三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)在巖石結(jié)構(gòu)面粗糙度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

張小波， 朱 熙， 姚 池， 楊建華， 蔣水華

（南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院；江西省尾礦庫(kù)工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330031）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)能源資源需求的持續(xù)增長(zhǎng)及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，眾多大型巖體工程如水利水電開發(fā)、礦山資源開采和隧道掘進(jìn)等工程建設(shè)正在大規(guī)模開展，工程施工所遇到的復(fù)雜地質(zhì)條件和面臨的巖體穩(wěn)定性問(wèn)題越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。自然發(fā)育和人類工程擾動(dòng)作用下的巖體，其內(nèi)部通常包含大量形貌不同、尺寸各異的節(jié)理、裂隙、層理等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的存在大大弱化了巖體的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)面作為控制巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵薄弱部位，其形貌特征對(duì)巖體的強(qiáng)度和變形具有重要影響，在巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)和工程巖體分級(jí)中，結(jié)構(gòu)面的形貌特征常常作為重要的評(píng)價(jià)依據(jù)，因此，廣受巖石力學(xué)研究者和工程設(shè)計(jì)人員的關(guān)注［1-3］。

巖石結(jié)構(gòu)面形貌測(cè)量是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)面粗糙度和起伏度等形貌特征的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)面形貌測(cè)量按照測(cè)量?jī)x器的工作原理，可分為機(jī)械式和光學(xué)式兩種；按照測(cè)量?jī)x器與結(jié)構(gòu)面的接觸關(guān)系，可分為接觸式和非接觸式測(cè)量?jī)煞N。早期巖石力學(xué)研究者主要采用以針狀輪廓尺為代表的手工接觸式測(cè)量方法［4］，該方法雖簡(jiǎn)單實(shí)用，但測(cè)量精度較低且操作繁瑣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)制造的長(zhǎng)足發(fā)展，自動(dòng)機(jī)械接觸式測(cè)量方法［5-6］和光學(xué)非接觸式測(cè)量方法［7-9］被引入到巖石結(jié)構(gòu)面形貌測(cè)量中。其中，近年新興的三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的逆向工程中，而由于其具有非接觸、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，也被應(yīng)用于巖石力學(xué)相關(guān)研究領(lǐng)域。

巖石力學(xué)是土木、水利和礦業(yè)等專業(yè)本科和研究生教育的重要課程，巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生了解巖石材料基本物理和力學(xué)性質(zhì)、掌握巖石力學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作的重要教學(xué)環(huán)節(jié)［10］。傳統(tǒng)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)巖石結(jié)構(gòu)面的粗糙度評(píng)估仍然以Barton 提出的二維形貌標(biāo)準(zhǔn)曲線作為取值參照［11］，限制了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)面形貌三維特征的理解，難以幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)面粗糙度的三維空間概念，同時(shí)，該方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果依賴經(jīng)驗(yàn)、主觀性強(qiáng)，不利于培養(yǎng)學(xué)生客觀嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維。因此，亟需改進(jìn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法并完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

實(shí)踐能力和創(chuàng)新性思維是拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的核心指標(biāo)［12-13］，為適應(yīng)新時(shí)期我國(guó)高等教育實(shí)踐育人方針和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，本文以巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的巖石結(jié)構(gòu)面形貌測(cè)量為例，引入先進(jìn)的三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面粗糙度的科學(xué)定量評(píng)價(jià)，一方面提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)儀器操作、軟件應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析等實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中的參與度，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，另一方面提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化水平，讓學(xué)生直觀地體驗(yàn)最新科技成果在專業(yè)知識(shí)獲取中的應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)面形貌三維掃描

1.1 三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)原理

三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航天、工業(yè)設(shè)計(jì)、模具制造、精密雕刻、康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域，其主要工作原理是由光柵發(fā)生器將多組可見光光柵條紋投影到待測(cè)物體表面，不同角度的兩個(gè)CCD相機(jī)同時(shí)拍攝物體表面的條紋圖案，并將條紋圖像輸入到計(jì)算機(jī)中，根據(jù)條紋曲率變化利用相位法和三角法等精確計(jì)算出物體表面每一采樣點(diǎn)的空間坐標(biāo)（X、Y、Z）三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 三維結(jié)構(gòu)光掃描系統(tǒng)

3D CaMega CPC-400 型自適應(yīng)非接觸式三維結(jié)構(gòu)光掃描儀主要由1 個(gè)可見光光柵投射器、2 個(gè)CCD 相機(jī)鏡頭和三腳架構(gòu)成（見圖1），通過(guò)數(shù)據(jù)線連接一個(gè)搭載待測(cè)物的自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和控制掃描的計(jì)算機(jī)組成一套完整的掃描系統(tǒng)。

