論虛擬現(xiàn)實技術在“晶體光學”教學中的應用

［摘 要］ “晶體光學”課程是一門要求學生具有較好立體空間思維和較強實踐動手能力的課程，傳統(tǒng)教學模式無法降低地質(zhì)學專業(yè)學生學習的難度，因此有必要加入其他的教學手段。虛擬現(xiàn)實技術是一種可以可視化數(shù)據(jù)的手段，并已在地球科學領域取得一系列的重要成果。基于虛擬現(xiàn)實技術建設的“晶體光學”課程重點和難點的資源庫，可以使得學生通過交互式的場景物體操作和自身操作，以及偏光顯微鏡的實踐操作多重學習，達到了解、知道、領會和掌握等層次的學習，從而有效提高“晶體光學”課程的教學質(zhì)量和教學效果。

［關鍵詞］ 虛擬現(xiàn)實技術；晶體光學；交互式學習

［基金項目］ 2020年度東華理工大學教學改革研究項目“虛擬仿真教學在地質(zhì)專業(yè)實體課堂中的應用——以‘晶體光學’課程為例”（DHJG-20-08）；2021年度東華理工大學教學改革研究項目“‘普通地質(zhì)學C’課程思政融合的探索與實踐”（DHJG-21-13）；2021年度江西省高等學校教學改革研究項目“課程思政理念下‘普通地質(zhì)學’課程教學改革研究”（JXJG-21-6-30）

［作者簡介］ 蔣幸福（1986—），男，湖南常德人，博士，東華理工大學地球科學學院副教授，主要從事前寒武紀大地構(gòu)造和核廢物地質(zhì)庫選址研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）06-0137-04 ［收稿日期］ 2023-11-10

虛擬現(xiàn)實技術（virtual reality， VR）是指在虛擬的三維世界里，體驗者通過多方感官體驗達到身臨其境的效果。近年來，該技術已深入應用到多個領域，并取得了一定成果［1-2］。在地球科學領域，虛擬現(xiàn)實技術在地質(zhì)地貌重建和數(shù)據(jù)三維分析等方面也獲得了重要進展［3］，尤其是疊加多個地質(zhì)場景功能，將復雜的空間結(jié)構(gòu)和多維度的演化過程直觀立體地展示出來，不僅可以有效降低初入地球科學領域?qū)W生專業(yè)學習的難度，也可以有效助力地球科學領域的科普教育工作。

晶體光學是一門研究可見光透過礦物晶體所引發(fā)反射、折射、偏光、干涉等光學現(xiàn)象及其規(guī)律的學科，在光率體這一立體幾何圖形的理論基礎上，通過單偏光、正交和錐光三大光路系統(tǒng)，了解并掌握均質(zhì)體和非均質(zhì)體（如一軸晶和二軸晶）礦物的光軸、多色性、貝克線、突起、干涉色等抽象概念，以此研究和鑒定透明礦物和巖石類型［4］，因此該課程需要學生具有較好的立體空間思維和較強的實踐動手能力。這門課主要是為學生學習后續(xù)“火成巖巖石學”“沉積巖巖石學”和“變質(zhì)巖巖石學”等課程奠定單偏光顯微鏡測定透明礦物的基礎。近年來，隨著信息技術水平的不斷提高，慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂等教育形式在高等院校的本科教學改革中開始流行［5-7］，并利用超星平臺和CAI軟件等手段打破傳統(tǒng)教學的模式，提高學生的學習興趣［8-9］。然而這些教育形式和手段并不能有效地增強學生對三維空間立體圖形轉(zhuǎn)換的理解，但虛擬現(xiàn)實技術為解決這個難題提供了可能。

虛擬仿真教學是一種將課本上的理論知識融入實踐的教學方法，將傳統(tǒng)的教學智能化、虛擬化，讓學生能身臨其境，對虛擬空間中的情況展現(xiàn)出的知識難點有直觀的認識。事實上，虛擬仿真教學必須遵循現(xiàn)實的教學原則和規(guī)律，且以知識難點模擬為基礎，為學生創(chuàng)造出更加生動的教學場景，從而幫助學生更好地了解課本知識點和自身對內(nèi)容的掌握度，提高學習效率。

一、資源庫的建設

資源庫的建設是指“晶體光學”課程資源的建設，主要是將“晶體光學”課程中教學內(nèi)容的難點進行收集和整理，通過虛擬教育環(huán)境使得學生更容易了解和掌握該門課程的難點內(nèi)容。根據(jù)教學日歷和教學大綱，將“晶體光學”資源庫的建設進行分塊，包括光率體和雙折射率、單偏光鏡下的晶體光學性質(zhì)、正交偏光鏡下的晶體光學性質(zhì)和錐光鏡下的晶體光學性質(zhì)等四個方面。

