顯微放大的多用戶同步野外地質(zhì)教學(xué)

于俊峰 劉大偉 劉存革

摘要：隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)野外地質(zhì)觀測(cè)手段在信息定位、信息數(shù)字化、成像以及信息傳播等方面均無(wú)法滿足現(xiàn)代地質(zhì)教學(xué)的要求。文章針對(duì)這些問(wèn)題，提出通過(guò)將傳統(tǒng)設(shè)備和數(shù)碼移動(dòng)設(shè)備的技術(shù)相結(jié)合來(lái)彌補(bǔ)以往單項(xiàng)工具適用性的缺陷，從而實(shí)現(xiàn)多用戶共享，在教與學(xué)同步基礎(chǔ)上增強(qiáng)了互動(dòng)，有效地提高了相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：野外地質(zhì)教學(xué);微觀視野;傳統(tǒng)設(shè)備;現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備

顯微放大廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、納米材料學(xué)和航天科技等重要領(lǐng)域。通過(guò)顯微放大，把各種人的肉眼無(wú)法看到、難以觀察的現(xiàn)象或人的正常視野無(wú)法包容的景象清晰、真實(shí)地展現(xiàn)在觀眾面前，從而揭示大自然的奧秘，把人們的眼界擴(kuò)大、加深。這些特殊的手法有許多種，如動(dòng)畫(huà)、逐幀拍攝、航拍、衛(wèi)星遙感技術(shù)等，其中顯微、放大攝像就是很重要的一種方法。

獨(dú)立的科學(xué)研究實(shí)現(xiàn)自我視域放大即可，但在教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)物的微觀世界展示要求跟宏觀特點(diǎn)呈現(xiàn)一樣，信息需要有多用戶同步功能，否則，師生只能在顯微鏡下一個(gè)人操作觀察，缺乏實(shí)時(shí)交流，甚至難以找到既定目標(biāo)。

在地球科學(xué)和工程領(lǐng)域，地質(zhì)錘、羅盤(pán)和放大鏡是野外地質(zhì)工作三寶，但傳統(tǒng)野外地質(zhì)觀測(cè)手段諸如地質(zhì)放大鏡在信息定位、信息數(shù)字化、成像、以及信息傳播等方面均效果不佳，而且使用過(guò)程只能限于單用戶觀察，在邊觀察邊教學(xué)的過(guò)程中造成教育者和受教者信息不同步、不對(duì)稱，教學(xué)效果欠佳。隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)野外地質(zhì)觀測(cè)手段亟需更新?lián)Q代，本研究選擇智能手機(jī)或平板電腦等存儲(chǔ)和顯示設(shè)備與放大成像工具結(jié)合的方式來(lái)解決這一問(wèn)題，取得了較好的效果。

一、野外地質(zhì)觀察的顯微放大需求

野外地質(zhì)實(shí)踐活動(dòng)不光要描述地質(zhì)的宏觀特征，還需要觀測(cè)微觀地質(zhì)現(xiàn)象，地球科學(xué)的細(xì)分科學(xué)包括巖體的巖石學(xué)、礦物學(xué)和微觀地質(zhì)構(gòu)造等。

如巖石學(xué)需要通過(guò)微觀觀察，放大觀察巖石顏色、成分、結(jié)構(gòu)，用以指導(dǎo)地質(zhì)工作者分析研究巖體的類型、產(chǎn)狀、及其共生組合、各種巖石在空間和時(shí)間上分布的規(guī)律性，來(lái)確定巖石形成的各種地質(zhì)作用、物理化學(xué)作用、生成環(huán)境等，從而解決巖石的成因、來(lái)源、演化等問(wèn)題。石油地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的巖石微觀研究還包括微觀沉積構(gòu)造，如巖石顆粒的粒度、視孔隙度、視面孔率、以及顆粒之間及顆粒與雜基的分布與接觸關(guān)系等。礦物學(xué)描述礦物的顏色、晶體結(jié)構(gòu)，如自然界礦物的七大晶系中，除了大顆粒石英、方解石等，大部分還需要通過(guò)微觀觀察獲得。微觀地質(zhì)構(gòu)造觀察內(nèi)容包括微觀視野的斷裂、節(jié)理、變形、以及流變學(xué)等特征。

二、傳統(tǒng)工具的適用性

地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的顯微放大工具和儀器包括地質(zhì)放大鏡、顯微鏡和掃描電鏡等，它們都有自身的適用性。

