田 豐，潘 浩，張文俊，劉錦高

（1.上海大學(xué) 影視藝術(shù)技術(shù)學(xué)院 影視工程系，上海 200072；2.華東師范大學(xué) 信息學(xué)院，上海 200062）

早期的教育模式主要以課本教材為主，隨著技術(shù)的進(jìn)步，課堂教學(xué)輔助設(shè)備也在不斷更新，比如幻燈片投影以及計算機(jī)輔助教學(xué)都在相應(yīng)階段取得了較好的教學(xué)效果。將信息技術(shù)有效地融入各學(xué)科成為業(yè)內(nèi)共識。這種方式營造了一種信息化教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了一種既能發(fā)揮教師主導(dǎo)作用又能充分體現(xiàn)學(xué)生主體地位的以“自主、探究、合作”為特征的教與學(xué)方式，從而把學(xué)生的主動性、積極性、創(chuàng)造性較充分地發(fā)揮出來，使傳統(tǒng)的以教師為中心的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性變革[1]。對于未來的教學(xué)，應(yīng)該更注重合理利用不斷發(fā)展的新技術(shù)來引導(dǎo)學(xué)生在正確理解知識的同時能夠開拓思路、發(fā)散思維，將理論與實(shí)踐結(jié)合起來[2]。

在自然科學(xué)的教學(xué)過程中，通常會涉及具體結(jié)構(gòu)，比如三維幾何模型、化學(xué)分子結(jié)構(gòu)等，目前在教學(xué)方式上只能局限在平面顯示上。如何突破基于二維圖像教學(xué)而實(shí)現(xiàn)三維立體互動的教學(xué)，是未來理、工、醫(yī)科教學(xué)模式改進(jìn)的一個新的思路和方向。

真三維顯示是一種全新的立體圖像顯示技術(shù)，可允許多人多角度同時觀察所展示的三維立體影像，給人獨(dú)特新穎的視覺感受與體驗(yàn)。真三維技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)已在展覽展示、醫(yī)學(xué)影像等特殊領(lǐng)域得到部分應(yīng)用。大量的新技術(shù)將在未來課堂中使用，而真三維顯示系統(tǒng)作為關(guān)鍵的教學(xué)輔助設(shè)備，將有望與未來教學(xué)相融合。本文結(jié)合高清晰真三維顯示系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢，討論了真三維顯示在教學(xué)互動過程中的作用，并對真三維技術(shù)在未來教學(xué)上的應(yīng)用作出展望。

1 真三維技術(shù)在未來教學(xué)中的應(yīng)用探討

1.1 真三維技術(shù)簡述

裸視立體顯示是一種無需佩戴特殊眼鏡就可獲得立體影像的技術(shù)。裸視立體顯示技術(shù)主要包含全息三維顯示、自由立體顯示和體顯示技術(shù)。全息三維顯示技術(shù)重構(gòu)物體光波，存在顯示環(huán)境要求高，不能大面積應(yīng)用等問題[3－4]。自由立體顯示使用柱透鏡等材料，它通過雙眼視差形成立體視覺[5－7]。自由立體顯示器把屏幕分割成多個視區(qū)，存在的缺陷主要有：單視區(qū)分辨力降低；長時間觀看將產(chǎn)生眩暈；立體空間比例失真；立體視區(qū)間存在一定互擾；視點(diǎn)少；難以實(shí)現(xiàn)垂直視差；不能360°環(huán)視。

真三維技術(shù)通過適當(dāng)方式激勵顯示體內(nèi)的介質(zhì)產(chǎn)生可見光輻射形成體像素。每個體元的亮度和色彩可控，體元的空間位置真實(shí)地體現(xiàn)在三維顯示系統(tǒng)中，從而組成真正意義上的三維空間圖像。真三維顯示表達(dá)物理景深且能展示一個最接近真實(shí)物體的立體畫面，符合人們觀察世界的真實(shí)感受，滿足所有生理和心理的深度暗示。一般真三維顯示系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全角度裸眼觀看，較其他兩種裸視立體顯示技術(shù)，更接近于最終的顯示目標(biāo)[8－10]。