光率體和雙折射率概念是“晶體光學”這門課的基礎，貫穿了本課程的整個學習過程。光率體概念資源庫建設主要包括光率體的形成和切面兩個內(nèi)容，這里著重建設的是切面資源庫，因為不同光學性質(zhì)礦物的光率體形態(tài)不一，導致切面也不同，從而造就了不同/相同礦物在單偏光、正交和錐光鏡下的不同光學性質(zhì)。雙折射率概念的資源庫建設主要為單偏光在礦物傳播過程中產(chǎn)生的一些有趣現(xiàn)象，如一束光入射冰洲石后產(chǎn)生兩條折射光線等。此外，在等軸晶系/非晶質(zhì)體、一軸晶和二軸晶的三種光率體形態(tài)進行資源庫建設過程中引入常光、非常光、光軸、光學主軸等基本概念。

單偏光、正交偏光和錐光鏡下晶體光學性質(zhì)的資源庫建設，主要是通過可視化方法來達到學生操作偏光顯微鏡的目的，使得學生將大腦中的圖像轉(zhuǎn)為三維結(jié)構(gòu)，教師則通過語音來解釋同一種礦物/不同礦物因為切面導致的各種光學現(xiàn)象。主要涵蓋：（1）在單偏光鏡下多色性、解理、突起和貝克線等晶體光學性質(zhì)的資源庫內(nèi)容，比如：薄片中均為角閃石礦物，但在單偏光鏡下為什么不同的角閃石礦物顆粒會呈現(xiàn)出不同的解理特征（如一組完全解理或菱形式解理）；在旋轉(zhuǎn)載物臺時，角閃石礦物為什么會顯現(xiàn)出多色性且不同的礦物顆粒多色性顏色不一（圖1）。（2）在正交鏡下干涉色、消光和延性等晶體光學性質(zhì)的資源庫內(nèi)容，如在正交偏光鏡下同一類型礦物為什么會顯示出不同程度的干涉色？通過楔形法則和補色法則如何判斷干涉色的級序？（3）在錐光鏡下干涉圖和光性正負等晶體光學性質(zhì)的資源庫內(nèi)容。

通過對“晶體光學”這門課程重點和難點內(nèi)容的資源庫建設，可以使得學生僅需短暫的時間，就可以“漫游”在偏光顯微鏡下某種礦物晶體光學性質(zhì)的整個數(shù)據(jù)空間，直接“面對面”觀測和旁白加上實踐操作能帶來深刻的理解，使得學生掌握學習“晶體光學”這門課程的方法，激發(fā)學生的熱情，從而提高“晶體光學”這門課程的學習效率。

二、交互式技術的鑲嵌

交互即輸入和輸出［3］，它是虛擬仿真教學的重要組成部分，是實現(xiàn)沉浸式學習和地球科學研究的必要手段。虛擬系統(tǒng)中的輸入方式主要包括自身的操作、場景的操作和3D交互界面的操作等三方面內(nèi)容［2］。輸出則主要針對學生的視覺，因為這占據(jù)了人類五類感官獲取信息量的70%［10］。由于“晶體光學”課程在40個學時中實驗課課時就達24個學時，學生在實驗室可以通過輸入操作實踐偏光顯微鏡來觀察不同巖石薄片中同一種或不同礦物的晶體光學性質(zhì)這一部分的內(nèi)容。

“晶體光學”課程虛擬現(xiàn)實技術中的交互方式的輸入主要采用自身操作和場景操作兩部分。自身操作是指學生通過自己身體的自然移動對知識點進行直接探索，如通過手勢的舞動來切割光率體探索一軸晶礦物和二軸晶礦物的不同切面類型。這種交互輸入方式在目前市場中比較容易實現(xiàn)。場景操作則是作為補充手段，即更多的是采取對場景中物體的操作，比如：移動顯微鏡其他部件從而觀察偏光的形成，旋轉(zhuǎn)光率體觀察不同的切面特征以及偏光顯微鏡的偏光為什么會發(fā)生干涉、單偏光通過礦物是為什么雙折射等。這一類技術的鑲嵌主要針對人的視覺和聽覺，前者是增強學生對三維空間立體圖形轉(zhuǎn)換和晶體光學中關鍵知識點的理解，后者則是通過旁白加強學生的記憶和掌握度。此外，根據(jù)“晶體光學”這門課程的特殊性，也會開發(fā)一些其他的交互功能，如薄片的磨制、偏光顯微鏡的校正等。

