DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 疲劳分析基础 Ansys Workbench Fatigue疲劳计算以ASME锅炉和压力容器规范(ASME Boiler and Pressure Vessel Code)作为计算的依据，采用简化了的弹塑性假设和Miner累积疲劳准则。目前，对结构的疲劳寿命分析的方法主要有名义应力(S-N)寿命法(也即全寿命法)、局部应变(E-N)寿命法(也即裂纹萌生寿命法)、断裂力学(LEFM)法(也即裂纹扩展寿命法)。 2.1. 疲劳损伤法则 常用的疲劳损伤法则是Palmgren-Miner法则，也称疲劳损伤线性积累假说。假设结构的第i级应力水平下经过的循环数为 n i ，第i级应力水平下的达到破坏时的应力循环数为 N i ，那么不同应力幅的载荷 混合作用下，载荷循环对结构造成的损伤率为 ∑ n i N i 。假设S代表疲劳损伤累积损伤系数，即： S = ∑ n i N i (1) 当各应力的寿命损伤率之和大于等于1时，即S ≥ 1，疲劳破坏就会发生；当S < 1时，构件尚未开始破坏。 2.2. 低周疲劳寿命分析 一般地，在高应力或高应变条件下，应力循环周数在10，000以下的疲劳，称为低周疲劳。低周疲劳问题即在外载荷作用下模型发生了塑性变形。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，故也称作塑性疲劳或应变疲劳。在应变–寿命分析中，平均应力修正方法一般有两种：Morrow修正和SWT修正。Morrow修正是根据每一循环的平均应力来上下移动弹性寿命，而SWT修正是用一个包含每一循环的最大应力损伤参数，SWT修正比Morrow修正更大。相对于Morrow修正来说，SWT修正在受拉时趋于保守，在受压时趋于非保守，一般取较为保守的修正方法。
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user: 3. 组合结构波纹管参数化有限元模型的建立 3.1. 单个波片的几何参数 单个膜片的几何参数(见表1)及结构(见图1)；为方便研究，将圆锥壳与水平方向的夹角记为θ。 Table 1 Structural size parameters of the composite structure bellows diaphrag 参数 外径D/mm 内径d/mm 壁厚δ/mm 圆弧波长2R/mm 矢高f/mm 圆环板长a/mm 倾角 尺寸 56 42 0.14 3 0.25 2 θ 表1. 组合结构波纹管膜片结构尺寸参数 图1. 组合结构波纹管膜片结构示意图 3.2. 组合结构波纹管模型建立 本文借助三维设计软件Solidworks初步建立组合结构波纹管的三维模型(其截面图见图2)，再转换成IGS格式导入AWE平台进行分析。 图2. 组合结构波纹管三维实体模型截面图 3.3. 材料属性 由于奥氏体不锈钢具有稳定的奥氏体组织，属于耐蚀钢，有着较好的力学性能，便于进行机械加工、冲压和焊接；故把奥氏体不锈钢(俗称304不锈钢)作为材料。其材料属性见表2。 Table 2 Properties of bellows materia 密度ρ/(kg∙m −3 ) 泊松比μ 弹性模量E/GPa 抗拉强度σ b /MPa 屈服强度σ 0.2 /MPa 导热系数k/(W∙m −1 ∙K −1 ) 线膨胀系数λ/K −1 7800 0.3 196 520 205 16.3 1.72E−5 表2. 波纹管材料属性
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user: 4. 组合结构波纹管疲劳分析 考虑到波纹管是轴对称结构，其应力分布具有轴对称性。为了保证计算精度且提高计算速度，将三维模型转化为平面二维模型进行静力分析和疲劳寿命分析。根据网格密度无关性和网格精度定性判断指标对二维组合结构波纹管模型进行网格划分，共有53，682个节点，23，877个单元，其二维模型网格划分如图3所示。选用Morrow修正理论对其进行评估，疲劳修正因子 k f = 0.9 ，载荷类型设为Fully Reversed。 图3. 组合结构波纹管二维有限元模型(局部) 4.1. 304不锈钢的应变——寿命曲线 材料的应变——寿命曲线(E-N)一般是通过用大量低周疲劳试验得到的数值描绘出来的。通过查阅机械材料手册等相关资料，得到这种不锈钢的强度系数为1100 Mpa、延性系数为0.34、强度指数为−0.119、延性指数为−0.49。 4.2. 边界条件设定 根据实际工况，本文研究对象其工作状态是一端固定，一端自由。在干气密封实际工作过程中，旋转轴会通过止转螺钉带动连波纹管、动环在内的焊接组合件一并旋转。动环与静环之间会产生一个几微米大小的气膜；鉴于这种情况在仿真模拟中给游离一端施加6.5 mm的压缩位移载荷。考虑到波纹管内外会存在压力差∆P，施加在整个波纹管的外表面，∆P = 0.5 Mpa。其静力学边界条件如图4所示。 图4. 静力学边界条件 为研究膜片扁圆锥壳部分倾斜角θ的不同对波纹管疲劳寿命之间的关系，先分别对θ = 0˚、7.5˚、15˚、22.5˚、30˚的波纹管进行静力学分析，结果发现波纹管的最大应力都出现在了两个波片焊菇处附近，此处为裂纹的最始萌生点，与实际中焊接处易发生破坏的情况相同。 4.3. 结果分析 图5所示是倾角θ = 0˚、7.5˚、15˚、22.5˚、30˚的组合结构波纹管疲劳寿命图。可以看到，这5种不同倾角的组合结构波纹管它们的最小疲劳寿命分别为8452周次、6781周次、4892周次、4736周次和4323周次；且最小疲劳寿命发生的位置都与应力分析模块的最大应力处吻合，即波纹管的膜片焊接处附近。随着倾角的增大，组合结构波纹管的最小疲劳寿命呈逐渐降低的趋势。缘由是倾角的提高会降低波纹管的整体刚度，使得在相同载荷下应变增大应力水平上升，由此倾角大的比倾角小的更容易产生裂纹，降低了最小疲劳寿命。通过仿真分析可得出，增大这种组合结构波纹管的倾角会降低其整体刚度从而减少疲劳使用寿命。 图5. 不同倾角组合结构波纹管的疲劳寿命分布。(a) 倾角为0˚；(b) 倾角为7.5˚；(c) 倾角为15˚；(d) 倾角为22.5˚；(e) 倾角为30˚
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user: 5. 组合结构波纹管的热–结构耦合疲劳寿命分析 实际当中，机械密封系统中往往会存在温度影响。温度会使波纹管产生热膨胀，而热膨胀又会产生热应力。在组合结构波纹管的热–结构耦合分析的基础上，进行疲劳寿命分析。为研究不同温差对于不同倾角组合结构波纹管的疲劳性能，分别在上文的载荷边界条件的基础上，对倾角为0˚、7.5˚、15˚、22.5˚、30˚的波纹管外表面分别添加24℃、26℃、28℃、30℃、32℃、34℃、36℃、38℃、40℃的温度载荷，对其内表面添加22℃的温度载荷，从而形成了2℃、4℃、6℃、8℃、10℃、12℃、14℃、16℃、18℃的内外温差。见图6所示。 图6. 热–结构耦合疲劳分析载荷边界条件 不同倾角于不同外部温度条件下最小疲劳寿命对比分析 图7是倾角θ = 0˚、7.5˚、15˚、22.5˚、30˚的组合结构波纹管在不同外部温度下的最小疲劳寿命变化曲线。可以直观清晰看出，随着外部加载温度的上升，这5种组合结构波纹管的最小疲劳寿命在降低。0˚组合结构波纹管最小疲劳寿命随着外部温度加载的上升，下降得最为明显。从图中可以看出倾角越小，对温度的改变越敏感，相同温差下最小疲劳寿命减少得越多。 图7. 不同倾角不同外部温度加载下最小疲劳寿命分布对比