按顯示原理，真三維顯示可分為靜態(tài)體顯示和掃描體顯示[11]。靜態(tài)體顯示能在一個固定的空間中產(chǎn)生體像素。靜態(tài)體顯示通常使用紅外上轉(zhuǎn)換技術(shù)，較高功率的紅外激光將會對眼睛帶來傷害?；隗w掃描的真三維技術(shù)是依靠機(jī)械裝置的周期性運(yùn)動來產(chǎn)生體像素。體掃描使用可見光成像，對眼睛無害。除掃描機(jī)械部件限制外，體掃描空間尺寸不受其他因素制約。

1.2 真三維技術(shù)在國內(nèi)的進(jìn)展

在國內(nèi)，浙江大學(xué)、華東師范大學(xué)和上海大學(xué)等單位都對真三維顯示進(jìn)行了大量的研究。用電機(jī)作為轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動，利用平面顯示陣列構(gòu)成圖像源，圍繞中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，可掃描出一個三維圓柱體空間。LED點(diǎn)光源作為平面顯示陣列的基本單元。圖1a給出了基于柱空間體掃描的真三維顯示結(jié)構(gòu)，其硬件系統(tǒng)包括LED顯示面板、顯示掃描電路、主控制器、直流穩(wěn)壓電源、交流電刷、交流電機(jī)、電機(jī)調(diào)速器、轉(zhuǎn)臺、底座等。圖1b給出課題組研發(fā)的第一臺單色低分辨力真三維顯示系統(tǒng)。

真三維顯示通過全角度立體感官刺激來幫助人們理解模型的結(jié)構(gòu)，已成功應(yīng)用于商業(yè)展覽展示中，且獲得了參觀者的認(rèn)同。為了發(fā)掘真三維技術(shù)在教育領(lǐng)域的價值，課題組設(shè)計了基于LED的高分辨力真三維顯示器，在附屬學(xué)校和課題組所在學(xué)院內(nèi)試用，取得了部分用戶反饋信息，這些信息為下一步在教學(xué)上的研究提供了必要的線索。總結(jié)系統(tǒng)在教學(xué)上的使用情況，并對真三維技術(shù)在未來教學(xué)上的應(yīng)用作出展望。

2 真三維技術(shù)輔助未來教學(xué)的優(yōu)勢

2.1 自然科學(xué)對教具的需求現(xiàn)狀

與文科教學(xué)不同，自然科學(xué)的教學(xué)過程是一個知識理解、知識深化和知識創(chuàng)造的過程，其教學(xué)目的是希望學(xué)生通過掌握基礎(chǔ)理論認(rèn)識客觀世界，利用現(xiàn)有的技術(shù)與方法解決實(shí)際問題、研發(fā)新的成果，而非僅僅“紙上談兵”。教材配圖的作用是讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容有個相對直觀的認(rèn)識，從而促進(jìn)理解、加深印象，但這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。經(jīng)調(diào)查，中學(xué)生往往對數(shù)學(xué)中的空間立體幾何、物理學(xué)中的運(yùn)動模擬、化學(xué)中的分子結(jié)構(gòu)以及生物學(xué)中的人體器官結(jié)構(gòu)等內(nèi)容理解較為困難，原因就是此類知識無法通過教材中的二維插圖完整體現(xiàn)出來，僅靠想象難免會產(chǎn)生理解偏差，更難以達(dá)到知識深化與知識創(chuàng)造。為了彌補(bǔ)平面配圖的缺陷，很多課程配備了實(shí)物模型幫助學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容。傳統(tǒng)的教學(xué)方式利用實(shí)物或者教師自制的簡單模型，但攜帶困難；根據(jù)教學(xué)內(nèi)容更改模型的難度較大；自制模型簡單，缺少變化；花費(fèi)教師大量時間。如果沒有模型，僅僅依靠講解，想把一個立體結(jié)構(gòu)講清楚是很困難的。

