王明梁，臧春娟

（宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

計(jì)算機(jī)模擬3D晶體模型在《礦物學(xué)》課程中的應(yīng)用

王明梁，臧春娟

（宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

《礦物學(xué)》是地質(zhì)類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，礦物學(xué)學(xué)教學(xué)中常常需要向?qū)W生展示晶體的幾何模型，傳統(tǒng)教學(xué)方法一般使用木制模型作為主要教具.筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)使用3D圖形能夠取得更好的教學(xué)效果.

《礦物學(xué)》；計(jì)算機(jī)；模擬3D圖形

《礦物學(xué)》是地質(zhì)類專業(yè)（如資源勘查、地質(zhì)工程等）的基礎(chǔ)課程，是巖石學(xué)、地球化學(xué)、寶石學(xué)等地質(zhì)相關(guān)專業(yè)核心課程的重要基礎(chǔ)[1-9]，因此，《礦物學(xué)》的教學(xué)在地質(zhì)類專業(yè)教學(xué)中占有極其重要地位，是其它核心課程開展的重要基石.宿州學(xué)院資源勘查專業(yè)開設(shè)《礦物學(xué)》課程，共計(jì)45課時(shí)，其中授課36課時(shí)，實(shí)踐課9課時(shí).在授課過程中，需要向?qū)W生展示礦物晶體的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，成為了講課過程中的重點(diǎn)之一，對(duì)學(xué)生今后辨識(shí)礦物有重要幫助.然而，如何高效的讓學(xué)生理解識(shí)記礦物的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，也成為了教學(xué)的難點(diǎn).傳統(tǒng)的木質(zhì)模型教育已經(jīng)不能滿足需要.由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，3D影響模型得以在教學(xué)過程中發(fā)揮作用.現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道，計(jì)算機(jī)3D模型已經(jīng)在在機(jī)械科學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)和采礦等學(xué)科的教學(xué)領(lǐng)域中初步發(fā)揮作用[10-14]，但是還沒有在《礦物學(xué)》教學(xué)中的相關(guān)文獻(xiàn).本文將結(jié)合筆者的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)歷，介紹計(jì)算機(jī)3D模型在《礦物學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用.

1 傳統(tǒng)教學(xué)方法的弊端

長(zhǎng)久以來，教授礦物學(xué)的教師使用文字?jǐn)⑹?、?shí)物模型和幾何圖形（圖1A）的方式來進(jìn)行演示[2,4]，一般來說，教學(xué)用的教具都是木質(zhì)的多面體幾何單形，大小在5～10cm不等，使用的幾何圖形一般是簡(jiǎn)單勾勒的單形.使用這類模型教學(xué)有以下幾個(gè)明顯的弊端：

（1）木質(zhì)教具攜帶不便.教學(xué)過程中，一般一次課需要幾個(gè)甚至十幾個(gè)模型，如果再考慮攜帶多套在上課時(shí)供學(xué)生傳看，就需要一次攜帶幾十個(gè)甚至上百個(gè)木質(zhì)模型.這對(duì)教師（特別是女教師）來說是一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)，攜帶十分不便.

（2）木質(zhì)教具容易丟失.項(xiàng)目負(fù)責(zé)人參觀過北京大學(xué)、中國地大（北京）、南京大學(xué)和蘭州大學(xué)等國內(nèi)多所重點(diǎn)大學(xué)的礦物學(xué)教研室，在這些教研室中擺放的礦物晶體模型多是殘缺的.無論多么嚴(yán)格的管理，這些小模型總是容易丟失的，如果恰巧某一個(gè)模型丟失的幾率較大（這個(gè)模型比較漂亮或者比較?。?，就可能造成教研室缺失該模型，這就為教學(xué)帶來了困難.

（3）不易觀察.木質(zhì)晶體模型最大不超過10cm大小，如果在一個(gè)約50人的教室的講臺(tái)上演示，第三排（靠近講臺(tái)的座椅為第一排，以此類推）以后的學(xué)生就很難看清.如果將教具做的很大，就會(huì)非常笨重，這時(shí)旋轉(zhuǎn)和演示就變得十分困難.也就是說，使用傳統(tǒng)教具，必須在靈活和大小中做出選擇，無論如何選擇，都不能讓一個(gè)約50人的教師中的全部學(xué)生觀察清楚.

