［摘 要］ “晶體光學(xué)”課程是一門要求學(xué)生具有較好立體空間思維和較強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力的課程，傳統(tǒng)教學(xué)模式無(wú)法降低地質(zhì)學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，因此有必要加入其他的教學(xué)手段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以可視化數(shù)據(jù)的手段，并已在地球科學(xué)領(lǐng)域取得一系列的重要成果?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)建設(shè)的“晶體光學(xué)”課程重點(diǎn)和難點(diǎn)的資源庫(kù)，可以使得學(xué)生通過(guò)交互式的場(chǎng)景物體操作和自身操作，以及偏光顯微鏡的實(shí)踐操作多重學(xué)習(xí)，達(dá)到了解、知道、領(lǐng)會(huì)和掌握等層次的學(xué)習(xí)，從而有效提高“晶體光學(xué)”課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］ 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；晶體光學(xué)；交互式學(xué)習(xí)

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

［作者簡(jiǎn)介］ 蔣幸福（1986—），男，湖南常德人，博士，東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事前寒武紀(jì)大地構(gòu)造和核廢物地質(zhì)庫(kù)選址研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2025）06-0137-04 ［收稿日期］ 2023-11-10

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality， VR）是指在虛擬的三維世界里，體驗(yàn)者通過(guò)多方感官體驗(yàn)達(dá)到身臨其境的效果。近年來(lái)，該技術(shù)已深入應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，并取得了一定成果［1-2］。在地球科學(xué)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(jìn)展［3］，尤其是疊加多個(gè)地質(zhì)場(chǎng)景功能，將復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和多維度的演化過(guò)程直觀立體地展示出來(lái)，不僅可以有效降低初入地球科學(xué)領(lǐng)域?qū)W生專業(yè)學(xué)習(xí)的難度，也可以有效助力地球科學(xué)領(lǐng)域的科普教育工作。

晶體光學(xué)是一門研究可見光透過(guò)礦物晶體所引發(fā)反射、折射、偏光、干涉等光學(xué)現(xiàn)象及其規(guī)律的學(xué)科，在光率體這一立體幾何圖形的理論基礎(chǔ)上，通過(guò)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(xué)生具有較好的立體空間思維和較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力。這門課主要是為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)“火成巖巖石學(xué)”“沉積巖巖石學(xué)”和“變質(zhì)巖巖石學(xué)”等課程奠定單偏光顯微鏡測(cè)定透明礦物的基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)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(xué)改革中開始流行［5-7］，并利用超星平臺(tái)和CAI軟件等手段打破傳統(tǒng)教學(xué)的模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［8-9］。然而這些教育形式和手段并不能有效地增強(qiáng)學(xué)生對(duì)三維空間立體圖形轉(zhuǎn)換的理解，但虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為解決這個(gè)難題提供了可能。

虛擬仿真教學(xué)是一種將課本上的理論知識(shí)融入實(shí)踐的教學(xué)方法，將傳統(tǒng)的教學(xué)智能化、虛擬化，讓學(xué)生能身臨其境，對(duì)虛擬空間中的情況展現(xiàn)出的知識(shí)難點(diǎn)有直觀的認(rèn)識(shí)。事實(shí)上，虛擬仿真教學(xué)必須遵循現(xiàn)實(shí)的教學(xué)原則和規(guī)律，且以知識(shí)難點(diǎn)模擬為基礎(chǔ)，為學(xué)生創(chuàng)造出更加生動(dòng)的教學(xué)場(chǎng)景，從而幫助學(xué)生更好地了解課本知識(shí)點(diǎn)和自身對(duì)內(nèi)容的掌握度，提高學(xué)習(xí)效率。

一、資源庫(kù)的建設(shè)

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

光率體和雙折射率概念是“晶體光學(xué)”這門課的基礎(chǔ)，貫穿了本課程的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程。光率體概念資源庫(kù)建設(shè)主要包括光率體的形成和切面兩個(gè)內(nèi)容，這里著重建設(shè)的是切面資源庫(kù)，因?yàn)椴煌鈱W(xué)性質(zhì)礦物的光率體形態(tài)不一，導(dǎo)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(xué)性質(zhì)。雙折射率概念的資源庫(kù)建設(shè)主要為單偏光在礦物傳播過(guò)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(jìn)行資源庫(kù)建設(shè)過(guò)程中引入常光、非常光、光軸、光學(xué)主軸等基本概念。

