3D投影技術在物理實驗教學中的作用

張 映，張雨姍，代超超，孫麗萍

(貴州師范學院 物理與電子科學學院，貴陽 550018)

傳統的物理實驗授課需要在實驗室中完成實驗教學部分，而線上授課過程學生接觸不到實驗儀器，體會不到物理實驗的趣味性，對此，開展了對物理實驗教學系統有輔助作用的3D投影技術研究。目前，3D投影技術在硬件方面已經趨于成熟，例如，可以應用于舞臺上，在空中產生立體的幻象，但卻較少應用于物理實驗教學方面。本研究通過3D投影技術可以讓學生更直觀、更清楚地看到實驗儀器，從而開發學生的物理思維，拓寬眼界。

1 3D投影技術原理及其裝置

1.1 原理

3D投影技術是對已記錄的二維圖像使其三維再現的一種光學現象，簡單來說，就是使二維圖片所記錄的物體在三維空間立體再現的一種技術。它在硬件上已經趨近成熟，但在素材的基礎上仍然有所欠缺，而素材的制作在2016年“未來教室”的應用研究中就已經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投影技術裝置

3D投影技術裝置價格低廉，只要利用一張透明的塑料片就完全可以自己制作一個小型的3D投影技術裝置，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，頂部預留出一個正立方形，將制作好的金字塔倒置放在制作好的模型圖上，這就展現出了一個可以直觀360°觀看的圖片，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 凸透鏡成像規律的實驗對比研究

傳統的凸透鏡成像規律實驗教學需要學生課前預習，在上實驗課的時候才能接觸實驗儀器，這種教學模式下，學生對實驗儀器不熟悉，預習效果不理想，如圖3所示。

圖3 傳統凸透鏡成像規律實驗Fig.3 Experiment of traditional convex lens imaging law

驗證凸透鏡成像規律是一個比較抽象的實驗，傳統的實驗教學模式需要學生運用空間想象力想象光線傳播的路徑，而3D投影技術能夠為學生提供光路圖，使學生對光路有一個直觀清晰的認識，如圖4所示。

圖4 3D投影凸透鏡成像規律實驗Fig.4 Experiment of convex lens imaging law of 3D projection

在驗證凸透鏡成像規律的實驗中，對傳統實驗教學模式和3D投影技術實驗教學模式進行對比分析，發現傳統實驗教學模式的抽象性使學生在理解上存在一定困難，而3D投影技術實驗教學模式可以讓學生直觀、立體地觀察實驗儀器和實驗過程，在預習階段和教學中都能為學生提供便利。與3D投影技術結合的物理實驗教學突破了教學空間和實驗儀器的限制，擴大了學生學習范圍，提高了學生學習興趣和教師教學效率[1]。

3 基于3D投影技術的物理實驗教學模式的優點

物理是一門以觀察和實驗為主的自然科學。物理現象和基本規律普遍來自于生產生活中，具有趣味性和知識性的實驗能引起學生的興趣，激發學生學習新知識的欲望。物理實驗是物理概念和規律得以歸納和總結的依據，也是物理教師用來教學的主要工具，直接影響著教學效果[2]。基于3D投影技術的物理實驗教學模式的優點主要包括以下幾個方面。

3.1 預習更直觀

預習是物理實驗課的一項必要環節，在傳統教學模式中，學生只能通過查閱資料或翻閱教材來完成預習，而在3D投影技術的教學模式中，教師在實驗預習階段就能夠讓學生直觀立體地觀察實驗儀器，讓學生在視野中感受到更加真實的3D圖像、動畫轉換和良好的視覺效果，進一步提升學生的物理空間想象能力、思維發散能力和注意力，了解實驗儀器的操作方法及實驗過程中的注意事項。

3.2 操作更便捷

3D全息投影技術運用在教學模式中極大地提高了教學的方便性和教學效果。在操作實驗部分，3D投影技術教學模式相比傳統教學模式更加便捷，在熟悉實驗儀器操作方法的前提下，能夠減少因學生不恰當操作對實驗儀器造成的損壞[3]，提高學生的動手能力，使學生操作起來更容易且更具針對性，從而深入理解物理實驗的原理。

3.3 實驗報告更高效

學生在傳統實驗教學結束后撰寫實驗報告時常常會產生困惑，問題得不到及時解決，可通過3D全息投影儀預習實驗，這種新穎的教學模式極大地提高了學生學習的興趣，學生可以利用先進的媒體形式完成實驗預習，讓學生根據自己存在的問題進行思考，實現自主學習，將在實驗前發現的問題帶入實驗課堂中，在教師的引導下與同學積極討論交流，解決學生的困惑，提高學生的主觀能動性和團隊合作能力。

4 結語

3D投影技術與傳統教學相結合的模式不僅能夠加強學生的視覺感受，還能夠實現教育資源的共享，表達起來更加生動、靈活，克服了傳統教學的局限性，提高了教師的教學能力和學生的思維能力，具有很大的潛在優勢。