（4）簡(jiǎn)單幾何形狀不容易觀察.一般而言，簡(jiǎn)單勾勒的幾何圖形需要相當(dāng)?shù)目臻g思維能力才能獲得比較好的教學(xué)效果.如圖1所示，B圖所示的立方體遠(yuǎn)遠(yuǎn)比A圖直觀.

圖1 《礦物學(xué)》教學(xué)中使用的幾何圖形

綜上述，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)不能完全滿足新時(shí)代《礦物學(xué)》教學(xué)的需要，急需新的教學(xué)模式和教學(xué)方法來解決上述4個(gè)問題.科技的進(jìn)步為解決“礦物學(xué)”中教學(xué)模型的使用方面提供了契機(jī)[9].

2 計(jì)算機(jī)3D模型的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)在20世界末和本世紀(jì)初、得到了廣泛的普及，教授《礦物學(xué)》的老師們也逐漸的開始使用多媒體來演示一些礦物模型.新的問題又隨之而來，在多媒體上演示的模型多是二維模型，需要同學(xué)們通過自己的空間感和抽象思維能力將其轉(zhuǎn)化成三維圖形[7,9].這需要學(xué)生具有良好的抽象和空間思維能力，考慮到普通本科院校學(xué)生的實(shí)際情況，二維模型的使用效果不是非常理想.

計(jì)算機(jī)3D技術(shù)在上世紀(jì)90年代以后得到了空前發(fā)展 （具體情況參見 http://baike.baidu. com/view/4744346.htm?fr=aladdin）.近些年來又出現(xiàn)了裸眼3D技術(shù)，我們只需要按照一定方法處理二維圖片，就能在二維屏幕上呈現(xiàn)三維圖像效果或呈現(xiàn)3D動(dòng)畫（圖2C）.使用裸眼（偽裸眼）3D技術(shù)，我們可以憑借現(xiàn)有條件在多媒體投影儀上呈現(xiàn)三維礦物模型.學(xué)生在上課的過程中會(huì)被這些動(dòng)畫和圖形所吸引，極大的提高了同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效率.

圖2 立方體的不同展示方式

3 教學(xué)效果

興趣是學(xué)習(xí)的第一導(dǎo)師，通過使用計(jì)算機(jī)3D模型的方法進(jìn)行教學(xué)演示，學(xué)生對(duì)礦物學(xué)晶體認(rèn)識(shí)以及礦物學(xué)中常見礦物的區(qū)分的掌握水平提高顯著.筆者現(xiàn)已教授了三個(gè)年級(jí)（2013/2014/2015）的《礦物學(xué)》課程，從2014級(jí)開始使用計(jì)算機(jī)3D模型進(jìn)行教學(xué).如圖3所示，從實(shí)踐部分考試（礦物標(biāo)本辨識(shí)）以及期末考試礦物鑒定中成績(jī)中都能看出，計(jì)算機(jī)3D模型的使用有效的提高了《礦物學(xué)》的教學(xué)效率.

表1 近三年來礦物學(xué)與模型識(shí)記相關(guān)考試的成績(jī)

圖3 2013級(jí)-2015級(jí)《礦物學(xué)》標(biāo)本辨識(shí)及礦物鑒定平均成績(jī)

〔1〕繆秉魁,歐東新.“結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)”課程教學(xué)改革初探 [J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào) (高教研究專輯), 2007,27（增刊）:87-91.

〔2〕張恩,彭明生.結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].北京:地質(zhì)出版社,2007.

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〔5〕繆秉魁.“結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)”的教學(xué)思考與探索[M].大學(xué)地球科學(xué)課程報(bào)告論壇論文集.北京:高等教育出版社,2008.227-230.

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G642

A

1673-260X（2017）05-0205-02

2016-12-10

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（41502057）和宿州學(xué)院2015教博科研啟動(dòng)基金（2015JB01&2015JB07）聯(lián)合資助