田 豐，潘 浩，張文俊，劉錦高

（1.上海大學 影視藝術技術學院 影視工程系，上海 200072；2.華東師范大學 信息學院，上海 200062）

早期的教育模式主要以課本教材為主，隨著技術的進步，課堂教學輔助設備也在不斷更新，比如幻燈片投影以及計算機輔助教學都在相應階段取得了較好的教學效果。將信息技術有效地融入各學科成為業(yè)內共識。這種方式營造了一種信息化教學環(huán)境，實現(xiàn)了一種既能發(fā)揮教師主導作用又能充分體現(xiàn)學生主體地位的以“自主、探究、合作”為特征的教與學方式，從而把學生的主動性、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結構發(fā)生根本性變革[1]。對于未來的教學，應該更注重合理利用不斷發(fā)展的新技術來引導學生在正確理解知識的同時能夠開拓思路、發(fā)散思維，將理論與實踐結合起來[2]。

在自然科學的教學過程中，通常會涉及具體結構，比如三維幾何模型、化學分子結構等，目前在教學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而實現(xiàn)三維立體互動的教學，是未來理、工、醫(yī)科教學模式改進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，可允許多人多角度同時觀察所展示的三維立體影像，給人獨特新穎的視覺感受與體驗。真三維技術發(fā)展迅速，現(xiàn)已在展覽展示、醫(yī)學影像等特殊領域得到部分應用。大量的新技術將在未來課堂中使用，而真三維顯示系統(tǒng)作為關鍵的教學輔助設備，將有望與未來教學相融合。本文結合高清晰真三維顯示系統(tǒng)應用優(yōu)勢，討論了真三維顯示在教學互動過程中的作用，并對真三維技術在未來教學上的應用作出展望。

1 真三維技術在未來教學中的應用探討

1.1 真三維技術簡述

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。裸視立體顯示技術主要包含全息三維顯示、自由立體顯示和體顯示技術。全息三維顯示技術重構物體光波，存在顯示環(huán)境要求高，不能大面積應用等問題[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；視點少；難以實現(xiàn)垂直視差；不能360°環(huán)視。

真三維技術通過適當方式激勵顯示體內的介質產(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。真三維顯示表達物理景深且能展示一個最接近真實物體的立體畫面，符合人們觀察世界的真實感受，滿足所有生理和心理的深度暗示。一般真三維顯示系統(tǒng)可實現(xiàn)全角度裸眼觀看，較其他兩種裸視立體顯示技術，更接近于最終的顯示目標[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換技術，較高功率的紅外激光將會對眼睛帶來傷害。基于體掃描的真三維技術是依靠機械裝置的周期性運動來產(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 真三維技術在國內的進展

在國內，浙江大學、華東師范大學和上海大學等單位都對真三維顯示進行了大量的研究。用電機作為轉臺的驅動，利用平面顯示陣列構成圖像源，圍繞中心轉軸旋轉，可掃描出一個三維圓柱體空間。LED點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構，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、電機調速器、轉臺、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構，已成功應用于商業(yè)展覽展示中，且獲得了參觀者的認同。為了發(fā)掘真三維技術在教育領域的價值，課題組設計了基于LED的高分辨力真三維顯示器，在附屬學校和課題組所在學院內試用，取得了部分用戶反饋信息，這些信息為下一步在教學上的研究提供了必要的線索?？偨Y系統(tǒng)在教學上的使用情況，并對真三維技術在未來教學上的應用作出展望。

2 真三維技術輔助未來教學的優(yōu)勢

2.1 自然科學對教具的需求現(xiàn)狀

與文科教學不同，自然科學的教學過程是一個知識理解、知識深化和知識創(chuàng)造的過程，其教學目的是希望學生通過掌握基礎理論認識客觀世界，利用現(xiàn)有的技術與方法解決實際問題、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生對所學內容有個相對直觀的認識，從而促進理解、加深印象，但這是遠遠不夠的。經(jīng)調查，中學生往往對數(shù)學中的空間立體幾何、物理學中的運動模擬、化學中的分子結構以及生物學中的人體器官結構等內容理解較為困難，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，更難以達到知識深化與知識創(chuàng)造。為了彌補平面配圖的缺陷，很多課程配備了實物模型幫助學生理解教學內容。傳統(tǒng)的教學方式利用實物或者教師自制的簡單模型，但攜帶困難；根據(jù)教學內容更改模型的難度較大；自制模型簡單，缺少變化；花費教師大量時間。如果沒有模型，僅僅依靠講解，想把一個立體結構講清楚是很困難的。

因此，一種能替代實物模型進行自然科學教學的終端系統(tǒng)十分必要。系統(tǒng)能根據(jù)教學內容演示靜態(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；虛擬物體的亮度達到室內觀看的要求；可實現(xiàn)360°裸視立體顯示；具有一定的顯示體積，可繪制常用的教學模型教具；系統(tǒng)體積小，便于搬運；可識別使用者的簡單手勢，支持人機互動。

2.2 轉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。真三維顯示技術可在空間繪制模型圖像，利用此技術輔助自然科學教學可以真實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，快速高效地向學生展示更加直觀準確的信息。比如在數(shù)學教學中展現(xiàn)空間幾何體的分解、組合、展開、投影等過程，真三維技術將加深學生對空間幾何體的認識。又比如在生物課程中，DNA雙螺旋結構二維圖像雖然清晰標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部結構，而真三維顯示技術可展示模型所有表面和內部結構，具有很強的感染力和表現(xiàn)力。復雜及互動的立體模型展示正是真三維技術的優(yōu)勢。真三維技術輔以教學，將抽象知識具體化，平面書本三維立體化，有利于學生對原理及模型建立深刻的印象，有利于深入理解所學知識。

