偽全息技術的應用及其在物理教學中的教育價值探討

吳婷婷 陸建隆

摘 要：偽全息3D顯示技術起源于佩珀爾幻象，是利用光學原理使影像經(jīng)投影后產(chǎn)生與全息投影相似的立體圖像。偽全息3D技術在當今人們的社會生活中有三種典型的應用，同時其在創(chuàng)設學習情境，作為低成本的現(xiàn)代技術走進學生的探究活動課堂，并引發(fā)學生對未來從事科技職業(yè)的思考上具有教育價值，啟迪了現(xiàn)代物理實驗與科技、生活的聯(lián)結。

關鍵詞：偽全息技術；低成本；教育價值

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）9-0054-3

1 偽全息技術的起源及與全息技術的區(qū)別

偽全息3D技術起源佩珀爾幻象（Peppers ghost）技術，距今已有100多年歷史。佩珀爾幻象經(jīng)常使用于劇院和魔術表演中，最具代表的是迪士尼樂園的鬼屋設計。其基本原理為，在黑色背景下，通過一種反射率和折射率均為50%材質的鏡子，使物體在人眼中的成像由鏡子反射至人眼的圖像和物體折射的虛像兩部分的疊加組成，從而產(chǎn)生一種幻象感覺。

佩珀爾幻象的一項成熟應用是“裸眼3D顯示技術”，也叫偽全息3D顯示。它是指若投影源的圖案周圍背景為純黑色，在透明背景的現(xiàn)實空間里能夠產(chǎn)生物體懸浮在空氣中的虛像。這種投影產(chǎn)生的視覺效果與全息顯示投影極其相似，但是二者實現(xiàn)的原理不同。全息技術是利用光的干涉和衍射的原理來記錄物體三維圖像的技術。全息圖像是真正的“三維圖像”，而如由佩珀爾幻象等視差合成的圖像只是“準”三維像，故叫“偽全息3D顯示技術”（Pseudo holographic 3D display technology）。

2 偽全息技術的應用

目前，偽全息技術主要有三種應用，一種是“偽立體投影”，表現(xiàn)為將投影機直接背投在投影膜上。如在初音未來洛杉磯演唱會上就是使用德國Sax 3D 公司開發(fā)的全息箔投影顯示屏。該屏幕可以不受其他角度光線的干擾而顯示某一特定角度的圖像。（圖1）。

另一種偽全息技術的應用，是采用放映機或其他投影光源利用光線先在與地面成45度的透明平坦的面上發(fā)生反射后進入人眼的視覺技術。如果反射面周圍的背景光線比較黑暗，會產(chǎn)生物體是立體呈現(xiàn)在人眼前的幻象。這種投影的舞臺效果非?？犰牛枋种芙軅惻c鄧麗君實現(xiàn)跨時空同臺演唱就是運用了此原理。原理圖如圖2所示。

第三種應用是360度偽全息成像技術。它由兩部分組成，第一部分是視頻，一個視頻界面同時顯示所要投影的二維物體的四個不同的角度。第二部分是由透明材料制成的四棱錐體。視頻經(jīng)四棱錐體折射45度成像并匯集到一起后形成具有感觀維度的立體影像。

3 偽全息技術在物理教學中的教育價值

3.1 作為視聽媒體，創(chuàng)設學習情境

根據(jù)戴爾的經(jīng)驗之塔理論，教育教學要由具體經(jīng)驗入手，再向抽象過渡。有效的學習之路應以具體經(jīng)驗為支柱。塔中的視聽媒體層，能夠給學生提供較之單純的語言和視覺符號更為直觀和容易理解的經(jīng)驗，并能夠不受時空的限制，彌補其他直接經(jīng)驗方式的不足之處。3D偽全息影像作為一種視聽媒體，加上其本身具有的立體感和變幻的美感能夠有效地為學生提供富有吸引力的學習情境，幫助學生進行積極的知識建構。

3.2 作為低成本的新技術走進學生的拓展探究活動中

課改實施的核心是要突出學生的主體地位，倡導學生主動參與、探究發(fā)現(xiàn)、交流合作的學習方式，在經(jīng)驗或學習知識的基礎上進行大膽的想象、構建新的圖像，提出自己的看法，并勇于嘗試 [6]。偽全息技術涉及光學知識可供學生分析，而且現(xiàn)象十分有趣奇特，在捕獲學生吸引力的同時可引導學生探究現(xiàn)象出現(xiàn)的條件。鼓勵學生利用生活中現(xiàn)有的材料進行實驗驗證，逐步實現(xiàn)從模仿階段到再造階段到最后的創(chuàng)新階段。并在活動過程中使學生學會自主合作探究的學習方式。

自初音未來演唱會后，自制偽全息3D舞臺在網(wǎng)上非常流行，材料與制作步驟在相關貼吧均可以搜索到。由于偽全息投影技術涉及的光學原理比較簡單，教師在講授光的反射知識點時可將制作偽全息3D舞臺作為課外拓展實驗。如提前布置相關家庭作業(yè)讓學生自主搜集材料，教師提供視頻資源，并以小組形式合作制作。

