計算機模擬3D晶體模型在《礦物學》課程中的應用

王明梁，臧春娟

（宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000）

計算機模擬3D晶體模型在《礦物學》課程中的應用

王明梁，臧春娟

（宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000）

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

《礦物學》；計算機；模擬3D圖形

《礦物學》是地質(zhì)類專業(yè)（如資源勘查、地質(zhì)工程等）的基礎課程，是巖石學、地球化學、寶石學等地質(zhì)相關專業(yè)核心課程的重要基礎[1-9]，因此，《礦物學》的教學在地質(zhì)類專業(yè)教學中占有極其重要地位，是其它核心課程開展的重要基石.宿州學院資源勘查專業(yè)開設《礦物學》課程，共計45課時，其中授課36課時，實踐課9課時.在授課過程中，需要向?qū)W生展示礦物晶體的標準形態(tài)，成為了講課過程中的重點之一，對學生今后辨識礦物有重要幫助.然而，如何高效的讓學生理解識記礦物的標準形態(tài)，也成為了教學的難點.傳統(tǒng)的木質(zhì)模型教育已經(jīng)不能滿足需要.由于計算機技術的發(fā)展，3D影響模型得以在教學過程中發(fā)揮作用.現(xiàn)有文獻報道，計算機3D模型已經(jīng)在在機械科學、醫(yī)學、物理學和采礦等學科的教學領域中初步發(fā)揮作用[10-14]，但是還沒有在《礦物學》教學中的相關文獻.本文將結(jié)合筆者的實踐教學經(jīng)歷，介紹計算機3D模型在《礦物學》教學中的應用.

1 傳統(tǒng)教學方法的弊端

長久以來，教授礦物學的教師使用文字敘述、實物模型和幾何圖形（圖1A）的方式來進行演示[2,4]，一般來說，教學用的教具都是木質(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單勾勒的單形.使用這類模型教學有以下幾個明顯的弊端：

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

（2）木質(zhì)教具容易丟失.項目負責人參觀過北京大學、中國地大（北京）、南京大學和蘭州大學等國內(nèi)多所重點大學的礦物學教研室，在這些教研室中擺放的礦物晶體模型多是殘缺的.無論多么嚴格的管理，這些小模型總是容易丟失的，如果恰巧某一個模型丟失的幾率較大（這個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，如果在一個約50人的教室的講臺上演示，第三排（靠近講臺的座椅為第一排，以此類推）以后的學生就很難看清.如果將教具做的很大，就會非常笨重，這時旋轉(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，都不能讓一個約50人的教師中的全部學生觀察清楚.

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

圖1 《礦物學》教學中使用的幾何圖形

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

2 計算機3D模型的應用

計算機在20世界末和本世紀初、得到了廣泛的普及，教授《礦物學》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生的實際情況，二維模型的使用效果不是非常理想.

計算機3D技術在上世紀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，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動畫（圖2C）.使用裸眼（偽裸眼）3D技術，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.學生在上課的過程中會被這些動畫和圖形所吸引，極大的提高了同學們的學習熱情和學習效率.

圖2 立方體的不同展示方式

3 教學效果

興趣是學習的第一導師，通過使用計算機3D模型的方法進行教學演示，學生對礦物學晶體認識以及礦物學中常見礦物的區(qū)分的掌握水平提高顯著.筆者現(xiàn)已教授了三個年級（2013/2014/2015）的《礦物學》課程，從2014級開始使用計算機3D模型進行教學.如圖3所示，從實踐部分考試（礦物標本辨識）以及期末考試礦物鑒定中成績中都能看出，計算機3D模型的使用有效的提高了《礦物學》的教學效率.

表1 近三年來礦物學與模型識記相關考試的成績

圖3 2013級-2015級《礦物學》標本辨識及礦物鑒定平均成績

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

〔2〕張恩,彭明生.結(jié)晶學與礦物學實驗指導書[M].北京:地質(zhì)出版社,2007.

〔3〕秦善,王長秋,等.“結(jié)晶學與礦物學”教學改革與課程建設[J].中國地質(zhì)教育,2007(1):130-132.

〔4〕王葆華,繆秉魁,等《結(jié)晶礦物學》實驗教學改革初探[J].高校實驗室工作研究,2009(4):24-25.

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

〔6〕傅濤,蔣洪亮.創(chuàng)新《礦物巖石學》實驗教學方法[J].中國科教創(chuàng)新導刊,2008(26):79.

〔7〕汪立今,木合塔爾﹒買買提,等.“結(jié)晶學及礦物學”課程教學改革探索[J].中國地質(zhì)教育,2008 (2):52-54.

〔8〕林美群.礦物資源工程專業(yè)開放式實驗教學的探索 [J].廣西大學學報 (哲學社會科學版), 2008,30(增刊):8.

〔9〕馮娟萍.“結(jié)晶學與礦物學”教學實踐及探索[J].陜西教育﹒高教,2013(9):58-59.

〔10〕單鴻波,etal.,3D模型庫在機械基礎課程教學實踐中的應用.東華大學學報自然科學版, 2011，37(4):535-540.

〔11〕谷曉晨,etal.,采用123DCatch建立中藥材的3D模型.安徽中醫(yī)藥大學學報,2014，33(1): 85-86.

〔12〕林夏菲and席義勛,基于3D模型的虛擬現(xiàn)實技術在反爆炸教學訓練中的應用.科技信息, 2010(13):36-36.

〔13〕葉會and王祖源.物理現(xiàn)象3D演示模型在跨學科教學中的應用.in全國高等學校物理基礎課程教育學術研討會,2013.

〔14〕張云飛,etal.,組合式3D模型在骨科臨床課教學中的應用及優(yōu)勢.現(xiàn)代生物醫(yī)學進展, 2015，15(21):4168-4171.

G642

A

1673-260X（2017）05-0205-02

2016-12-10

國家自然科學基金青年項目（41502057）和宿州學院2015教博科研啟動基金（2015JB01&2015JB07）聯(lián)合資助