地質(zhì)放大鏡：是傳統(tǒng)的野外觀測(cè)工具，是幫助眼睛觀察微小物體或細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)單的光學(xué)儀器。目前，一般野外采用的地質(zhì)放大鏡倍數(shù)約為10×（大鏡面）和20×（小鏡面），也有30×的倍數(shù)。這種放大鏡為看清楚微小的物體或物體的細(xì)節(jié)，往往需要把物體移近眼睛，這樣可以增大視角，使其在視網(wǎng)膜上形成一個(gè)較大的虛像，但是僅限于觀察者，旁觀者無(wú)法同時(shí)觀察，所以它具有不同步性。

顯微鏡和掃描電鏡：顯微鏡和掃描電鏡都是電子光學(xué)儀器，掃描電鏡是利用電子槍發(fā)射電子束經(jīng)聚焦后在試樣表面作光柵狀掃描，通過(guò)檢測(cè)電子與試樣相互作用產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)試樣表面的成分、形貌及結(jié)構(gòu)等進(jìn)行觀察和分析，它具有獲取圖片精確、分辨率高（0.5μm-10nm）和連續(xù)可調(diào)等綜合分析能力。但是，相對(duì)于傳統(tǒng)地質(zhì)放大鏡，這兩種儀器在工作時(shí)需要與電源相接，而且體積大、質(zhì)量重，不易攜帶，更是容易損壞、價(jià)格高昂，所以，它們只適合室內(nèi)高精度觀察，不適合攜帶到野外工作。

三、易行的同步設(shè)備及操作流程

野外顯微放大觀察易行的同步設(shè)備是傳統(tǒng)設(shè)備和現(xiàn)代電子移動(dòng)設(shè)備，包括放大鏡、手機(jī)或者平板電腦等。目前，我們?cè)谝巴庖呀?jīng)基本用手機(jī)或者平板電腦代替?zhèn)鹘y(tǒng)放大鏡，因?yàn)樗鼈兌加凶詭У姆糯蠊δ堋Ｊ謾C(jī)和平板電腦的成像像素在1 200～4 000萬(wàn)之間，大部分可以放大1～15倍，少數(shù)可達(dá)到30倍。因此，從放大倍數(shù)角度，現(xiàn)代手機(jī)和平板電腦完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)放大鏡。

情況1，在觀察巖石的結(jié)構(gòu)時(shí)采用如下觀察步驟：首先，固定觀察者與樣本之間的距離，根據(jù)需要設(shè)定放大倍數(shù)（放大倍數(shù)應(yīng)該既便于看清巖石結(jié)構(gòu)又能包含要觀察的必要地質(zhì)特征范圍），微調(diào)巖石樣本和手機(jī)的間距;其次，當(dāng)手機(jī)顯示屏呈現(xiàn)清晰圖像時(shí)，要按下拍照快門(mén)，固定圖像;最后，以放大的圖像為虛擬樣本，觀察樣本特征，針對(duì)樣本進(jìn)行教學(xué)。

情況2，雖然手機(jī)型號(hào)不一樣，但是，基本上所有手機(jī)用高倍數(shù)變焦或者剪裁放大出來(lái)的照片，都有兩個(gè)現(xiàn)象：一是涂抹感嚴(yán)重;二是噪點(diǎn)升高，這是由手機(jī)的算法決定的。所以，手機(jī)和平板電腦的攝像頭盡管提供了變焦功能，但一般也無(wú)法使用最大變焦倍數(shù)。這時(shí)我們就可以采用地質(zhì)放大鏡和手機(jī)變焦功能相結(jié)合的方式。具體做法是先用手機(jī)觀察巖石樣本，變焦使之能達(dá)到觀察清晰的最大倍數(shù)（8～25倍），然后用手機(jī)的攝像頭鏡頭對(duì)準(zhǔn)放大鏡鏡中，使放大鏡的邊框跟手機(jī)外殼緊貼，再重復(fù)1的過(guò)程。

四、特點(diǎn)

（一）多用戶共享

傳統(tǒng)地質(zhì)放大鏡教學(xué)的最大困難是只能單用戶操作，通常不支持用戶之間的數(shù)據(jù)共享。在野外講解巖石標(biāo)本時(shí)，教師自己要操作并觀察放大鏡視野中的內(nèi)容，并告訴學(xué)生其所觀察到的現(xiàn)象，然后讓學(xué)生按照操作規(guī)范對(duì)原有巖石樣本重新觀察。不同的是，基于類似于數(shù)碼互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室顯微系統(tǒng)構(gòu)建，現(xiàn)有移動(dòng)設(shè)備跟放大鏡結(jié)合應(yīng)用獲得了數(shù)據(jù)和圖片后，可以通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)把數(shù)據(jù)和圖片轉(zhuǎn)發(fā)給每位學(xué)生，學(xué)生可以在自己的移動(dòng)設(shè)備上觀察和交流，并把重要或者疑難問(wèn)題捕捉拍照、標(biāo)注存檔，以便于進(jìn)一步學(xué)習(xí)，達(dá)到多用戶資源共享的目的。