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user: 6. 结论与分析 1) 对组合结构波纹管的疲劳分析，得出这种组合结构波纹管塑性变形而产生裂纹萌生点在膜片的焊接处，与U型、V型最先出现裂纹萌生点的部位相似。疲劳寿命的薄弱处与静力分析的最大应力点相一致，因此应多关注应力分析最大应力处，因为它是结构中最容易发生疲劳断裂的地方。 2) 对不同倾角组合结构波纹管的疲劳寿命分析，发现组合结构波纹管的最小疲劳寿命随着倾角的增大而减少。经分析，倾角的增大会降低组合结构波纹管的整体刚度。 3) 在热–结构耦合分析中，对不同倾角组合结构波纹管施加不同的外部温度载荷，分别产生2℃、4℃、6℃、8℃、10℃、12℃、14℃、16℃、18℃的内外温差，进行疲劳寿命分析。将结果对比分析，发现这五种组合结构波纹管的最小疲劳寿命随着外部加载温度的上升而减少，且角度越小对温度越敏感，最小疲劳寿命值下降得越明显。
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user: 摘要 石油、天然气及煤炭资源依然是支持国民经济发展的能源支柱。3D地震勘探技术是寻找能源的主要手段，大学本科选修这门专业基础课程尤为重要，学懂并掌握地震勘探观测系统设计及工程布置图制作是地震勘探数据采集、处理和解释的基石，本文将教学与生产案例相结合，将复杂的3D地震勘探教学进行可视化处理，学起来轻松理解、易于掌握。
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user: 1. 引言 3D地震勘探课程是各个物探专业高校本科生计划课程的重要组成部分，3D地震勘探的内容广泛，主要包括野外数据采集、处理和解释三部分。一个科学而严谨的3D地震观测系统不仅能取得信噪比高、优势波明显的有效信息，而且可以提高施工效率、达到事半功倍的效果，所以说3D地震观测系统设计和工程布置图制作就成为本科教学的重点 [ 1 ] [ 2 ]。传统的教材或课件，多数是以图片的形式说明一个问题，有时很抽象，难以理解。本文将复杂的地震勘探教学进行可视化处理，使授课教师的教学轻松自如。
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user: 2. 3D地震观测系统设计架构 3D地震观测系统分为两大类：面积观测系统与线性观测系统，其中线性观测系统又分为三类，十种观测方式。这里以束状线性观测系统为例介绍其设计原理及制作过程。线性束状观测系统平面图，是纵向和横向两个方向观测系统设计的综合成果，下面介绍观测系统参数设计、纵向观测系统，并用图解横向观测系统的制作过程及两束线的关系和移动的方式。 1) 观测系统参数设计 观测系统参数一般是根据地质任务要求及勘探区目的层埋深来确定的(假设以煤炭3D勘探设计为主)。 目前，勘探任务都要求CDP网格为5米 纵 × 10米 横 ，叠加次数为6 纵 × 4 横 = 24次，设勘探目的层为500米，由此可以设计计算出以下采集参数： ① 线距的确定：CDP网格为5米 纵 × 10米 横 可知沿检波线方向反射点间隔CDP = 5米，则检波线上道距为2 × 5米 = 10米，线距为2~6倍，常用4 × 10米 = 40米；垂直检波线方向CDP = 10米，则指炮线间距为10米 × 2 = 20米。 ② 观测系统的确定：叠加次数为6 纵 × 4 横 = 24次，横向叠加次数4次(有几种类型符合要求)，本次选用采用8线8炮类型观测系统加以讲解；纵向叠加次数n = 6次，由炮间移动道数公式r = N/2n = N/2 × 6 = N/12和最大跑间距 ≈ 目的层埋深可知，N = 48道满足以上条件且r = 48/12 = 4道，即炮线上炮间距为r × 10 m = 40米。激发方式的选择一般是下倾激发。 2) 纵向观测系统 纵向观测系统与2D观测系统原理一样，都是依据地震勘探原理观测系统的基本算法。依据已知参数可知，一个排列48道、炮检距40米，假设纵向偏移距为0米，采用综合平面图法，即沿测线标出若干激发点和第一条排列的检波点。将检波点投影到过炮点的45度斜线上，然后标出最小偏移距和最大偏移距，过任一交点向下作垂线，垂线相交的炮线条数，就是该CDP点的叠加次数。由此可以计算出满6次的反射点距检波线起点为200米，以后每增加一排炮可以增加40米宽度的满6次覆盖的宽度，依次可以设计出一束线的长度 [ 3 ]。这部分内容大家比较熟悉这里不再累述。 3) 横向观测系统设计可视化案例 无论是纵向观测系统，还是横向观测系统，以及工程布置图的制作过程在授课时都是动态式的展布演示，下面仅就技术难点，即横向观测系统的实现过程可视化图予以介绍： ① 第一束线横向观测系统的制作，在测线起点位置沿垂直于测线方向画一条水平直线，首先，将一束中的检波线和炮线投影到水平线上做出标记，分别把检波线和炮线的投影点看作是观测系统中的检波点和炮点；其次，每激发一炮，过炮点向两侧画45度斜线，把检波点投影到45度斜线上，其交点用圈表示，画完一束线的8炮后，过任意交点作垂线，垂线上有几个交点就是几次叠加，通过画出横向观测系统，计算出横向满覆盖次数4次的宽度为95米(如图1所示)。 图1. 第一束线横向观测系统图 ② 第二束线横向观测系统的制作，观测系统设计要遵循勘探区反射面元内覆盖数均匀、炮检距是一个完整的三角形和方位角均匀分布的原则 [ 4 ]；在画第二束线时，通过实验发现只有线束之间需要重复4条检波线，炮线不重复的情况下才能满足横向覆盖次数均匀的要求，所以画出重复的4条检波线，依据第一束线制作步骤再画第二束线的横向观测系统，这样可以看到第一、二束线横向满4次覆盖的范围宽度达到250米，也就是说每增加一束线横向覆盖次数可增加155米，大大地增加覆盖次数的宽度(如图2所示)。 图2. 第一、二束线横向观测系统图 通过横向观测系统的制作，应该注意到纵向观测系统与横向观测系统制作过程中的差异，纵向观测系统综合平面图示法中计算覆盖次数时，是过交点作垂线，垂线交几条炮线就说明地下界面上的覆盖次数是几次，比如本设计中纵向最大覆盖次数是6次；而横向观测系统综合平面图示法中计算覆盖次数时，是过交点作垂线，垂线遇到几个交点圈就是说明地下界面上覆盖次数有几次，比如本设计中横向最大覆盖次数是4次。 4) 3D地震观测系统图 3D地震观测系统设计的目的是为寻找满24次覆盖次数的起始点位置，以便于计算并满足在勘探区域内达到地质任务要求满覆盖次数的面积，同时，也是计算勘探区外增加的不满覆盖次的区域与测线涉及到的施工区域的面积。 将纵向和横向观测系统同时完成就是三维地震勘探观测系统，纵向6次和横向4次形成的区域就达到了满24次覆盖(如图3所示)。 图3. 3D地震观测系统