圖1 三維結(jié)構(gòu)光掃描儀

3D CaMega CPC-400 型掃描儀高度集成光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用藍(lán)光光柵和LED 冷光源，基于光柵全場(chǎng)條紋投影技術(shù)，被測(cè)物體置于精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上，可進(jìn)行任意角度轉(zhuǎn)動(dòng)定位，執(zhí)行自動(dòng)掃描和自動(dòng)拼接，單次掃描范圍為400 mm × 320 mm，精度可達(dá)0.03 mm，單次掃描時(shí)間只需2 s。系統(tǒng)軟件Winmoire 預(yù)留了通用格式的數(shù)據(jù)接口，能輸出ASCII、STL、OBJ、WRL等格式，方便在通用三維逆向軟件中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)編輯。該套掃描系統(tǒng)的硬件設(shè)備輕便易操作，控制軟件界面簡(jiǎn)單，并且掃描光源異于激光、對(duì)人體無(wú)害，非常適用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.3 結(jié)構(gòu)面形貌三維掃描

實(shí)驗(yàn)前需準(zhǔn)備若干具有不同表面形貌的巖石結(jié)構(gòu)面試樣，為了適應(yīng)掃描儀的掃描視場(chǎng)范圍，制作如圖2所示的3 對(duì)尺寸為150 mm × 150 mm 的結(jié)構(gòu)面試樣，分別命名為試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

圖2 結(jié)構(gòu)面試樣

掃描前需對(duì)掃描儀進(jìn)行組裝和調(diào)試，主要步驟為：①用USB數(shù)據(jù)線連接掃描儀與計(jì)算機(jī)和自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)；②標(biāo)定視場(chǎng)范圍；③調(diào)整投射鏡頭光圈、檢測(cè)光源、調(diào)整投影條紋；④標(biāo)定CCD 相機(jī)；⑤調(diào)整視角位置投影；⑥標(biāo)定轉(zhuǎn)臺(tái)；⑦三維掃描。圖3 所示為實(shí)驗(yàn)室中結(jié)構(gòu)面形貌三維掃描實(shí)景。

圖3 結(jié)構(gòu)面形貌三維掃描場(chǎng)景

2 掃描數(shù)據(jù)處理與建模

采用Geomagic Studio 逆向工程軟件對(duì)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，該軟件具有強(qiáng)大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理功能，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)合并、精確拼接、修復(fù)孔洞、坐標(biāo)轉(zhuǎn)化、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、光順、過(guò)濾等操作，并獲得優(yōu)質(zhì)保真的網(wǎng)格面數(shù)據(jù)。該軟件用戶界面簡(jiǎn)單，學(xué)生容易快速上手操作。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入

為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)面掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的編輯，將掃描獲得的.gpd點(diǎn)云文件導(dǎo)入Geomagic Studio軟件中，如圖4 所示。

圖4 Geomagic Studio軟件點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理界面

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并

由于掃描時(shí)設(shè)置了自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角間隔為45°，因此得到了結(jié)構(gòu)面試樣在不同轉(zhuǎn)角位置的8 個(gè)點(diǎn)云文件。為了獲得結(jié)構(gòu)面試樣統(tǒng)一的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要將多個(gè)點(diǎn)云文件進(jìn)行拼接合并，選用菜單欄中“點(diǎn)”的“合并”功能，設(shè)置好合并參數(shù)后執(zhí)行合并操作，生成一個(gè)合并的點(diǎn)云文件。此時(shí)，在軟件模型管理器中的文件列表里會(huì)多出了名為“合并”的封裝文件，且菜單欄由原來(lái)的“點(diǎn)”模式切換到“多邊形”模式。

2.3 補(bǔ)點(diǎn)填充、去噪

為了保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整和不失真，有時(shí)需對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行必要的修補(bǔ)和去噪。如果因?yàn)榫植奎c(diǎn)云缺失而造成漏洞，可在菜單欄“多邊形”命令中根據(jù)曲率趨勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)填充修復(fù)孔洞。如果存在體外孤點(diǎn)，可以通過(guò)設(shè)置偏離主點(diǎn)云的敏感性數(shù)值進(jìn)行自動(dòng)去噪，達(dá)到刪除冗余雜點(diǎn)的目的。