因此，一種能替代實(shí)物模型進(jìn)行自然科學(xué)教學(xué)的終端系統(tǒng)十分必要。系統(tǒng)能根據(jù)教學(xué)內(nèi)容演示靜態(tài)和動態(tài)幾何模型。呈現(xiàn)的虛擬物體具有較高的圖像分辨力；虛擬物體的亮度達(dá)到室內(nèi)觀看的要求；可實(shí)現(xiàn)360°裸視立體顯示；具有一定的顯示體積，可繪制常用的教學(xué)模型教具；系統(tǒng)體積小，便于搬運(yùn)；可識別使用者的簡單手勢，支持人機(jī)互動。

2.2 轉(zhuǎn)化平面抽象為三維具象

從知識理解層面來講，人的大腦總是對直觀具體的事物的理解深于間接抽象的事物。真三維顯示技術(shù)可在空間繪制模型圖像，利用此技術(shù)輔助自然科學(xué)教學(xué)可以真實(shí)地將書本中無法完整體現(xiàn)的信息展現(xiàn)出來，以三維影像代替二維插圖，快速高效地向?qū)W生展示更加直觀準(zhǔn)確的信息。比如在數(shù)學(xué)教學(xué)中展現(xiàn)空間幾何體的分解、組合、展開、投影等過程，真三維技術(shù)將加深學(xué)生對空間幾何體的認(rèn)識。又比如在生物課程中，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)二維圖像雖然清晰標(biāo)注了分子成分與大小，但投影的二維圖像失去了模型背面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而真三維顯示技術(shù)可展示模型所有表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的感染力和表現(xiàn)力。復(fù)雜及互動的立體模型展示正是真三維技術(shù)的優(yōu)勢。真三維技術(shù)輔以教學(xué)，將抽象知識具體化，平面書本三維立體化，有利于學(xué)生對原理及模型建立深刻的印象，有利于深入理解所學(xué)知識。

2.3 提升興趣、提高學(xué)習(xí)效率

從知識深化層面來講，將真三維技術(shù)融合于自然科學(xué)的教學(xué)過程中，可以幫助學(xué)生加深對知識的理解與記憶。現(xiàn)階段的教學(xué)大都主張形象化教學(xué)、趣味性教學(xué)，而非早期的死記硬背。例如在學(xué)習(xí)人體解剖學(xué)過程中，人體骨骼形態(tài)、人體內(nèi)臟器官形態(tài)等內(nèi)容名詞繁雜，枯燥難記，憑借教科書中的二維圖像，需要很好的空間想象力才能完成各個結(jié)構(gòu)的記憶，不僅學(xué)生在學(xué)的過程中比較吃力，而且教師在授課過程中也存在一定的難度。如圖1c所示，利用真三維技術(shù)展示頭骨形態(tài)，在教與學(xué)的過程中都可以360°觀察整個頭骨，同時學(xué)生可以與模型進(jìn)行互動，通過放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、組合等操作更加清晰準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)各個部位。據(jù)研究人員表明，多種感知參與的學(xué)習(xí)活動有利于提高記憶力，真三維技術(shù)的使用可最大程度調(diào)動學(xué)生的多種感知，在學(xué)習(xí)過程中使大腦處于高度興奮狀態(tài)從而有利于學(xué)生在互動中提高記憶力和學(xué)習(xí)效率。