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user: 3. 3D工程布置图设计制作 通过3D地震观测系统纵向和横向观测系统的设计学习，现根据以上参数对勘探面积为1 Km 2 正方形区域设计制作3D地震工程布置图并计算满24次覆盖次数、施工面积及其工作量(物理点即炮点数)。一般3D地震工程布置图的制作是在相对坐标系来完成，X轴方向为检波线走向，也是垂直构造或地层走向的方向，Y轴方向垂直检波线方向(正北向) [ 5 ]。下面介绍工程布置图的制作步骤及参数的计算。 ① 一束线的工作量，由3D地震观测系统可知，一束线是有8条检波线和8条炮线组成的，横向上一排8炮依次由小线号到大线号激发完成后才可在纵向上移动(滚动)到相距40米的下一排炮，8条检波线依次(滚动)移动8道(即40米)，再有纵向观测系统可知勘探边界开始完成6排炮才能达到6次覆盖，勘探区内1 km还需激发25排炮才能完成区域内满24次的覆盖次数，故一束线的炮点(物理点)为：8 (炮/排) × {6 + 25}(排) = 248炮。 ② 一平方公里的工作量，由3D地震观测系统可知，横向观测系统确定了横向满覆盖次数4次的宽度，第一束线横向满4次宽度为90米，一束线设计完成后，由横向观测系统可知线束向上滚动可以增加满覆盖次数4次的宽度160米，1Km的宽度需要完成7束线，由此可知横向1 Km控制的满4次的宽度为：90 (米/束) × 1 (束) + 160 (米/束) × 6 (束) = 1050 (米)；由此可知，7束线总计设计炮点(物理点)为：7 (束) × 248 (炮/束) = 1736 (炮)，也就是说采用8线8炮束状线性观测系统完成1 Km 2 3D地震勘探需要完成地震的工作量物理点为1736 (炮)。 3D地震勘探工程布置图的制作就是根据3D观测系统设计原理使纵向上达到6次和横向上达到4次就是实现了24次满覆盖次数观测的目的。学好3D地震观测系统设计就能轻松、快速做出3D地震勘探工程布置图来。 ③ 勘探面积及施工面积，本次设计勘探面积为正方形1 Km 2 区域，共设计7束线，横向满4次覆盖次数宽度为：1050米；纵向满6次覆盖次数长度为：1035米；那么实际设计的满24次满覆盖次数的面积为：1.050 (Km) × 1.035 (Km) = 1.087 (Km 2 )，达到并超过勘探面积。设计时要想勘探区达到满24次覆盖次数，勘探区外增加了附加测线段，每竖线的测线长度为：{6 + 25}排 × 40(米/排) + {48 − 1} × 10 (米) = 1670 (米)；横向上测线宽度为：280 (米) + 6 (束) × 160 (米/每束增加) = 1240 (米)；则施工面积为：1.67 (Km) × 1.24 (Km) = 2.07 (Km 2 )。由此可见，实际设计的满覆盖次数的面积大于勘探面积，施工面积是勘探面积的两倍。
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user: 4. 结语 本文通过过程讲解及图片展示课程实践教学可视化，结合实例介绍了3D地震观测系统和工程布置图设计制作程序、工程量、勘探面积及施工面积的计算方法，化抽象为具体，使学生更容易理解掌握。 总之，可视化教学使学生不仅能够轻松理解抽象的知识，对培养学生的动手能力和创新能力也有着重要意义。
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user: 摘要 托福口语是中国考生的短板。在由ETS (Educational Testing Service)发布的2019年托福网考测试和成绩数据汇总中，中国考生的口语平均成绩为20分。造成该成绩的主要原因是很多考生不了解托福口语的评分标准，以及缺乏方法论。本文针对这些问题，结合托福官方指南，过往文献以及笔者的范例答案，从答题结构，衔接，以及展开方法三个方面进行分析。避免考生在备考中走弯路。
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user: 1. 引言 根据教育部发布的2019年度出国留学人员情况统计，2019年，我国出国留学人员总数已达到70.35万人 [ 1 ]。而托福(TOEFL)作为已被超过150个国家的11，000所大学所接受的英语能力考试 [ 2 ]，无疑是大部分留学生申请路上的一大关卡。 托福口语考试分为2大部分，共4道题目。第一部分为独立题目，共1道，第二部分为综合题目，共3道。在独立题目中，考生会被要求就两个观点、选项或情况作出自己的选择，并用理由和细节加以解释 [ 3 ]。常见的题目问法有两种： 托福官方的一项调查研究显示，当1395名考生在被问到关于托福口语独立题目的难易程度认知时，有87.3%的考生认为托福口语独立题目有些难，难或者非常难。但是考生在综合题目备考中花费的时间却要远多于独立题目 [ 5 ]。 独立口语作为口语部分的第一题，很大程度上影响了考生整个口语部分的发挥。如果独立题能够流畅作答，可以在一定程度上帮助考生建立自信，辅助接下来的三道题的稳定发挥。因此，本文将结合官方材料以及过往文献进行分析以及理论总结，讲解独立题目的回答要点，以及如何给出一个结构清晰，语言流畅，细节充分的答案。
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user: 2. 答题结构 所谓“万变不离其宗”，无论是哪一种题目问法，考生都最好遵循清晰的总分逻辑来排布自己的答案。 所谓的总分结构，也叫做Deduction，或演绎推理。即答题的第一句话，我们应当明确的陈述出自己的选择/观点。之后给出一至两个理由来支撑自己的选择，并给这一至两个理由提供恰当的细节。最后再根据给出的理由得出结论。 [ 6 ] 因为托福在官方给出的独立题目评分标准中，满分的答案需要做到well-developed和coherent。 [ 3 ] 在答案中使用deductive approach可以帮助我们以连贯的方式扩展自己的答案。 以TPO48 Task2为例：Some people like to shop in large grocery stores and department stores. Other people prefer to shop in small specialty stores or shops. Which do you prefer? Explain why. [ 3 ] 例1： 在上述范例中，观点为在大超市购物，其次给出了两个理由：方便和经济实惠来论证自己选择超市购物的原因。并针对第一个理由：“方便”给出了细节，是因为在大超市有各种各样的产品可供选择，所以可以在一个地方买到所有的东西。针对第二个理由：“经济实惠”也给出了细节：比如我在我家附近的超市办了会员卡，每次购物都可以积分。之后就可以用积分换钱使用。 例2： 在第二个范例中，只陈述了一个理由，即在大超市购物比较方便。随后给了较多的细节来论证这个理由。先是简单的解释因为大超市物品较全，可以一站买齐。其次又举了自己上周在家里办烧烤派对的例子，并列举自己具体需要的东西都可以在大超市找到。进一步解释了在大超市购物如何方便，并且帮自己节省了时间。 以上的两种答题结构都是考生们可以采纳的。需要注意的是，独立题目非常看重考生展开细节的能力。 [ 3 ] 所以在答题时应当避免观点的罗列，如“I prefer to shop in big supermarkets because it is much more convenient and also you can save a lot of money”，而是应当详细的展开解释一至两个理由。 其次，选择题目中的哪一个观点、选项或情况并不会对分数产生影响，题目中的观点、选项或情况没有是非对错之分，只要能够详细论证自己的选择即可 [ 3 ]。 另外需要考生们注意的是，在答案中持中立态度，如“I think large grocery stores and small specialty stores are equally good”或“Sometimes I like to shop in large grocery stores while other times I prefer to shop in small specialty stores or shops”是被允许的。但是45秒的答题时间内，可能没有充足的时间详细探讨两个选项的优缺点，从而导致细节不够充分。所以一般情况下不建议考生采取这种答题结构。 [ 3 ]