2.4 全局坐標(biāo)擺正

由于掃描儀與結(jié)構(gòu)面的相對(duì)位置是隨機(jī)的，掃描系統(tǒng)軟件的坐標(biāo)軸與結(jié)構(gòu)面的邊角不一定重合。因此，為了便于后期的數(shù)據(jù)分析及建模，需擺正點(diǎn)云坐標(biāo)，使得三維坐標(biāo)與結(jié)構(gòu)面試樣的邊角重合，確保XOY平面平行于結(jié)構(gòu)面底部平面，Z 軸垂直于結(jié)構(gòu)面試樣的底部平面。選擇菜單欄“工具”中的“對(duì)象移動(dòng)器”，通過(guò)旋轉(zhuǎn)和平移操作，使得結(jié)構(gòu)面的邊角與全局坐標(biāo)的3 個(gè)軸線大致重合，如圖5 所示。初步將對(duì)象對(duì)齊到全局坐標(biāo)后，利用菜單欄“工具”里“移動(dòng)”中的精確移動(dòng)功能，完成對(duì)象坐標(biāo)的精確對(duì)齊。

2.5 坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)出

為了得到適用于結(jié)構(gòu)面粗糙度計(jì)算的三維坐標(biāo)信息，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理好之后，將已封裝的點(diǎn)云文件轉(zhuǎn)換成點(diǎn)格式，采用菜單欄中“多邊形”里的“轉(zhuǎn)為點(diǎn)”工具，將封裝文件轉(zhuǎn)化為點(diǎn)格式，然后將數(shù)據(jù)另存為.asc格式，導(dǎo)出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件可直接用純文本編輯器打開，也可直接被Matlab軟件讀取。

2.6 三維形貌建模

由于實(shí)驗(yàn)的最終目的是測(cè)量結(jié)構(gòu)面形貌并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面粗糙度的定量評(píng)價(jià)，因此，需對(duì)導(dǎo)出的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模。采用Origin 或Matlab 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)面試樣的三維數(shù)字化重構(gòu)，得到如圖6 所示的結(jié)構(gòu)面試樣Ⅰ的三維數(shù)字模型，既可以觀察結(jié)構(gòu)面表面的精細(xì)形貌特征，又可以提取海量采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖6 結(jié)構(gòu)面三維模型

3 結(jié)構(gòu)面形貌定量評(píng)價(jià)

3.1 結(jié)構(gòu)面形貌定量評(píng)價(jià)方法

為了獲取結(jié)構(gòu)面上的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)并進(jìn)行粗糙度的定量評(píng)價(jià)，需對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行形貌特征采樣。由于自然粗糙巖石結(jié)構(gòu)面的表面由大量形狀不同、尺度各異的凸起體構(gòu)成，其表面幾何特征十分復(fù)雜，開展結(jié)構(gòu)面的真實(shí)三維形貌定量評(píng)價(jià)具有一定難度。因此，考慮學(xué)生的實(shí)際知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)確保學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)面形貌特征及其定量評(píng)價(jià)有基本的感性認(rèn)識(shí)，僅選取典型剖面曲線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。以15 mm為間隔，在結(jié)構(gòu)面上截取9 條等間距的形貌曲線（見圖7）。

圖7 結(jié)構(gòu)面剖面線截取

為了便于結(jié)構(gòu)面粗糙度的定量計(jì)算，將選取的形貌剖面線離散為一系列等間距的采樣點(diǎn)，如圖8 所示。為了得到較為精細(xì)的形貌特征，實(shí)驗(yàn)中所用采樣點(diǎn)間距即圖中xi與xi＋1的水平距離設(shè)為0.5 mm。

圖8 結(jié)構(gòu)面剖面線及采樣點(diǎn)示意圖

結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)JRC 被巖石力學(xué)研究者和工程地質(zhì)人員廣泛使用，也被國(guó)內(nèi)外巖石力學(xué)教材所采納［11，15］。然而，由于傳統(tǒng)的JRC 指標(biāo)評(píng)估主要依據(jù)Barton給出的10 條標(biāo)準(zhǔn)形貌曲線進(jìn)行目測(cè)對(duì)比，其結(jié)果主觀性很強(qiáng)且誤差大。為了定量評(píng)估結(jié)構(gòu)面的JRC值，國(guó)內(nèi)外研究者提出了基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)來(lái)定量評(píng)估結(jié)構(gòu)面形貌特征的方法，其中，形貌曲線的一階均方根Z2被認(rèn)為是與結(jié)構(gòu)面粗糙度密切相關(guān)的參數(shù)之一，且計(jì)算簡(jiǎn)單、容易獲取。在形貌曲線采樣點(diǎn)間距為0.5 mm的情況下，JRC與Z2有如下關(guān)系：

式中，Z2的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：L0為結(jié)構(gòu)面形貌曲線在水平方向上的投影長(zhǎng)度；N為形貌曲線上的采樣點(diǎn)數(shù)目；xi和yi分別為第i個(gè)采樣點(diǎn)的x和y坐標(biāo)。