2.4 發(fā)散思維、開拓思路

從知識創(chuàng)造層面來講，先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展不僅需要數(shù)理化等理論知識作為基礎(chǔ)，更需要想象力和創(chuàng)造力來推動，這就需要教師在指導(dǎo)學(xué)生過程中不僅要將理論知識灌輸給學(xué)生，同樣也要盡力使學(xué)生接觸先進(jìn)的技術(shù)，真三維技術(shù)輔助教學(xué)的方法正是給予教師和學(xué)生一個接觸先進(jìn)數(shù)字媒體技術(shù)的機(jī)會。真三維顯示作為近幾年來迅速發(fā)展的技術(shù)，從概念、原理到方法都得到了全面發(fā)展，在教學(xué)中使用具有物理景深、自然逼真的三維靜止或動態(tài)的立體影像，無疑是給自然科學(xué)類教師以及學(xué)生一個全新的課堂體驗(yàn)。在學(xué)習(xí)課堂理論知識的同時更加認(rèn)識到現(xiàn)階段科技的發(fā)展進(jìn)程，更重要的是有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)方法和思維模式，使之避免僅僅局限于課本知識。

3 真三維技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用展望

3.1 真三維技術(shù)在數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

真三維技術(shù)能在空間立體幾何的教學(xué)中發(fā)揮專長。在懸浮的空間中繪制頂點(diǎn)、線段、立方體、球體等各種簡單的三維模型，可替代實(shí)物模型的演示（見圖2）。

以立體幾何中的重要定理“三垂線定理”為例。在學(xué)習(xí)三垂線定理的過程中，感到困難的是分辨直線與直線之間的位置關(guān)系，加上題目中往往線條較多，加大了判斷難度。另外，許多同學(xué)對定理內(nèi)容不清楚，導(dǎo)致做題時思路混亂。在講授三垂線定理的過程中，首先在空間中繪制長方形作為基礎(chǔ)平面，然后利用空間鼠標(biāo)讓同學(xué)自由選擇平面內(nèi)的O點(diǎn)和平面外的P點(diǎn)，系統(tǒng)確認(rèn)輸入后連接OP兩點(diǎn)，系統(tǒng)繪制P點(diǎn)到平面的垂線，交點(diǎn)為A，連接OA，同學(xué)自由選擇平面內(nèi)的一點(diǎn)Q，確認(rèn)后系統(tǒng)作過Q點(diǎn)且與OA垂直的直線L，根據(jù)定理標(biāo)注直線L和OP垂直。

學(xué)習(xí)定理之后，可根據(jù)教案布置與定理相關(guān)的課堂例題。按題目的要求繪制頂點(diǎn)、線段等幾何圖元，用文字標(biāo)注幾何圖元，以及在空間中與題目一致的幾何圖形。同學(xué)根據(jù)答題要求，操作空間鼠標(biāo)，完成答題的整個過程。

3.2 真三維技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用

物理知識與實(shí)踐緊密聯(lián)系，許多知識是實(shí)踐觀察的總結(jié)，就更應(yīng)以實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)，讓學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程中學(xué)習(xí)物理。以彈簧振子運(yùn)動實(shí)驗(yàn)為例（見圖3），同學(xué)選擇不同勁度系數(shù)的彈簧和不同質(zhì)量的砝碼，在真三維顯示器上出現(xiàn)被選參數(shù)彈簧和砝碼，按計算機(jī)計算的振動周期實(shí)時繪制彈簧的變形情況。同學(xué)記錄不同參數(shù)下的振動周期，分析彈簧振子的運(yùn)動周期與振子質(zhì)量、彈簧勁度系數(shù)、振子振幅之間的關(guān)系。

3.3 真三維技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

化學(xué)教學(xué)希望做到深入淺出、生動有趣、直觀性強(qiáng)，以激發(fā)學(xué)生的興趣?；瘜W(xué)中的分子結(jié)構(gòu)只能用實(shí)物模型表示，而大量的實(shí)物模型不利于存儲、運(yùn)輸和維護(hù)。在教學(xué)過程中教師拿出分子結(jié)構(gòu)實(shí)物模型，講解模型內(nèi)的元素和分子鏈。模型是實(shí)物，不能變形，這對于表達(dá)化學(xué)反應(yīng)是無能為力的。在講授化學(xué)反應(yīng)的過程和結(jié)果中，利用真三維系統(tǒng)描述運(yùn)動三維空間結(jié)構(gòu)的特性（見圖4），制作分子反應(yīng)的動畫，能形象地描述化學(xué)反應(yīng)中，分子破裂成原子，原子重新排列組合生成新物質(zhì)的過程。