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user: 3. 衔接 在排布自己答案的过程中，除了给出自己明确的观点以及细节的理由，考生还应当注意在每个部分中给出恰当的信号词。因为听者在面对各种各样的新信息的时候，会迷失方向。 [ 7 ] 而信号词在答案中起到“路标”的作用，来引导听者辨别各种信息，清晰的把握答案的架构，从而提升自己的分数。托福官方指南的独立题目评分标准中指出，满分的答案需要做到well-developed和relationships between ideas are clear (or there is a clear progression of ideas)。 [ 3 ] 以TPO48 Task2第一个范例答案为例： For me， I normally shop in large grocery stores. 答题的第一句话，一般需要给出表达自己观点的信号词。除了For me， 还可以使用In my opinion… I think/ believe…等 This is because， firstly， it is much more convenient. This is because， firstly表明接下来要说的是我们的第一个理由。 In the supermarket， there is a variety of products to choose from. So I can get everything I need all in one place. So引导结果。 you know， from vegetables， fruits， snacks to even electronics and clothes and stuff. You know作为口语当中常用的表达，经常用来填补对话或讨论中的空白。说“You know”让发言者有时间思考下一步该说些什么。根据O’Connell and Kowal [ 8 ]，引用Chafe (1980)，对话当中的迟疑并不影响口语的表达，相反，是口头表达中一种自然的，自发的行为。 [ 9 ] 在托福官方给出的独立题目评分标准中，满分的答案也允许有小的停顿。 [ 3 ] 因此，考生可以放心在自己的答案中使用fillers。常用的fillers表达还有I mean… Like… Plus， it is more economical to shop in supermarkets. Plus表并列，明确提示考官接下来要开始说第二个理由了。并列连词能够让我们的观点衔接更流畅，同时让听者明确的知道接下来的内容是重要的。 [ 10 ] 常用的并列连词还包括：Second (ly)， What’s more， Additionally等。 For example， I usually go to a supermarket in my neighborhood， and I signed up for a membership card and collect points every time I shop there， and I can use those points as money the next time I go shopping there. 举例子的信号词，常用的还有For instance， Such as等。
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user: 5. 结论 本文主要结合托福官方指南对于独立口语题目的描述以及评分细则和过往文献分析了托福独立口语题目的答题要点。首先答题结构应尽量采取总分结构，使用deduction的方法进行论述。对于观点衔接，要尽量满足评分标准中coherent和relationships between ideas are clear的要求，在恰当的地方使用信号词和逻辑连词，如引出观点的信号词，并列连词等。因果论证，举例论证，对比论证等细节展开方法保证答案能够做到评分标准中well-developed和sufficient这两项。 但是，本文主要针对评分标准中Topic Development (话题发展)一项进行分析，对于Delivery (表达)和Language Use (语言使用)两项评分标准未进行详尽分析。考生在备考时，还需要综合考虑三项评分标准来进行备考。
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user: 摘要 新型冠状病毒的爆发使全球范围内医用口罩使用量剧增，由此引发对该医疗垃圾处理问题的思考。医用口罩由无纺布、耳带、鼻梁条构成，其主要组分均由聚丙烯加工而成。聚丙烯作为一种高疏水的聚合物，极耐降解。传统聚丙烯回收再利用方法耗能大，转换率低，且难以从根本上消耗广泛使用的聚丙烯。大量聚丙烯塑料未经处理便通过垃圾填埋、倾倒入海等方式进入土壤、海洋生态系统，形成微塑料污染环境。为更好地解决聚丙烯降解问题，本文梳理了聚丙烯生物降解探索过程及最新进展，分析了目前聚丙烯生物降解菌种、处理条件、反应过程的研究成果，为进一步提高聚丙烯降解率，改善环境污染等研究和应用工作提供参考。