將式（2）代入式（1），便可得到單條形貌曲線的JRC值，而整個(gè)結(jié)構(gòu)面的JRC值為：

式中：JRC0為整個(gè)結(jié)構(gòu)面的JRC 值；JRCi為結(jié)構(gòu)面上第i條形貌曲線的JRC值。

3.2 結(jié)構(gòu)面形貌定量評(píng)價(jià)結(jié)果

為了計(jì)算結(jié)構(gòu)面的JRC 值以定量評(píng)估其粗糙度，在預(yù)先編制好的Matlab程序中，根據(jù)式（1）～（3）計(jì)算得到結(jié)構(gòu)面的JRC 的值。同時(shí)，為了對(duì)比定量評(píng)估和經(jīng)驗(yàn)評(píng)估JRC值的差異，隨機(jī)抽選5 位參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，要求他們按照Barton方法目測(cè)評(píng)估JRC，結(jié)果列于表1 中。

表1 結(jié)構(gòu)面粗糙度評(píng)價(jià)結(jié)果

由表1 可知，定量評(píng)估可得到每個(gè)結(jié)構(gòu)面唯一的JRC數(shù)值，而不同實(shí)驗(yàn)人員采用經(jīng)驗(yàn)評(píng)估會(huì)得到不同的JRC 值且彼此間存在較大偏差，難以直接使用?？梢?，采用定量評(píng)估方法確定結(jié)構(gòu)面的粗糙度更加客觀。相比而言，結(jié)構(gòu)面Ⅲ的形貌最粗糙，其JRC值為19.8，而結(jié)構(gòu)面Ⅰ的形貌最平滑，其JRC值為9.7。

4 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成效

教育部組織實(shí)施的“國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目，旨在開展以本科生為實(shí)踐主體的科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)改革，將科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新貫穿于本科生教育的始終，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑［16］。傳統(tǒng)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，由于其實(shí)驗(yàn)儀器比較常規(guī)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法相對(duì)單一。在實(shí)驗(yàn)課程中主要以教師操作為主，而學(xué)生則主要是觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生沒有系統(tǒng)地參與到實(shí)驗(yàn)中去，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不強(qiáng)，實(shí)踐能力得不到充分鍛煉。因此，從實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法上對(duì)傳統(tǒng)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改進(jìn)，有望調(diào)動(dòng)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)科學(xué)探索精神和提升實(shí)踐創(chuàng)新能力。

4.1 提升了學(xué)生學(xué)業(yè)知識(shí)水平

將諸如三維結(jié)構(gòu)光掃描儀這類先進(jìn)測(cè)試儀器引入傳統(tǒng)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，要求學(xué)生既掌握實(shí)驗(yàn)儀器的基本操作技能，又學(xué)習(xí)相關(guān)軟件的使用，突破傳統(tǒng)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中只掌握儀器操作的局限。通過(guò)從硬件設(shè)備操作和軟件功能使用到數(shù)據(jù)分析的整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生掌握了走在時(shí)代潮流前列的新技術(shù)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)獲得感，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

4.2 培養(yǎng)科學(xué)探索精神

通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的測(cè)試儀器完善或改革現(xiàn)有的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合巖石力學(xué)相關(guān)科研熱點(diǎn)問(wèn)題來(lái)豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與熱情，促進(jìn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)科技創(chuàng)新技能的掌握，培養(yǎng)學(xué)生的“科研感知”。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，探索并建立以問(wèn)題和課題為導(dǎo)向的教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)興趣的形成，為更高層次的科學(xué)探索積累經(jīng)驗(yàn)。

4.3 提高實(shí)踐創(chuàng)新能力

通過(guò)改革巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓更多學(xué)生直接參加本領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的實(shí)踐學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生科創(chuàng)意識(shí)和培養(yǎng)實(shí)踐能力。通過(guò)教師的指導(dǎo)，學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)試樣制備、儀器操作、軟件使用、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果剖析等一系列實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，大大提升了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用基于數(shù)字化逆向建模的三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)，對(duì)巖石結(jié)構(gòu)面進(jìn)行形貌測(cè)量，獲取海量形貌點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)面形貌的定量評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面形貌測(cè)量從經(jīng)驗(yàn)評(píng)估和傳統(tǒng)手工測(cè)量向自動(dòng)化、數(shù)字化和高精度的轉(zhuǎn)變，使巖石結(jié)構(gòu)面形貌測(cè)量技術(shù)躍升到了一個(gè)新的臺(tái)階，為巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的技術(shù)手段和思路。

將現(xiàn)代工業(yè)科技的最新成果應(yīng)用于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，結(jié)合研究熱點(diǎn)問(wèn)題豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于啟發(fā)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新思維。教師通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生操作儀器、使用軟件、獲取數(shù)據(jù)并分析結(jié)果，可以讓學(xué)生切實(shí)參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的各個(gè)環(huán)節(jié)。踐行“以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，提高其綜合實(shí)踐創(chuàng)新能力。