3.4 真三維技術(shù)在機(jī)械設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計與教學(xué)中，常用到AUTOCAD、PRO/E等設(shè)計軟件。它們都是基于平面顯示的三維設(shè)計。影片《鋼鐵俠》中外殼機(jī)器人的設(shè)計過程給觀眾留下了深刻印像。雖然它由計算機(jī)影視特效產(chǎn)生，但它所用的技術(shù)背景就是真三維互動與顯示技術(shù)。真三維互動設(shè)計實(shí)現(xiàn)了空間顯示的三維設(shè)計，設(shè)計的模型與實(shí)物成等比例縮放關(guān)系。三維CAD軟件擁有大量的模型結(jié)構(gòu)庫，零件本身就由三維數(shù)據(jù)表達(dá)。在未來，真三維顯示系統(tǒng)將與三維CAD軟件對接，教師以立體顯示內(nèi)容為藍(lán)本，講述常用機(jī)構(gòu)、傳動與軸系零件。同學(xué)們不需要去嘈雜的實(shí)驗(yàn)室聽實(shí)驗(yàn)課，就能夠在課堂上進(jìn)行虛擬設(shè)計與拆裝實(shí)驗(yàn)（見圖5）。

3.5 真三維技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

把真三維技術(shù)作為醫(yī)學(xué)教學(xué)的基本手段，能讓醫(yī)科生更真實(shí)地掌握生理組織結(jié)構(gòu)，減少標(biāo)本使用率。讓醫(yī)生快速掌握病人病灶和正常組織的空間位置，進(jìn)行術(shù)前的空間1∶1推演。真三維技術(shù)不但能在教學(xué)與仿真中得到應(yīng)用，它也可能被應(yīng)用到腫瘤放療、介入治療等手術(shù)治療過程中。

以腦動脈瘤介入治療教學(xué)為例，圖形工作站接收并存儲醫(yī)學(xué)影像設(shè)備獲取的DICOM格式的原始影像畫面；真三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器從圖形工作站獲取原始圖像數(shù)據(jù)，由轉(zhuǎn)換器硬件完成原始圖像的分割、三維建模、真三維路徑圖生成；存儲病例的真三維數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的教學(xué)推演。在真三維顯示器上繪制記錄的三維腦血管路徑圖，繪制的影像包含了動脈瘤的瘤頸、瘤體和生長方向，為導(dǎo)管和材料選擇提供直觀的依據(jù)。在空間路徑圖的導(dǎo)向下，同學(xué)使用空間鼠標(biāo)把微導(dǎo)管引入虛擬動脈瘤腔內(nèi)，確保頭端處在動脈瘤腔中部，輸送彈簧圈進(jìn)入動脈瘤，在真三維路徑圖上觀察羅現(xiàn)狀盤繞，判斷彈簧圈形態(tài)、成籃和填密閉情況，完成虛擬手術(shù)教學(xué)。

4 結(jié)論

信息技術(shù)能高效地傳遞教學(xué)信息，已成為課堂教學(xué)的主要手段之一，它在快速傳遞知識的同時，能加強(qiáng)學(xué)生對知識的理解，提高課堂趣味，開拓思路，培養(yǎng)更好的學(xué)習(xí)方法和思維模式。真三維技術(shù)與教學(xué)的融合能夠解決教與學(xué)過程中無法形象表示圖形、圖像的問題。盡管目前真三維技術(shù)還不能完全替代傳統(tǒng)的投影或電子白板等顯示技術(shù)，但利用真三維技術(shù)來輔助自然科學(xué)的教學(xué)是課堂與科技鏈接、理論與實(shí)踐結(jié)合的一個有效方式。這種先進(jìn)的、新穎的全方位三維顯示方式，能使教師在授課過程中不必拘泥于課本以及PPT等相對傳統(tǒng)的平面圖形，達(dá)到教學(xué)相長。

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