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user: 1. 引言 2019年底至今，新型冠状病毒引发的疫情在全球范围内爆发，口罩防护作为一种有效的阻断病毒传播的方法，使全球范围内口罩生产与使用量显著增加。粗略估计，疫情期间全国口罩的日需求量约5.3亿只。2015到2019年，我国口罩行业的市场规模由63.18亿元增长到102.35亿元。其中，医用口罩的产值占到整个口罩产业产值的50%。工信部数据显示，2019年我国口罩全年产能约为2000万只 [ 1 ]。新冠疫情爆发以来，国家着力推动口罩行业增产、扩能，2020年2月25日，我国口罩日产能达到7285万只，2月29日，口罩日产能约11，000万只。2021年3月2日，国家发展改革委宣布，我国口罩日产能产量均突破1亿只 [ 2 ]。此外，全球范围内多个国家还出现巨大的口罩需求缺口，韩国一个月内的医用口罩需求量增幅7650%，美国每日医用口罩需求量约为3亿只，需求量缺口达到90% [ 1 ]。在口罩大规模供应不足的情况下，2020年全球口罩使用量仍然达到1660亿只。如按照全球每人每天一只口罩的用量计算，每月口罩使用量将达到1290亿只 [ 3 ]。 巨大的口罩生产量与使用量也带来口罩降解的问题。使用量最大的常规医用口罩的结构包括纺粘无纺布、熔喷无纺布、耳带、鼻梁条。其起过滤作用的主体部分，由三层无纺布形成纺粘无纺布–熔喷无纺布–纺粘无纺布结构，内外两层无纺布由聚丙烯专用树脂制成，中间熔喷无纺布由驻极处理后的高熔融指数聚丙烯专用树脂制成。鼻梁条能够弯曲变形，使口罩被固定在鼻梁上，绝大部分由聚烯烃树脂加工得到，少量由金属条制成。耳带用于口罩穿戴，由无纺布或热塑性聚氨酯弹性体橡胶(Thermoplastic polyurethanes， TPU)材质的松紧带制成 [ 4 ]。 口罩大量使用的原材料为聚丙烯材料，聚丙烯是包装、零部件、建筑家具等领域内使用最广泛的塑料之一，占塑料总需求的19.3%。2019年，我国聚丙烯进口量达到349万吨，聚丙烯的广泛使用也带来环境处理的问题。目前我国还不具备成熟的回收处理聚丙烯塑料的能力，相比于欧洲废旧塑料45%以上的平均利用率(德国利用率达60%)，中国对塑料的利用率仅有25% [ 5 ]。由于新冠病毒仍然在全球范围内传播，短时间内，口罩仍然会是日常消耗品。快速增长的口罩产量、用量，与不完善的垃圾回收处理系统，将使大量未被妥善处理的废旧聚丙烯被送往垃圾填埋场或流向海洋形成微塑料，被浮游生物等食物链低端的生物吞食，进入生态循环系统，造成长久的危害。
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user: 2. 聚丙烯的回收再利用 传统的聚丙烯处理方式包括焚烧回收热能、催化裂解制备燃料、分类加工直接利用、改性利用。 焚烧回收是利用焚烧炉使聚丙烯释放大量热量，催化裂解是利用热能使聚丙烯发生断裂，形成相对分子质量低的化合物，制成燃料。若在裂解过程中混入低温煤焦油、页岩油等物质，可进一步提高聚丙烯的导热性，均衡反应温度，进而提高产物收率 [ 6 ]。 聚丙烯的分类加工利用是将成分单一、并且老化程度较低的聚丙烯材料进行分类，然后直接进行加工再利用，得到的产物成本耗费低，但其性能下降较大，仅能制成低端产品。改性利用是将聚丙烯与其他高分子或非高分子材料(如聚乙烯、橡胶、滑石粉等)混合，改变聚丙烯原本物理性能与力学性能的资源化处理方式，可以按照生产需求对聚丙烯进行性能改造，并且可用于生产高端产品，是目前最为常用、最有效的聚丙烯处理方式 [ 5 ]。 传统聚丙烯处理方法普遍存在能耗较高，回收利用率较低的问题。且国内目前缺乏完善的垃圾分类系统，聚丙烯单独分类回收耗费成本高，大量废旧聚丙烯并未得到妥善处理就流入土壤、海洋等系统，形成微塑料持续影响生态环境 [ 7 ]。
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user: 4. 讨论 由新型冠状病毒引发的全球性感染，使医用口罩用量大幅增加。医用口罩的回收处理问题再次引发关注。其原材料聚丙烯极难降解，并且现有回收再利用技术还未成熟，使得聚丙烯含量在土壤、海洋等环境堆积，对生态平衡造成损害，人们面临着寻找高效降解聚丙烯方法的难题。 目前研究发现对聚丙烯降解率较高的菌种包括气单胞菌、假单胞菌、芽孢杆菌、肠杆菌等。实验结果表明，通过添加助氧化剂、淀粉等其他聚合物形成聚丙烯共混物，或进行紫外照射、加热处理可以使聚丙烯降解率提高。并且，还可以通过将多种聚丙烯降解菌进行混合培养，或减少聚丙烯分子量达到提高降解率的目的。进一步探究生物降解过程发现，微生物可以通过产生疏水性生物膜、分泌催化酶、形成孢子、菌丝等方式增加其在聚丙烯表面的附着性，加速聚丙烯降解。聚丙烯生物降解体系正在逐步完善，未来聚丙烯微塑料污染或将得到改善。 与此同时，环境的共同维护也需要从上游进行改变。广州、深圳等地方政府均出台了废旧口罩管理办法，将医疗机构废弃口罩最为医疗废物处理，普通市民废弃口罩按生活垃圾处理，并增设多处口罩回收容器，收集后口罩废物的运输、处理均由专职机构负责 [ 22 ] [ 23 ]。此外，开发可降解材料口罩也是减少污染的有效方法。无论是废旧物回收利用、生物降解还是生产可降解材料，垃圾治理、环境改善仍然需要不懈地探索。
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user: 摘要 随着3D打印技术日益完善，越来越多的工程设计行业开始使用3D打印设备进行设计、生产和验证。3D打印课程的教学大多是讲授工程应用设计，而不是专门针对艺术设计课程，作为国家示范高职院校，绵阳职业技术学院开办了针对艺术设计的3D打印课程。本文对3D打印课程在包装与设计专业中应用实践进行分析，通过将3D打印融入包装与设计课程，增强学生三维设计的创新思维和创作能力，为日后就业提供更多的机会。同时，本文也通过介绍包装设计课程中三维打印教学案例，为相关教育工作者提供教学指导。
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user: 1. 引言 随着3D打印技术日益完善，越来越多的工程设计行业开始使用3D打印设备进行设计、生产和验证 [ 1 ]。3D打印行业研究机构Wohlers Associates发布的全球增材制造现状报告预计，直到2020年全球3D打印市场规模达到了212亿美元，年均增长为31.3%，其中2019年中国3D打印市场规模约为33.6亿元 [ 2 ]。 近年来中国的3D打印技术也得到快速发展，主要集中在制造小批量的定制产品，例如长虹集团采用3D打印技术加工雷达机罩，加快了军工产品研制周期；绵阳九院引进3D打印技术实现了高功率光纤激光器一体成型。3D打印技术提高了设计的灵活性与开发的效率，并被广泛用在家电及电子消费品、模具、医疗及牙科正畸、航空航天等领域，已成为加快实现智能制造的重要技术手段 [ 3 ]。 3D打印的发展离不开人才，目前工业界对3D打印人才的需求持续增加，但国内对3D应用人才的培养还仅仅在萌芽状态。作为一门新兴的技术，教育界对3D打印技术的教学方法和教育实践，尤其是包装与设计课题中的实践，还缺乏研究 [ 4 ]。虽然一些高校开设了3D打印的选修课程，但也仅仅是停留在理论阶段，学生并没有掌握具体的操作流程与使用方法。由于3D打印市场在世界范围内不断扩大，其应用正在延伸到包括艺术设计行业在内的多个领域，因此，将3D打印技术作为一种新的生产方式嵌入到现有的包装与设计课程中，并将艺术设计专业的学生培养成新兴的复合专业人才是至关重要的。在新兴的产业技术环境下，3D打印技术为包装与设计领域提供了新的个性化制作的解决方案，具有生产周期短、适应性广、制作成本低、可实现模型复杂性高的特点，可以满足包装与设计教学课程中个性化定制和小批量生产的条件。因此，对于职业教育，尤其是与艺术相关的课程，必须更新现有课程，以应对市场变化，使其毕业生能够适应并准备好进入这个由数据与技术驱动的就业市场 [ 5 ]。 作为国家示范高职院校，绵阳职业技术学院开办了3D打印教育，并将其融入到相关课程中。学校也会不定期为教师提供三维打印培训课程，并将三维打印教育推广到所有学生，作为其专业课程之外的公共核心课程要求。同时，学校鼓励各专业开办创新创业平台与实验室，任何学生都可以根据自己的想法通过3D打印设备制作原型。尽管国内外教育工作者已经对理工科专业开展3D打印课程进行了深度分析，但很少有文章对3D打印技术在包装设计课程中的教学设计与实践进行分析。此外，3D打印课程在工程方面的教学大多是教授一般工业产品设计，并学习三维建模软件，而不是专门针对艺术设计、包装设计等课程进行设计。大多数三维打印机制造商都提供了三维打印教程，但这个简单的教程仅仅让操作者掌握三维打印的使用维护说明。所以，本文对3D打印课程在包装与设计专业中应用实践进行分析，通过将3D打印融入包装与设计课程，可以为毕业生在包装与设计行业找到更多的就业机会。本文主要探讨三维打印在包装在设计课程中的应用，以及如何将这项技术策略性地融入课程中。由于三维打印课程是艺术系的一门具有首次尝试性的课程，所以我们通过设计简单、小巧的三维物体，将三维打印概念介绍给包装与设计专业的学生，使学生获得具有基本概念和合理的技能。同时，本文也通过介绍一个包装与设计课程中三维打印教学案例，为相关教育工作者提供教学指导。