2.3 提升興趣、提高學習效率

從知識深化層面來講，將真三維技術融合于自然科學的教學過程中，可以幫助學生加深對知識的理解與記憶?，F(xiàn)階段的教學大都主張形象化教學、趣味性教學，而非早期的死記硬背。例如在學習人體解剖學過程中，人體骨骼形態(tài)、人體內臟器官形態(tài)等內容名詞繁雜，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構的記憶，不僅學生在學的過程中比較吃力，而且教師在授課過程中也存在一定的難度。如圖1c所示，利用真三維技術展示頭骨形態(tài)，在教與學的過程中都可以360°觀察整個頭骨，同時學生可以與模型進行互動，通過放大、縮小、旋轉、組合等操作更加清晰準確地學習各個部位。據(jù)研究人員表明，多種感知參與的學習活動有利于提高記憶力，真三維技術的使用可最大程度調動學生的多種感知，在學習過程中使大腦處于高度興奮狀態(tài)從而有利于學生在互動中提高記憶力和學習效率。

2.4 發(fā)散思維、開拓思路

從知識創(chuàng)造層面來講，先進技術的發(fā)展不僅需要數(shù)理化等理論知識作為基礎，更需要想象力和創(chuàng)造力來推動，這就需要教師在指導學生過程中不僅要將理論知識灌輸給學生，同樣也要盡力使學生接觸先進的技術，真三維技術輔助教學的方法正是給予教師和學生一個接觸先進數(shù)字媒體技術的機會。真三維顯示作為近幾年來迅速發(fā)展的技術，從概念、原理到方法都得到了全面發(fā)展，在教學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，無疑是給自然科學類教師以及學生一個全新的課堂體驗。在學習課堂理論知識的同時更加認識到現(xiàn)階段科技的發(fā)展進程，更重要的是有助于培養(yǎng)學生良好的學習方法和思維模式，使之避免僅僅局限于課本知識。

3 真三維技術在教學中的應用展望

3.1 真三維技術在數(shù)學教學中的應用

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

以立體幾何中的重要定理“三垂線定理”為例。在學習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，許多同學對定理內容不清楚，導致做題時思路混亂。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平面，然后利用空間鼠標讓同學自由選擇平面內的O點和平面外的P點，系統(tǒng)確認輸入后連接OP兩點，系統(tǒng)繪制P點到平面的垂線，交點為A，連接OA，同學自由選擇平面內的一點Q，確認后系統(tǒng)作過Q點且與OA垂直的直線L，根據(jù)定理標注直線L和OP垂直。

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

3.2 真三維技術在物理教學中的應用

物理知識與實踐緊密聯(lián)系，許多知識是實踐觀察的總結，就更應以實驗為引導，讓學生在觀察實驗現(xiàn)象的過程中學習物理。以彈簧振子運動實驗為例（見圖3），同學選擇不同勁度系數(shù)的彈簧和不同質量的砝碼，在真三維顯示器上出現(xiàn)被選參數(shù)彈簧和砝碼，按計算機計算的振動周期實時繪制彈簧的變形情況。同學記錄不同參數(shù)下的振動周期，分析彈簧振子的運動周期與振子質量、彈簧勁度系數(shù)、振子振幅之間的關系。

3.3 真三維技術在化學教學中的應用

化學教學希望做到深入淺出、生動有趣、直觀性強，以激發(fā)學生的興趣?；瘜W中的分子結構只能用實物模型表示，而大量的實物模型不利于存儲、運輸和維護。在教學過程中教師拿出分子結構實物模型，講解模型內的元素和分子鏈。模型是實物，不能變形，這對于表達化學反應是無能為力的。在講授化學反應的過程和結果中，利用真三維系統(tǒng)描述運動三維空間結構的特性（見圖4），制作分子反應的動畫，能形象地描述化學反應中，分子破裂成原子，原子重新排列組合生成新物質的過程。

3.4 真三維技術在機械設計教學中的應用

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

3.5 真三維技術在醫(yī)學教學中的應用

把真三維技術作為醫(yī)學教學的基本手段，能讓醫(yī)科生更真實地掌握生理組織結構，減少標本使用率。讓醫(yī)生快速掌握病人病灶和正常組織的空間位置，進行術前的空間1∶1推演。真三維技術不但能在教學與仿真中得到應用，它也可能被應用到腫瘤放療、介入治療等手術治療過程中。

以腦動脈瘤介入治療教學為例，圖形工作站接收并存儲醫(yī)學影像設備獲取的DICOM格式的原始影像畫面；真三維數(shù)據(jù)轉換器從圖形工作站獲取原始圖像數(shù)據(jù)，由轉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，為導管和材料選擇提供直觀的依據(jù)。在空間路徑圖的導向下，同學使用空間鼠標把微導管引入虛擬動脈瘤腔內，確保頭端處在動脈瘤腔中部，輸送彈簧圈進入動脈瘤，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，完成虛擬手術教學。

4 結論

信息技術能高效地傳遞教學信息，已成為課堂教學的主要手段之一，它在快速傳遞知識的同時，能加強學生對知識的理解，提高課堂趣味，開拓思路，培養(yǎng)更好的學習方法和思維模式。真三維技術與教學的融合能夠解決教與學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還不能完全替代傳統(tǒng)的投影或電子白板等顯示技術，但利用真三維技術來輔助自然科學的教學是課堂與科技鏈接、理論與實踐結合的一個有效方式。這種先進的、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，達到教學相長。

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