單偏光、正交偏光和錐光鏡下晶體光學(xué)性質(zhì)的資源庫(kù)建設(shè)，主要是通過(guò)可視化方法來(lái)達(dá)到學(xué)生操作偏光顯微鏡的目的，使得學(xué)生將大腦中的圖像轉(zhuǎn)為三維結(jié)構(gòu)，教師則通過(guò)語(yǔ)音來(lái)解釋同一種礦物/不同礦物因?yàn)榍忻鎸?dǎo)致的各種光學(xué)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(xué)性質(zhì)的資源庫(kù)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(huì)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(tái)時(shí)，角閃石礦物為什么會(huì)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(xué)性質(zhì)的資源庫(kù)內(nèi)容，如在正交偏光鏡下同一類型礦物為什么會(huì)顯示出不同程度的干涉色？通過(guò)楔形法則和補(bǔ)色法則如何判斷干涉色的級(jí)序？（3）在錐光鏡下干涉圖和光性正負(fù)等晶體光學(xué)性質(zhì)的資源庫(kù)內(nèi)容。

通過(guò)對(duì)“晶體光學(xué)”這門課程重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容的資源庫(kù)建設(shè)，可以使得學(xué)生僅需短暫的時(shí)間，就可以“漫游”在偏光顯微鏡下某種礦物晶體光學(xué)性質(zhì)的整個(gè)數(shù)據(jù)空間，直接“面對(duì)面”觀測(cè)和旁白加上實(shí)踐操作能帶來(lái)深刻的理解，使得學(xué)生掌握學(xué)習(xí)“晶體光學(xué)”這門課程的方法，激發(fā)學(xué)生的熱情，從而提高“晶體光學(xué)”這門課程的學(xué)習(xí)效率。

二、交互式技術(shù)的鑲嵌

交互即輸入和輸出［3］，它是虛擬仿真教學(xué)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)沉浸式學(xué)習(xí)和地球科學(xué)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(chǎng)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(duì)學(xué)生的視覺，因?yàn)檫@占據(jù)了人類五類感官獲取信息量的70%［10］。由于“晶體光學(xué)”課程在40個(gè)學(xué)時(shí)中實(shí)驗(yàn)課課時(shí)就達(dá)24個(gè)學(xué)時(shí)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室可以通過(guò)輸入操作實(shí)踐偏光顯微鏡來(lái)觀察不同巖石薄片中同一種或不同礦物的晶體光學(xué)性質(zhì)這一部分的內(nèi)容。

“晶體光學(xué)”課程虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的交互方式的輸入主要采用自身操作和場(chǎng)景操作兩部分。自身操作是指學(xué)生通過(guò)自己身體的自然移動(dòng)對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行直接探索，如通過(guò)手勢(shì)的舞動(dòng)來(lái)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(chǎng)中比較容易實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)景操作則是作為補(bǔ)充手段，即更多的是采取對(duì)場(chǎng)景中物體的操作，比如：移動(dòng)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(huì)發(fā)生干涉、單偏光通過(guò)礦物是為什么雙折射等。這一類技術(shù)的鑲嵌主要針對(duì)人的視覺和聽覺，前者是增強(qiáng)學(xué)生對(duì)三維空間立體圖形轉(zhuǎn)換和晶體光學(xué)中關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的理解，后者則是通過(guò)旁白加強(qiáng)學(xué)生的記憶和掌握度。此外，根據(jù)“晶體光學(xué)”這門課程的特殊性，也會(huì)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(xué)”這門課程而言，虛擬系統(tǒng)的初級(jí)交互方式就能實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)的沉浸式學(xué)習(xí)，相對(duì)傳統(tǒng)的教室理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室顯微鏡觀察教學(xué)方式，虛擬仿真教學(xué)可以體現(xiàn)出強(qiáng)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(shí)點(diǎn)和學(xué)生進(jìn)行交互，讓學(xué)生通過(guò)自身操作和場(chǎng)景操作進(jìn)行沉浸式學(xué)習(xí)和分析。

三、實(shí)施手段

在“晶體光學(xué)”課程資源庫(kù)建設(shè)完成之后，對(duì)每節(jié)理論課和實(shí)驗(yàn)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行分析，課前通知學(xué)生對(duì)照學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行準(zhǔn)備并可以進(jìn)入資源庫(kù)進(jìn)行自身操作和場(chǎng)景操作。在理論課學(xué)習(xí)過(guò)程中，不僅有傳統(tǒng)教學(xué)方式，也可以通過(guò)觀看三維視頻和教師講解相結(jié)合的方式，提高學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)效率，達(dá)到了解和指導(dǎo)等層次的學(xué)習(xí)；在實(shí)驗(yàn)課時(shí)，則在顯微鏡觀察的基礎(chǔ)上，加入虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容，比如：針對(duì)顯微鏡下典型礦物、典型切面的晶體光學(xué)性質(zhì)，從資源庫(kù)中選取對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景進(jìn)行操作，在選取偏光鏡下角閃石的菱形解理（圖1），學(xué)生通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，切取角閃石晶體垂直于C軸的切面，透過(guò)單偏光從而形成該光學(xué)現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)多次這樣的觀察和交互式學(xué)習(xí)，學(xué)生可以有效地建立起三維空間思維。在實(shí)踐操作和虛擬仿真教學(xué)相結(jié)合的方式中達(dá)到掌握等層次的學(xué)習(xí)效果，從而加深對(duì)重點(diǎn)知識(shí)和難點(diǎn)問(wèn)題的理解，激發(fā)學(xué)生對(duì)“晶體光學(xué)”課程學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提升他們的創(chuàng)新能力。