就“晶體光學”這門課程而言，虛擬系統(tǒng)的初級交互方式就能實現(xiàn)對知識難點和關鍵點的沉浸式學習，相對傳統(tǒng)的教室理論教學和實驗室顯微鏡觀察教學方式，虛擬仿真教學可以體現(xiàn)出強大的空間展示和分析能力，能夠幫助教師更加有效地與知識點和學生進行交互，讓學生通過自身操作和場景操作進行沉浸式學習和分析。

三、實施手段

在“晶體光學”課程資源庫建設完成之后，對每節(jié)理論課和實驗課的重點和難點進行分析，課前通知學生對照學習內(nèi)容進行準備并可以進入資源庫進行自身操作和場景操作。在理論課學習過程中，不僅有傳統(tǒng)教學方式，也可以通過觀看三維視頻和教師講解相結(jié)合的方式，提高學生的積極性和學習效率，達到了解和指導等層次的學習；在實驗課時，則在顯微鏡觀察的基礎上，加入虛擬仿真教學內(nèi)容，比如：針對顯微鏡下典型礦物、典型切面的晶體光學性質(zhì)，從資源庫中選取對應的場景進行操作，在選取偏光鏡下角閃石的菱形解理（圖1），學生通過虛擬現(xiàn)實技術，切取角閃石晶體垂直于C軸的切面，透過單偏光從而形成該光學現(xiàn)象，經(jīng)過多次這樣的觀察和交互式學習，學生可以有效地建立起三維空間思維。在實踐操作和虛擬仿真教學相結(jié)合的方式中達到掌握等層次的學習效果，從而加深對重點知識和難點問題的理解，激發(fā)學生對“晶體光學”課程學習的主觀能動性，提升他們的創(chuàng)新能力。

課后，教師主要通過教學過程記錄和實驗報告的成績了解學生在本節(jié)課程中學習的情況，對依然存在的疑難問題進行歸類和統(tǒng)計。隨后，針對出現(xiàn)的共同難點進行再次指導，或者通過學習小組，討論自身操作和場景物體操作的學習體會，從而使得師生之間和生生之間的交流更加緊密，及時解決本節(jié)課的難點問題。

結(jié)語

基于虛擬現(xiàn)實技術建設的資源庫，給“晶體光學”課程的實驗課教學帶來了更多的授課模式，使得學生通過交互式的自身操作和場景物體操作，以及單偏光顯微鏡實踐操作的疊加學習，可以提高三維空間思維，激發(fā)學生學習的積極性和能動性，從而更有效地了解和掌握晶體光學的各知識點。然而正如前面描述的一樣，“晶體光學”是一門實踐性特別強的課程，教學實驗室偏光顯微鏡的觀察和使用才是這門課程的根本，如果學生未能掌握顯微鏡的使用和通過操作顯微鏡鑒定礦物類型，那就舍本逐末了，因此在實驗課的過程中，如何平衡顯微鏡觀察和使用與虛擬仿真之間的時間分配，是一個非常關鍵的問題。此外，已有大量實例表明使用虛擬設備容易眩暈，這很關乎虛擬仿真教學的實際效果。尤其是對少部分人群，虛擬仿真教學的方式反而浪費了他們的實踐學習時間并造成了對沉浸式學習的“恐懼”。

虛擬現(xiàn)實技術被認為是未來主流的顯示技術，如果能更好地提升硬件和軟件來增強沉浸式學習的效果、可交互性并突破空間的限制，對于“晶體光學”課程的教學來說，它將發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻

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The Application of Virtual Reality Technology in Crystal Optics Course

JIANG Xing-fu1a，1b， CHEN Jing2， HAN Yi-fei1a， ZHOU Shi-hao1a

（1. a. School of Earth Science， b. State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment， East China University of Technology， Nanchang， Jiangxi 330013， China; 2. School of Economics and Management， China University of Geosciences， Wuhan， Hubei 430078， China）

Abstract： For Crystal Optics， the students need to have relatively good three-dimensional thought and practical ability， and the traditional teaching mode is no longer able to reduce the difficulty of students from the geological major， which is necessary to be renewed. Virtual Reality is a technological mean to visualize data， and achieves a series of important results in the geological field. The difficult problems and important points of curriculum resources constructed by method of virtual reality technology provide learning mode of interactive scene operation. In combination of practical learning of polarizing microscope in the laboratory course， the students could achieve the levels of understanding， recognition， comprehending and proficiency， thereby promoting the teaching quality and teaching effect of Crystal Optics course.

Key words： virtual reality technology; Crystal Optics; interactive learning