以系列三維立體投影實(shí)驗(yàn)為例談大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)*

房若宇

(浙江大學(xué)物理系 浙江 杭州 310027)

1 引言

當(dāng)前社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力之一是具備創(chuàng)新能力的人才，因此在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)日益重要[1～3].特別地，就低年級本科生而言，對于其綜合素質(zhì)包括創(chuàng)新能力的提高，在大學(xué)學(xué)習(xí)階段及早培養(yǎng)其良好的實(shí)驗(yàn)研究習(xí)慣、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和獨(dú)立工作能力是必要的[4].近年來在高校中開展的旨在強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新能力的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃是教育部主導(dǎo)的高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的重要組成部分[5,6].對于理工類大學(xué)生而言，通過有關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)養(yǎng)成其必要的提出問題、分析問題和解決問題的能力,對于培養(yǎng)滿足國家和社會(huì)需要的高素質(zhì)創(chuàng)新人才具有決定性的作用[7].作為一種綜合性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)科，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是各高校學(xué)生普遍修讀的一門課程[8].在此基礎(chǔ)上的以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施對于系統(tǒng)全面地提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和素養(yǎng)起到了良好的效果.筆者近年來依托浙江大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開展了面向本科生的系列三維立體投影創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，通過循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研究，在深入了解有關(guān)光學(xué)原理的基礎(chǔ)上，從簡單到復(fù)雜引導(dǎo)學(xué)生搭建各種實(shí)驗(yàn)裝置和編寫控制軟件，逐步實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的三維立體投影展示.通過該創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)，有效培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力.

2 系列三維立體投影實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建

三維立體投影實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中光學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，系一種利用光的干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體三維圖像或影像的虛擬成像技術(shù)[9～12].但是,目前的一般實(shí)驗(yàn)裝置(如全息投影裝置)技術(shù)要求較高，并且受限于動(dòng)態(tài)圖像的立體投影展示.在本三維立體投影系列創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中，通過由簡單到復(fù)雜地搭建四棱錐、六棱錐、圓臺式和前后平行板式立體投影裝置并編寫相應(yīng)的控制程序，循序漸進(jìn)地實(shí)現(xiàn)了從靜態(tài)圖片到動(dòng)態(tài)視頻圖像的三維立體投影效果，鍛煉了學(xué)生的獨(dú)立思考和動(dòng)手能力.

2.1 四棱錐三維立體投影裝置

四棱錐三維立體投影裝置的成像原理為，由透明材料(實(shí)驗(yàn)中采用市售透明亞克力板)制成四棱錐反射錐體，通過對置于其頂部電子圖像的表面鏡射和反射，在錐形空間形成可見的三維影像.實(shí)驗(yàn)中使用透明板材制作反射錐的4個(gè)等腰梯形形狀的反射面，進(jìn)而組裝成四面反射錐.該四棱錐裝置中等腰梯形反射面的底角為70.5°，每一反射面與水平面的夾角為45°.反射錐的具體大小根據(jù)所使用的電子播放設(shè)備的屏幕大小而定[13].

用于投影顯示的視頻文件由MMD建模建立立體模型，然后通過Corel VideoStudio Pro連接音頻以及4個(gè)方向的視頻.制作完成的視頻文件導(dǎo)入手機(jī)或平板電腦，播放時(shí)，將反射四棱錐倒放在播放視頻的設(shè)備屏幕上，成像效果良好，如圖1所示.

(a)裝置設(shè)計(jì)圖

(b)成像效果

2.2 六棱錐三維立體投影裝置

為進(jìn)一步提高成像質(zhì)量，在上述四棱錐三維立體投影裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展出了六棱錐立體投影裝置[14].同樣以透明亞克力板組裝成該六棱錐三維立體投影裝置，如圖2所示.

(a)裝置設(shè)計(jì)圖

(b)成像效果

為保證反射光水平射入眼睛，六棱錐的側(cè)面和底面所成的二面角為45°.通過空間幾何計(jì)算得到，側(cè)面三角形斜邊與底邊的比值為1.32.該實(shí)驗(yàn)在教師引導(dǎo)下由學(xué)生自己制作了能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制的用于立體投影的程序.該程序還提供了交互功能，通過鍵盤控制直接對模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在立體投影中呈現(xiàn)角度變換的模型，成像效果良好,如圖2所示.