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user: 2. 三维打印技术在包装设计领域的发展现状 随着三维打印技术的日益成熟，其应用已经扩展到包装设计相关领域。传统的包装设计主要采用铣削和CNC等技术进行，耗时长且工艺复杂，而3D打印技术可以在多种材料和产品建模效果中做出选择，快速获得了完美的包装解决方案，为包装设计企业节约了大量时间。 国内外的知名企业在产品设计和原型设计阶段使用3D打印技术进行辅助设计。一般来说，企业在设计产品的包装时，都是根据设计师的原理图进行开模加工，然后根据小批量投入市场的反馈信息进行迭代，如此反复，最终得到最优的包装设计。在实际的生产或制造阶段，每个工艺周期通常需要3个月的时间，但使用三维打印可以将原型制作的时间缩短到仅仅几个小时，使企业以最快的时间拿到样品。例如，宝洁公司在包装设计中也采用了三维打印进行定制生产，能够用许多不同材料设计高度复杂的外包装，在整个制造过程中进行直观地评估和校正，并不断进行优化与改进，其设计的SK-II包装原型具有玻璃的外观和质感 [ 6 ]。 在包装设计领域，三维打印技术也常常被用于概念或原型设计，其应用具有形式化和艺术化表现而备受关注。胜达集团设计的多款概念外包装设计从视觉上表达出无形力量和神秘之美。尽管包装设计领域越来越多地将三维打印用于设计和三维原型制作，但这一领域的学术研究仍然局限于包装设计领域对三维打印的评论、三维打印应用及其趋势，以及消费者对三维打印产品的调查研究上。关于三维打印在包装与设计教育中的实际应用也大多集中在如何应用3D打印进行产品设计。即便在课程设计中，也仅仅是利用3D打印技术激发学生的创新能力，促进自主探究能力的培养。本文将主要探讨三维打印在包装在设计课程中的应用，以及如何将这项技术策略性地融入课程中，将三维打印概念介绍给包装与设计专业的学生，使学生获得具有基本概念和实操技能。
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user: 3. 包装设计课程的基础理论教育 三维打印是一种基于快速成型技术的增材制造，广泛用于原型设计，其设计过程首先需要使用三维建模软件在虚拟空间中创建三维模型，然后该软件将三维模型“分区”成逐层的切片，从而指导打印机逐层打印 [ 7 ]。在包装设计课程教学设计与实践应用中，三维打印建模软件与三维打印机的类型和材料的教学是必不可少的，这也是学习3D打印的基础。 3.1. 三维建模软件 随着3D打印技术的发展，市面上有各种各样的三维建模软件，与包装设计相关的设计软件包括MAYA、Rhinoceros、AutoCAD、Sketchup、Zbrush和3Ds MAX [ 8 ]。为了能够使用三维打印机进行原型样品的设计，对于产品设计师和开发人员来说，至少熟悉其中一个三维建模程序是至关重要的。因此，对于学生来说，熟练掌握一款3D建模软件是后续学习的关键，这也是日后走向工作岗位的必备技能。 绵阳职业技术学院包装与设计课程主要讲授MAYA、Rhinoceros与AutoCAD的使用，并重点介绍Rhinoceros软件的基础概念、操作界面、基础操作等。Rhinoceros是三维打印中最专业的一款高级建模3D造型软件，它使用变化且清晰的B样条方法，即“一条函数化的曲线”，在数学上精确地定义了几何图形曲线、曲面和实体。Rhinoceros是最先进的数学表达式型三维建模软件，可以精确地建模任何形式的三维曲面和实体，以及二维直线。且Rhinoceros与几乎所有的CAD数据都具有显著的文件兼容性。学生们一旦掌握了Rhinoceros软件就可以利用其丰富的模型库将想法转化成三维模型。虽然Rhinoceros具有非常强大的插件功能，可以与Keyshot、V-Ray等渲染器实现对接，但包装与设计课程选用MAYA作为其渲染软件。包装设计是品牌理念的“叙述者”，是产品精髓的体现，更是美的载体。MAYA软件能渲染出最好的视觉效果设计 [ 9 ]，该软件可以培养学生三维造型的创新思维和创作能力，不仅可以为学生走上包装设计岗位奠定基础，而且该软件也是尤其动漫制作与影视广告等岗位的必备技能，能够扩宽学生的就业渠道。AutoCAD也是本课程需要用的基础软件，学校已经将《AutoCAD》作为艺术设计类的基础核心课程，并在前期已经完成的教学。AutoCAD是二维软件中功能最强大的程序，其在工业设计中应用广泛，并在CAD软件市场上占有最高的市场份额。AutoCAD与同一制造商的Rhinoceros兼容，因此在Rhinoceros中可以将在AutoCAD中绘制的内容转换为三维模型。该软件需要学生在没有任何参考情况下，手动设计出二维平面图，需要较强大的工程制图理论基础与三维视图的思维能力。本课程安排四周时间完成三款软件的教学及上机实习。在实施教学的过程中，我们要把熟练使用这三款软件为包装与设计课程教学的第一目标。 3.2. 三维打印机的类型和材料 随着三维打印技术的广泛应用和普及，我们能获取的具有多种打印方法和材料的三维打印机。在增材制造方法中，三维打印机是把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、金属粉末等材料通过喷射粘结剂或挤出等方式实现层层堆积叠加形成三维实体。包装设计领域最常用的方法是熔融沉积法，即通过喷嘴将熔化的塑料材料以分层的形式释放出来，在平台上层层叠加 [ 10 ]。三维打印材料—塑料长丝，主要由聚乳酸(PLA)或丙烯腈–丁二烯–苯乙烯(ABS)系列材料制成，通常为直径为1.75或2.85毫米的金属丝。聚乳酸是一种无毒的环保材料，主要成分是玉米和甘蔗，它们几乎用于所有的三维打印机中。聚乳酸具有不变形的优点，因为即使在温度下降的情况下也不容易收缩。ABS具有价格低廉的优点，常常作为热塑性塑料，但其气味有害，收缩率高，会引起冷却快速，弯曲，或开裂。三维打印使用了许多其他材料，如工程塑料，由于其优异的强度、耐热性和耐冲击性，所以是制造机械部件的合适材料；尼龙丝比PLA更柔软，但具有高收缩率；木纤维是通过将再生木材与结合聚合物混合制成的。现今，灯丝有20多种颜色，包括白色、银色、棕色、黑色、红色和黄色等。本课程中采用的是三维打印机极光尔沃A7智能3D打印机进行教学。教学的内容主要是按照厂家给出的使用维护说明书进行，并结合不同步骤后面隐藏的原理进行理论教学。
