3D投影技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

張 映，張雨姍，代超超，孫麗萍

(貴州師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550018)

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)授課需要在實(shí)驗(yàn)室中完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，而線(xiàn)上授課過(guò)程學(xué)生接觸不到實(shí)驗(yàn)儀器，體會(huì)不到物理實(shí)驗(yàn)的趣味性，對(duì)此，開(kāi)展了對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)有輔助作用的3D投影技術(shù)研究。目前，3D投影技術(shù)在硬件方面已經(jīng)趨于成熟，例如，可以應(yīng)用于舞臺(tái)上，在空中產(chǎn)生立體的幻象，但卻較少應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面。本研究通過(guò)3D投影技術(shù)可以讓學(xué)生更直觀(guān)、更清楚地看到實(shí)驗(yàn)儀器，從而開(kāi)發(fā)學(xué)生的物理思維，拓寬眼界。

1 3D投影技術(shù)原理及其裝置

1.1 原理

3D投影技術(shù)是對(duì)已記錄的二維圖像使其三維再現(xiàn)的一種光學(xué)現(xiàn)象，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是使二維圖片所記錄的物體在三維空間立體再現(xiàn)的一種技術(shù)。它在硬件上已經(jīng)趨近成熟，但在素材的基礎(chǔ)上仍然有所欠缺，而素材的制作在2016年“未來(lái)教室”的應(yīng)用研究中就已經(jīng)有了很完備的制作方法，模型制作流程圖如圖1所示。

1.2 3D投影技術(shù)裝置

3D投影技術(shù)裝置價(jià)格低廉，只要利用一張透明的塑料片就完全可以自己制作一個(gè)小型的3D投影技術(shù)裝置，制作步驟就是將其制作為四塊大小相同的矩形，將其兩兩相連制作成金字塔形狀，頂部預(yù)留出一個(gè)正立方形，將制作好的金字塔倒置放在制作好的模型圖上，這就展現(xiàn)出了一個(gè)可以直觀(guān)360°觀(guān)看的圖片，如圖2所示。

圖1 模型制作流程圖Fig.1 Modelling flow chart

圖2 3D投影裝置圖Fig.2 3D projection devices

2 凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究

傳統(tǒng)的凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要學(xué)生課前預(yù)習(xí)，在上實(shí)驗(yàn)課的時(shí)候才能接觸實(shí)驗(yàn)儀器，這種教學(xué)模式下，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器不熟悉，預(yù)習(xí)效果不理想，如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)Fig.3 Experiment of traditional convex lens imaging law

驗(yàn)證凸透鏡成像規(guī)律是一個(gè)比較抽象的實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式需要學(xué)生運(yùn)用空間想象力想象光線(xiàn)傳播的路徑，而3D投影技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供光路圖，使學(xué)生對(duì)光路有一個(gè)直觀(guān)清晰的認(rèn)識(shí)，如圖4所示。

圖4 3D投影凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)Fig.4 Experiment of convex lens imaging law of 3D projection

在驗(yàn)證凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和3D投影技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的抽象性使學(xué)生在理解上存在一定困難，而3D投影技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以讓學(xué)生直觀(guān)、立體地觀(guān)察實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在預(yù)習(xí)階段和教學(xué)中都能為學(xué)生提供便利。與3D投影技術(shù)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)突破了教學(xué)空間和實(shí)驗(yàn)儀器的限制，擴(kuò)大了學(xué)生學(xué)習(xí)范圍，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和教師教學(xué)效率[1]。

3 基于3D投影技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)

物理是一門(mén)以觀(guān)察和實(shí)驗(yàn)為主的自然科學(xué)。物理現(xiàn)象和基本規(guī)律普遍來(lái)自于生產(chǎn)生活中，具有趣味性和知識(shí)性的實(shí)驗(yàn)?zāi)芤饘W(xué)生的興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的欲望。物理實(shí)驗(yàn)是物理概念和規(guī)律得以歸納和總結(jié)的依據(jù)，也是物理教師用來(lái)教學(xué)的主要工具，直接影響著教學(xué)效果[2]?；?D投影技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 預(yù)習(xí)更直觀(guān)

預(yù)習(xí)是物理實(shí)驗(yàn)課的一項(xiàng)必要環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，學(xué)生只能通過(guò)查閱資料或翻閱教材來(lái)完成預(yù)習(xí)，而在3D投影技術(shù)的教學(xué)模式中，教師在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段就能夠讓學(xué)生直觀(guān)立體地觀(guān)察實(shí)驗(yàn)儀器，讓學(xué)生在視野中感受到更加真實(shí)的3D圖像、動(dòng)畫(huà)轉(zhuǎn)換和良好的視覺(jué)效果，進(jìn)一步提升學(xué)生的物理空間想象能力、思維發(fā)散能力和注意力，了解實(shí)驗(yàn)儀器的操作方法及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

3.2 操作更便捷

3D全息投影技術(shù)運(yùn)用在教學(xué)模式中極大地提高了教學(xué)的方便性和教學(xué)效果。在操作實(shí)驗(yàn)部分，3D投影技術(shù)教學(xué)模式相比傳統(tǒng)教學(xué)模式更加便捷，在熟悉實(shí)驗(yàn)儀器操作方法的前提下，能夠減少因?qū)W生不恰當(dāng)操作對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器造成的損壞[3]，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，使學(xué)生操作起來(lái)更容易且更具針對(duì)性，從而深入理解物理實(shí)驗(yàn)的原理。

3.3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告更高效

學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)束后撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)常常會(huì)產(chǎn)生困惑，問(wèn)題得不到及時(shí)解決，可通過(guò)3D全息投影儀預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，這種新穎的教學(xué)模式極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生可以利用先進(jìn)的媒體形式完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，讓學(xué)生根據(jù)自己存在的問(wèn)題進(jìn)行思考，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，將在實(shí)驗(yàn)前發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題帶入實(shí)驗(yàn)課堂中，在教師的引導(dǎo)下與同學(xué)積極討論交流，解決學(xué)生的困惑，提高學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性和團(tuán)隊(duì)合作能力。

4 結(jié)語(yǔ)

3D投影技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合的模式不僅能夠加強(qiáng)學(xué)生的視覺(jué)感受，還能夠?qū)崿F(xiàn)教育資源的共享，表達(dá)起來(lái)更加生動(dòng)、靈活，克服了傳統(tǒng)教學(xué)的局限性，提高了教師的教學(xué)能力和學(xué)生的思維能力，具有很大的潛在優(yōu)勢(shì)。