатанный на 3D -принтере. Сложность была скорее в проектировании модели таким образом, чтобы её можно было распечатать. Модель прекрасно летала.
2011
— Венский Технологический Университет представил самый маленький, лёгкий и дешёвый по себестоимости печати 3D -принтер. Работающий по аддитивной технологии фотополимеризации Миненкова Елена Ивановна
светочувствительной смолы, весом 1,5 килограмма и стоимостью около 1200 евро.
2012
— Компания 3D Systems выпустила на рынок персональный трехмерный принтер для домашнего использования 3D Cube.FDM.
2012
— в Венском Технологическом Университете создали трехмерный принтер, печатающий микроскопические объекты разрешением до 100 нм со скоростью 5 мм в секунду.
2013 –
год и вовсе стал очень плодотворным: • в Microsoft Windows 8.1 появилось приложение для 3D-печати, получившее название 3D Builder; правда, это скорее маркетинговый ход, «еще один довод» в пользу данной ОС, поскольку приложение годится разве что для первоначального знакомства с объемной печатью; • началось создание по 3D-технологиям индивидуальных протезов для имплантации взамен поврежденных костных тканей; • канадский инженер Рилан Грейсон (Rylan Grayson) разработал новую технологию, при которой светочувствительный резиноподобный материал затвердевает под воздействием лазера; ожидается, что коммерческая версия такого принтера Peachy Printer будет иметь цену около $100; причем этот принтер очень легко может быть превращен в 3D-сканер — вот вам и первое 3D-МФУ; • подготовлен к выпуску первый принтер для производства пиццы. Американский оружейник-энтузиаст Коди Уилсон разработал и напечатал на 3D -принтере однозарядный пистолет. Оружие выполнено из 16 Миненкова Елена Ивановна
деталей, металлической из которых является только одна ─ боек. Вскоре после этого оружейник выложил в интернет цифровую модель пистолета, получившего название The Liberator, вскоре после этого Государственный департамент США потребовал удалить инструкции с веб-сайта. 21 ноября 2013 года в Филадельфии (США) был принят закон, запрещающий изготовление огнестрельного оружия с помощью 3D -принтеров. В Великобритании нелегальны производство, продажа, приобретение и владение оружием, напечатанным на 3D -принтере.
2014
– Начался прорыв в области строительства зданий с использованием 3D -печати бетоном. В течение 2014 года, шанхайская компания WinSun анонсировала, сначала строительство десяти 3D -печатных домов, возведенных за 24 часа, а после напечатала пятиэтажный дом и особняк.
2015
– В Университете Южной Калифорнии прошли первые испытания гигантского 3D -принтера, который способен напечатать дом с общей площадью 250 кв. метров за сутки.
2015 –
Российские ученые сообщили о успешном опыте биопечати щитовидной железы. Уникальный эксперимент провели сотрудники Миненкова Елена Ивановна
Лаборатории биотехнологических исследований компании «3D Биопринтинг Солюшенс», работающие под руководством профессора Владимира Миронова. Железа была удачно пересажена мышке.
В октябре 2015 года
в рамках выставки «Станкостроение» (Крокус- Экспо) ЗАО «СПЕЦАВИА» были представлены российские разработки и промышленные образцы строительных 3D -принтеров.
2016
– Трехмерные технологии, крепко закрепившиеся в нашей жизни, не стоят на месте. Печать на 3D принтере стала практически массовым явлением и продолжает расширять сферы своего применения. 3D принтер настолько глубоко вошел в нашу жизнь, что используется сегодня практически во всех сферах жизнедеятельности человека, начиная с медицины и заканчивая ювелирными украшениями. NASA разрабатывает принтер, который будет производить любые детали для ремонта прямо на МКС. Так же для космонавтов станет реальностью, возможность печатать себе вкусную пищу. Миненкова Елена Ивановна
Миненкова Елена Ивановна
В раздел дополнительное образование