課后，教師主要通過(guò)教學(xué)過(guò)程記錄和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績(jī)了解學(xué)生在本節(jié)課程中學(xué)習(xí)的情況，對(duì)依然存在的疑難問(wèn)題進(jìn)行歸類和統(tǒng)計(jì)。隨后，針對(duì)出現(xiàn)的共同難點(diǎn)進(jìn)行再次指導(dǎo)，或者通過(guò)學(xué)習(xí)小組，討論自身操作和場(chǎng)景物體操作的學(xué)習(xí)體會(huì)，從而使得師生之間和生生之間的交流更加緊密，及時(shí)解決本節(jié)課的難點(diǎn)問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建設(shè)的資源庫(kù)，給“晶體光學(xué)”課程的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)帶來(lái)了更多的授課模式，使得學(xué)生通過(guò)交互式的自身操作和場(chǎng)景物體操作，以及單偏光顯微鏡實(shí)踐操作的疊加學(xué)習(xí)，可以提高三維空間思維，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和能動(dòng)性，從而更有效地了解和掌握晶體光學(xué)的各知識(shí)點(diǎn)。然而正如前面描述的一樣，“晶體光學(xué)”是一門實(shí)踐性特別強(qiáng)的課程，教學(xué)實(shí)驗(yàn)室偏光顯微鏡的觀察和使用才是這門課程的根本，如果學(xué)生未能掌握顯微鏡的使用和通過(guò)操作顯微鏡鑒定礦物類型，那就舍本逐末了，因此在實(shí)驗(yàn)課的過(guò)程中，如何平衡顯微鏡觀察和使用與虛擬仿真之間的時(shí)間分配，是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。此外，已有大量實(shí)例表明使用虛擬設(shè)備容易眩暈，這很關(guān)乎虛擬仿真教學(xué)的實(shí)際效果。尤其是對(duì)少部分人群，虛擬仿真教學(xué)的方式反而浪費(fèi)了他們的實(shí)踐學(xué)習(xí)時(shí)間并造成了對(duì)沉浸式學(xué)習(xí)的“恐懼”。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被認(rèn)為是未來(lái)主流的顯示技術(shù)，如果能更好地提升硬件和軟件來(lái)增強(qiáng)沉浸式學(xué)習(xí)的效果、可交互性并突破空間的限制，對(duì)于“晶體光學(xué)”課程的教學(xué)來(lái)說(shuō)，它將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

［1］ZHAO Q P. A survey on virtual reality［J］.Science in China series F： Information sciences，2009，52（3）：348-400．

［2］徐穎，歐健俊，鄧文博.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究與探討［J］.教育現(xiàn)代化，2020，7（16）：92-93.

［3］羅珽，冷偉.沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地球科學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，51（6）：431-440．

［4］林培英.晶體光學(xué)與造巖礦物［M］.8版.北京：地質(zhì)出版社，2018：1-68.

［5］吳靜，聶運(yùn)菊，程朋根，等.GIS專業(yè)英語(yǔ)混合教學(xué)模式設(shè)計(jì)研究［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2019，38（1）：59-61．

［6］張艷梅，張衛(wèi)民，孫鑫，等.基于“微課”教學(xué)的“給排水科學(xué)與工程概論”的教改研究［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2019，38（3）：285-288．

［7］梁麗萍.基于微課的大學(xué)英語(yǔ)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2017，36（4）：361-364．

［8］丁蘭蘭，郭瑞，孫航，等.論超星學(xué)習(xí)通在教學(xué)中的應(yīng)用：以東華理工大學(xué)“晶體光學(xué)”課程為例［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2020，39（5）：474-477．

［9］杜后發(fā)，江琴，劉軍港，等.《晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程》多媒體CAI軟件的設(shè)計(jì)和制作［J］.中國(guó)地質(zhì)教育，2010（3）：74-77.

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