（二）教與學(xué)同步性

教與學(xué)的同步性包括視聽(tīng)同步、交流同步。同步視聽(tīng)對(duì)人類神經(jīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的反射十分重要。同步的視聽(tīng)，是一種基于神經(jīng)元群鎖相活動(dòng)的持續(xù)性的動(dòng)態(tài)場(chǎng)電位，有利于人們?cè)诟泄僭鰪?qiáng)基礎(chǔ)上的深度學(xué)習(xí)。通常，教師的單用戶非同步教學(xué)，學(xué)生無(wú)法完全了解教師觀察時(shí)講解的內(nèi)容，比如視域中分別存在A、B、C三種現(xiàn)象，教師在放大鏡中看到A的時(shí)候講解A，但此時(shí)學(xué)生是看不見(jiàn)A的，所以造成教學(xué)效果差、效率低。而移動(dòng)設(shè)備和放大鏡結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)是把A、B、C三種現(xiàn)象同時(shí)放大成像，用移動(dòng)設(shè)備拍攝的圖像在LCD上進(jìn)行教學(xué)，以靜態(tài)的方式表現(xiàn)事物的瞬間特性，能夠讓學(xué)生詳細(xì)、清晰地同步觀察巖石的顏色、成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等，并且畫(huà)面穩(wěn)定。這種三維一體的方式變被動(dòng)為主導(dǎo)，能喚起學(xué)生自我學(xué)習(xí)意識(shí)的覺(jué)醒，提高了他們的學(xué)習(xí)興趣，從而克服了以往觀察方式的單用戶缺點(diǎn)。

（三）尺度放大，便于觀察

用肉眼觀察顯微鏡視野，信號(hào)只能輸入到大腦皮層 ，而移動(dòng)數(shù)碼可以將微觀視野影像在放大鏡基礎(chǔ)上進(jìn)一步放大并變成LCD視覺(jué)效果。地質(zhì)放大鏡采用的是大視孔，而手機(jī)、平板電腦采用小孔視角和長(zhǎng)焦距，兩者配合可以有較大的景深。如果放大鏡的放大倍數(shù)是10×，手機(jī)的放大倍數(shù)是8～25，則它們結(jié)合應(yīng)用的放大倍數(shù)就是18～35×，可以完全滿足地質(zhì)工作者在野外對(duì)巖石顆粒的形態(tài)、結(jié)構(gòu)的觀察需要。

（四）不改變圖像清晰度

移動(dòng)設(shè)備的清晰度容易調(diào)試，而地質(zhì)放大鏡和移動(dòng)設(shè)備相結(jié)合產(chǎn)生的圖像質(zhì)量也基本不變。放大鏡的工作原理是通過(guò)凸透鏡在觀察者視野呈現(xiàn)一放大的虛像。攝像頭則是景物通過(guò)鏡頭（LENS）生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面，然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，最后通過(guò)顯示屏（LCD）顯示圖像。這一過(guò)程跟人們裸眼觀察地質(zhì)放大鏡成像等同，只是后者在實(shí)際工作過(guò)程中事先被設(shè)定了一定的放大倍數(shù)。

五、結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)設(shè)備和數(shù)碼移動(dòng)設(shè)備的技術(shù)融合，彌補(bǔ)了以往單項(xiàng)工具適用性的缺陷，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)地質(zhì)類課程如巖石學(xué)、礦物學(xué)、礦相學(xué)和古生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由傳統(tǒng)的“被動(dòng)式”和“灌輸式”向“自主式”“探究式”“合作式”和“交互式”學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)化。在實(shí)現(xiàn)多用戶共享、教與學(xué)同步基礎(chǔ)上增強(qiáng)互動(dòng)，有效提高了相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

在野外地質(zhì)實(shí)踐的教學(xué)中，將傳統(tǒng)放大鏡與現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備（如手機(jī)或者平板電腦）結(jié)合應(yīng)用只是傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代化科技結(jié)合的一個(gè)縮影，經(jīng)驗(yàn)證，此種方式在近年的野外教學(xué)過(guò)程中效果較好，具有一定的推廣價(jià)值。

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編輯∕楊波