2.3 圓臺式三維立體投影裝置

顯然地，增加反射錐中反射面的數(shù)目能夠提高三維立體投影的成像質(zhì)量.對于一個(gè)具有無窮多反射面的多棱錐，其結(jié)構(gòu)即為圓錐.在該創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步地設(shè)計(jì)和構(gòu)建了圓臺式三維立體投影裝置(圖3),同樣實(shí)現(xiàn)了良好的三維成像效果[15].

該圓臺式三維立體投影裝置用透明的筆記本電腦膜制作，頂角為254.6°，圓錐母線與水平面的夾角為45°，反射面大小根據(jù)所使用電子播放設(shè)備屏幕尺寸而定.為避免成像在頂角處產(chǎn)生扭曲，將圓錐的頂角剪去制成圓臺以提高成像效果.為減輕圖像變形，同步增大圖片和反射圓錐底面以改善成像質(zhì)量，能夠得到360°立體全景圖，如圖3所示.

(a)裝置設(shè)計(jì)圖

(b)成像效果

該裝置要求投影源是環(huán)繞型的，通過將投影源圖片制作成360°環(huán)繞的圖片解決.為實(shí)現(xiàn)圖片自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，采用HTML+CSS+Javascript語言編寫一小型應(yīng)用程序進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.該程序可自行設(shè)置旋轉(zhuǎn)角速度，在保證圖像分辨率的前提下控制視頻節(jié)奏，有效實(shí)現(xiàn)了從靜態(tài)圖片到自動(dòng)旋轉(zhuǎn)圖片的轉(zhuǎn)變.

2.4 前后平行板式三維立體投影裝置

為進(jìn)一步拓寬學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思維，下一步脫離多棱錐的設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建了前后平行板式三維立體投影裝置，同樣實(shí)現(xiàn)了良好的三維成像效果(圖4).該裝置由一個(gè)暗盒與固定于其中的兩片亞克力板構(gòu)成，每塊亞克力板的傾角為45°.視頻源放置于裝置上方，前景(F)和背景(B)經(jīng)反射后兩個(gè)圖像重疊，形成人物視頻和背景視頻相結(jié)合的效果.

(a)投影裝置原理圖

(b)成像效果

應(yīng)用于該裝置的視頻源要求調(diào)整人物的動(dòng)作視頻與背景視頻的大小相同，并將兩個(gè)視頻上下拼接；另外要將人物的背景投到屏幕上.實(shí)驗(yàn)中采用開源的openCV編程解決.

3 教學(xué)效果分析

通過該系列三維立體投影實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由淺入深、循序漸進(jìn)地實(shí)施，有效鍛煉和培養(yǎng)了學(xué)生解決問題和創(chuàng)新思維能力.學(xué)生不僅有效掌握了有關(guān)光學(xué)物理的基礎(chǔ)知識，并能夠熟練和有效地應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和構(gòu)建中去.另外，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也可看作是一個(gè)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉研究，為因應(yīng)不同三維立體投影裝置的成像需要，在教師引導(dǎo)下學(xué)生編寫和調(diào)試了相應(yīng)的軟件程序，達(dá)到了滿意的效果.

在另一方面，教學(xué)中學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式(一個(gè)團(tuán)隊(duì)含5名學(xué)生)進(jìn)行以上實(shí)驗(yàn).團(tuán)隊(duì)成員明確分工，有效合作，培養(yǎng)了合作工作的能力，這對學(xué)生以后參加科研活動(dòng)是必要的能力培養(yǎng).

近幾年來該大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目在浙江大學(xué)理工類本科生中進(jìn)行了數(shù)輪的教學(xué)，效果良好.追蹤發(fā)現(xiàn)多名經(jīng)過該項(xiàng)目訓(xùn)練的學(xué)生在國內(nèi)外知名高校進(jìn)一步深造，達(dá)到了滿意的培養(yǎng)效果.

4 結(jié)論

為培養(yǎng)滿足國家發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步所需要的創(chuàng)新型人才，理工類大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)舉足輕重，同時(shí)也面臨巨大的挑戰(zhàn).高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程任重道遠(yuǎn)，作為一個(gè)探索，本文總結(jié)了系列三維立體投影創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)結(jié)果，可作為探索高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的參考.在教師的有序引導(dǎo)下以學(xué)生為主體進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，有效激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)研究興趣和創(chuàng)造性，由淺入深地夯實(shí)了學(xué)生的知識基礎(chǔ)，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力.