所用材料有：手機、厚紙板、黑色鼠標墊、量角器、剪刀、尺、iPad貼膜、透明膠帶等。制作步驟：1.在紙上畫一個底邊長為手機屏幕寬長度，頂角為70.5度的等腰三角形；2.在iPad貼膜上用黑色水筆（后期用紙巾擦去黑色痕跡，保證貼膜干凈透明）將其三角形輪廓描出，剪4個該等腰三角形；3.用透明膠帶將4個三角形拼接成四棱錐；4.用厚紙板制作簡易播放舞臺，厚紙板所搭舞臺高度要略高于四棱錐高度；5.用會聲會影等視頻處理軟件把教師提供的由4個單一角度拍攝的視頻源素材整合到同一個畫面上，注意對稱性；6.將舞臺固定在黑色鼠標墊上，播放視頻，觀察舞臺效果。分別如圖3、圖4所示。

學生小組在模仿網(wǎng)上流程制作出動漫效果圖后，教師可利用學生產(chǎn)生的積極情感體驗，趁熱打鐵鼓勵學生自主開發(fā)與物理教學有關的視頻資源進行制作，如制作簡易地球模型，既可加強科學技術與物理學習的聯(lián)系又能培養(yǎng)學生在學習過程中開拓創(chuàng)新的習慣。操作步驟不再具體贅述，視頻處理圖和成果圖如圖5、圖6所示。

3.3 實現(xiàn)在物理課堂中引導學生關注現(xiàn)代科技的發(fā)展，引發(fā)未來從事職業(yè)的思考

當今的時代是科技迅猛發(fā)展的時代，學生身處在現(xiàn)實的環(huán)境中自然而然地在體驗著新技術所帶來的不同觀感和應用價值。當今的教育仍舊要契合“面向未來”的發(fā)展戰(zhàn)略，物理課堂不僅要成為實現(xiàn)傳授經(jīng)典知識之寶地，也能成為新技術的體驗樂園。使學生能夠在情感態(tài)度與經(jīng)驗上對當今和未來科技生活作出積極的應對，在物理教學中啟發(fā)學生對未來從事職業(yè)的思考與規(guī)劃，讓教育面向、啟發(fā)學生的未來。

偽全息技術3D顯示技術作為中學物理光學課外拓展實驗，可為學生未來職業(yè)提供多項選擇。在視聽覺方面，偽全息3D顯示實驗的視頻資源的采集和處理任務為一部分學生提供了接觸和熟悉視頻編輯軟件的機會，可能成為學生萌生今后從事視頻處理相關職業(yè)理想的“夢想種子”。在3D顯示舞臺制作方面，要求學生經(jīng)過精確的角度計算和高度設計以實現(xiàn)圖像能從手機立體地呈現(xiàn)在四棱錐中心面上。學生通過親身經(jīng)歷這個微型工程設計過程，能以預嘗工程師的角色扮演。同時，隨著小組合作進行3D演示實驗的制作與創(chuàng)新，以偽全息3D顯示技術為代表的新型科學技術很可能會成為學生實驗期間熱烈討論的話題，而對當前國際尖端技術（如3D打印機、云計算等）的關注必定又會反過來啟發(fā)和引導有些學生的未來職業(yè)規(guī)劃。

3.4 對物理實驗的啟示

偽全息3D技術作為一項廣泛應用于舞臺表演中的技術引入物理教學實驗中，更好地將課堂情境和學生的生活情境相融合，使學生感覺到物理學不僅非常有趣更是非常有用。同時，作為一項實驗拓展教具，它在不增加實驗成本的前提下，較之傳統(tǒng)的用半圓形玻璃磚觀察反射現(xiàn)象更加具有現(xiàn)代科技之味，學生思維能動性也更活躍。在擴展了學生技術視野的同時，更注重發(fā)展學生的自主學習和創(chuàng)新能力，激發(fā)并培養(yǎng)學生將物理學的原理遷移到其他領域的實驗思維，有利于學生對現(xiàn)有認知基礎的超越。從而擺脫傳統(tǒng)的浮在世外桃源之外的實驗教學模式，真正做到物理學與生活、技術、社會的緊密聯(lián)系。這為教師在實驗教學時對于教具的選擇與技術、社會以及物理原理之間的融合帶來一些啟迪。

4 結 語

偽全息3D顯示技術因其簡單的光學原理和酷炫的視覺效果在人們的生活中得到廣泛應用。將偽全息技術引入物理課堂具有教育價值，啟示在教學中科技與生活、學習之間的緊密聯(lián)系。

參考文獻：

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[6]閻金鐸，郭玉英.中學物理教學概論[M].北京：高等教育出版社，2009：18.

（欄目編輯 王柏廬）