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user: 4. 包装设计课程教学实践 本文旨在通过分析3D打印技术在包装与设计课程中的教学实践，为相关教育工作者提供教学心得。3D打印课程中三维打印建模软件与三维打印机的理论学习与3D打印机的使用维护是课程的基础，学生需要花1/3的时间进行学习，最终掌握软件与硬件的基础使用。在学生具备基础理论与使用方法后，本课程设计多个实践项目进行教学，增强学生的动手能力。下面将对部分教学案例进行分析。 绵阳职业技术学院包装与设计课程主要面向环境艺术设计、产品艺术设计、视觉传达设计、服装艺术设计等4个大专业8个设计专业方向的大三学生。绵阳职业技术学院一直将三维建模、3D打印技术作为高年级学生的必须课程，并购买了多套服务器及3D打印设备，其中打印机采用极光尔沃A7系列，具备FDM方法，层压为0.01~0.05 mm，打印小而精，打印速度快，最适合教学使用。 艺术设计类专业把AutoCAD作为大一学生的核心课程，并为大二及高年级学生提供虚拟产品设计课程。因此，所有的学生都具有学习MAYA与Rhinoceros的基础，可以经过四周的学习熟悉三维设计和原型软件的使用方法。由于具备艺术设计相关软件的经验，尤其是在三维虚拟空间中进行三维建模的前期经验，使学生更容易将三维原型技术引入三维原型制作，从而激发出他们学习三维打印原型制作过程的动力 [ 11 ]。 包装与设计课程的讲师都具备硕士学位，熟悉与包装设计相关的二维和三维软件的使用，并教授过大量与技术相关的课程。部分老师具有丰富的3D打印经验，并长期与绵阳的军工科研院保持横向课题的合作。为了提供优质的教学体验，学校也会不定期为教师提供三维打印培训课程，并将三维打印教育推广到所有学生。 尽管学校艺术设计类专业已将3D打印技术纳入核心设计课程，但文献 [ 12 ] 指出国内90%的职业院校还没有开设三维打印课程，也未把其作为核心或选修课程，主要原因是三维打印机和三维建模软件的成本高有关；另外，学校也难以找到具有教授三维打印课程的教师。因此，本文研究对于其他院校在未来开设与三维打印相关课程时，会提供有效的指导。 1) 3D建模软件上机实践 作为许多可用的三维建模软件之一，Rhino被选入三维打印课程中的原因如下：① 使用最先进的NURBS数学方程，具有制作精确三维模型的优点；② 具有功能强大的建模工具，因为它是作为一个专门的三维建模工具而开发的；③ 由于导入和导出文件格式几乎兼容所有现有的CAD数据；④ 在完成建模后，具有文件错误检查、STL文件转换和保存为三维打印文件的灵活性和兼容性。学生上机实践过程中结合老师布置的作业将初步学会软件的基础使用，能够利用Rhino进行曲面建模与渲染。 2) 3D打印切片软件CURA上机实践 对于三维打印机来说，大多数设备不能直接读取三维建模软件生成的文件进行打印。因此，需要将三维建模软件生成的STL数据转换为分层的切片数据，每层的厚度相当于打印机机头一次的移动宽度。该路径数据称为G代码，将其转换为G代码的软件称为“切片程序”。 软件市场上有许多切片软件。包装与设计课程选择了界面简单、可通过官方网站免费下载的CURA作为打印切片软件进行教学，因为它便于新手进行三维打印操作。在复杂结构中创建对象的G代码可能会产生问题。但CURA适用于以简单时尚产品的三维打印为目标的课程。该软件的学习只需有2个课时的学校就可以熟练掌握。 3) 三维打印教学实践 “包装与设计”的三维打印课程是一门面向大二下学期64个学时的专业基础课程，为期16周，每周4小时。除了在实验课学习三维打印机的使用，学生们也可以在课后去实验室申请使用三维打印机，学校鼓励学生利用3D打印机参与全国艺术设计类竞赛。“包装与设计”课程目标是让学生了解三维打印的完整制作过程；了解三维打印的工作原理；探索三维打印可以应用的领域；将获得的知识和技能整合到三维打印相关的项目开发中。课程内容包括三维打印的定义和基本过程、三维打印的发展趋势及其在“包装与设计”中的应用、Rhino的三维产品设计、三维建模软件、三维设计等。 更具体地说，第一周的课程是对课程进行了概述。在第2~5周，学生们学习三维建模软件Rhino的工具。这是一个功能强大，但初学者上手慢的软件，所以该课程为学生们准备了充足的时间来学习如何使用各种工具生成三维物体，并在晚上增设了上机实习。在第6~10周，学生们开始用Rhino制作各种各样的包装。学生们练习了制作各种材质与造型的包装产品。第11周，开始进行三维渲染实践。在三维建模中，渲染是模拟真实图像的重要过程。在第12周和第13周，进行创造性项目的设计和建模。在第14周和第15周，学生通过转换G代码来制作三维打印作品。在最后一周的三维打印课程中，学生将展示自己的三维打印作品作为期末成绩。在最后一节课上，学生们各自将对三维打印学习经验、挑战提出意见，并给出对三维打印课程发展的建议。 学生的学习成绩与上述特定的课程目标有关。评估的依据是：1) 出席次数；2) 周报；3) 检测设计的三维建模文件的准确性；4) 期末项目的三维打印输出；5) 课堂表现。 总的来说，通过三维打印课程的教学效果，学生们能够更加深入地了解到当今市场的需求。通过三维打印教学，能使学生们获得在艺术设计领域使用三维建模，三维打印的兴趣。由于一学期的教学涵盖了许多有关三维建模和打印的内容，教师备课的难度也相对增大，也增加了学生理解与掌握的难度。部分职业院校在开设该课程时，可以考虑将三维打印学习课程分为不同的层次，例如两个学期的基础课程和高级课程。
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user: 5. 讨论与分析 本文探讨职业教育，特别是与包装设计相关的学科，应该以何种方式进行三维打印及其在包装设计中的实际应用。近十年来，三维打印一直受到公众和智能制造领域的关注。通过分析三维打印在包装设计课程中的教学经验，也为其他院校在类似设计学科工作的教育者提供教学指导。 通过本课程的学习，学生们能够了解从建模到打印的整个过程，掌握三维建模的工作原理，并评估出他们是否熟练使用三维建模软件对自己的设计进行三维建模。本文介绍的案例的学生大多数毕业后将从事艺术设计类工作，部分学生也会进一步去本科高校深造，他们都将会在三维打印技术的基础上不断融合和尝试设计创新以及技术应用。 3D打印技术在许多高校都作为选修课开设，但大多数学校仅仅讲授产品设计和三维建模软件的理论学习，而没有专门针对包装与设计进行实践教学。本文将3D打印技术引入到“包装与设计”课程的确是一个很棒的尝试。这门三维打印课程可以使得学者们认识艺术专业学生在学习原型设计到三维印刷的整个过程可能面临的主要问题，并为未来需要开设的不同层次的三维打印相关课程提供些许指导。三维建模是三维打印中最重要的基础之一，最大的挑战是如何在三维打印课程中使用Rhino。虽然学生们熟悉使用二维和三维包装设计软件的知识，但Rhino对他们来说却是一种非常新的使用工具。大多数艺术相关课程的学生在高中阶段都未对对物理、数学和科学等课程给予高度重视，而缺乏科学、技术和数学方面的基础知识，可能会使学生在课程开始时应对不足。因此，针对艺术专业的学生，有必要开设一堂理论基础课减少三维建模程序Rhino学习难度。另外，由于时间限制，教师没有向学生详细地介绍和解释可用于三维打印的材料类型。为了使本课程更侧重于包装与设计领域，教师有必要传授学生包装产品的相关知识。 本研究分析了三维打印在包装设计课程中的必要性，以及如何将三维打印技术策略性地融入到包装设计课程的教学方法，其案例是以“包装与设计”课程为例，能够为学者们提供教学上的指导。
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user: 摘要 本文通过对现有相关技术的概述，介绍了应用于眼动追踪数据的可视化方法。眼动追踪在实验室条件下常用于挖掘用户认知能力、评估用户行为。对眼动实验的数据进行定性分析，是探索用户偏好并指导设计优化的重要手段。文章介绍了眼动追踪技术的基础理论和可视化技术的概念，总结了对眼动追踪的数据进行可视化的方法类型，在此基础上探讨了此技术应用的难题和瓶颈，最后对其在设计领域的应用前景进行了展望与总结。
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user: 1. 引言 人类获取外界信息时主要依赖视觉的作用，而眼睛的运动是揭示人的视觉机制和认知活动的直接方法。研究眼睛运动可以有效地理解人的意图，从而进行图像图形、产品等的可用性评估，以及地图、建筑、场景等的偏好测试。眼动追踪技术作为机器视觉的一种，近年来发展迅速，相关设备已经能准确定位瞳孔位置、计算人的注视点，从而获得大量眼动特征数据，广泛应用于人机交互、智能设计等领域。这些数据以文本为主，难以直观地理解，必须要对其进行定量和定性处理，映射出易识别的图形特征，从而方便人们理解其涵义。 本文总结了眼动追踪实验的基础框架，并针对眼动数据的可视化方法进行分类和讨论，结合研究难点对未来研究与应用趋势进行展望。
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user: 2. 眼动追踪实验 2.1. 眼动概念 眼睛运动的模式主要分为定位眼动和非定位眼动两种，其中最常用的便于研究者分析眼动数据的三种模式是：眼跳(saccade)、注视(fixation)、平滑尾随跟踪(smooth pursuit) [ 1 ]。 1) 眼跳：也称扫视，指在被注视目标上的一系列停留点之间的快速跳动，是双眼的联合移动，视角在1˚~40˚之间，持续时间30~120 ms，当持续时间超过100 ms以上时，停留点被称为注视点。一般只有在获得注视点时，才能获取信息。 2) 注视：在被注视目标上停留时间至少持续100 ms的停留点。眼球注视时伴随着微小的生理震颤，颤动幅度一般保持在1˚以内。 3) 平滑尾随跟踪：眼球跟随动态目标缓慢移动，通常物体运动速度低于50˚/s，同样是双眼的联合移动，通常伴随着注视和眼跳。实际上人的双眼几乎总是同步运动。 这三种运动均属于定位眼动，非定位眼动涉及到的是瞳孔扩张等眼球的自适应调节，此处不展开叙述。 2.2. 实验参数 眼动数据包括注视点的位置和时间，每项记录中会包括时间、空间位置(坐标)、用户标识符、注视持续时间、刺激标识符等 [ 2 ]。眼动实验中，根据所需，通常选择眼睛在目标区域的注视时长、注视次数、注视顺序等参数作为样本数据进行采集 [ 3 ]。 1) 注视时长：包括总的注视时间和在目标上停留的时间，反映提取信息的难易度。在目标上停留时间越长，一般表示被试者提取信息遇到困难。 2) 注视次数：包括总注视次数和在目标上停留的次数。目标被注视次数越多，表示越重要。 3) 注视顺序：被试者在多个预设目标之间的注视转换顺序。 此外，在视觉搜索类任务中还会记录第一次到达目标的时间，用以衡量搜索任务是否有困难、原设计是否合理。 2.3. 测量方法 随着科技的发展，眼动追踪技术从干扰式发展到非干扰式。在计算机处理能力不够的时代，人们采用的眼动仪运作原理比较简单，大致可分为机械记录法、电流记录法和电磁感应法等，会对被试者造成影响，且准确性较低 [ 4 ]。 近年的眼动仪采用的非干扰式追踪技术，主要包括角膜反射法、巩膜–虹膜边缘法、瞳孔–角膜反射向量法等。前二者都是利用光线记录眼球位置。第三种利用摄像机拍摄眼睛图像，通过图像处理得到瞳孔中心位置，从而获得视线向量坐标，是现在最广泛使用的方式，精度较高，干扰小，头部误差小。瞳孔–角膜反射向量法通过固定眼摄像机获取眼球图像，利用亮瞳孔和暗瞳孔的原理，提取出眼球图像内的瞳孔，再用角膜反射法校正摄像机与眼球的相对位置。角膜反射点位置作基点，瞳孔中心位置代表视线位置。 2.4. 硬件设备 用于记录分析眼动数据的系统或设备称为眼动仪，早在上世纪八十年代末就已出现商用眼动仪 [ 5 ]。目前使用比较广泛的眼动仪有Model Mon EOG眼动仪、EyeLink系列眼动仪、Tobii系列眼动仪、SMI眼动仪等 [ 6 ]。其中EyeLink系列采样的时间分辨率与空间分辨率都较高，Tobii系列则采用了先进的头动补偿算法，被试在实验过程中可以小幅度地转动头部，因此在特定领域具有特别优势，如研究婴儿或特殊人群的眼动行为。表1选择这两类眼动仪中各两款类型进行性能指标对比。 Table 1 Performance comparison of four eye tracking device 系列名称 EyeLink Tobii 型号 EyeLink II EyeLink 1000 TX3000 Glasses 穿戴方式 头戴式 塔台式 摄像头式 眼镜式 双眼采样率 250 Hz (均值) 500 Hz 60/120/300 Hz 30 Hz 追踪原理 瞳孔−角膜反射 瞳孔−角膜反射 瞳孔−角膜反射 瞳孔−角膜反射 追踪范围 水平+/−28˚；垂直+/−22˚ 水平+/−32˚；垂直+/−25˚ 水平+/−30˚；垂直+/−25˚ 水平+/−56˚；垂直+/−40˚ 凝视位置误差 0.25˚~0.5˚ 0.25˚~0.5˚ <0.4˚ <0.5˚ 数据分析软件 Data Viewer Data Viewer Tobii Studio Tobii Studio 表1. 四种眼动追踪设备性能比较 2.5. 处理软件及数据处理 目前主要眼动数据处理软件是基于ScanEval软件包开发的，它能够提供大量的统计和获取数据的方法，对数据实时分析、反馈，包括训练系统评估、界面评价等。以上文提到的Tobii公司自主研发的Tobii Studio软件为例，它支持广泛的刺激材料，如文本、图片、视频、屏幕记录、网页、使用场景摄像机的实际物体或场景以及外部视频源等。 1) 数据记录：包括眼动数据和用户视频、声音、鼠标点击、击键等全方位的数据，并在记录过程中提供问卷功能，收集被试者的回答。 2) 可视化分析：提供注视轨迹图、热点图、集簇分析图和蜂群图视频，并提供自动或手动划分兴趣区域两种划分方式。 3) 数据统计：图表的制作和导出，可将数据放在软件内分析或导出到SPSS或MATLAB等外部程序中分析。 对于原始眼动数据在使用前必须进行预处理，主要分为数据平滑和去噪、有效区域校准或补偿、识别定位等。数据平滑和去噪，是基于连续点对数据进行均值处理，获得平滑数据，降低突变的噪声干扰(如用户头部的运动)；利用小波变换对信号进行过滤，保留100 Hz以下信号。有效区域校准或补偿，指剔除脱离有效区域的数据信息，或对持续时间不够的采样点进行聚类等数据加工的方式。识别定位，指基于差分和区域匹配的眼跳识别，利用差分算法实现眼动波动点识别，利用区域匹配算法实现眼动的位置识别。