伪全息技术的应用及其在物理教学中的教育价值探讨

吴婷婷 陆建隆

摘 要：伪全息3D显示技术起源于佩珀尔幻象，是利用光学原理使影像经投影后产生与全息投影相似的立体图像。伪全息3D技术在当今人们的社会生活中有三种典型的应用，同时其在创设学习情境，作为低成本的现代技术走进学生的探究活动课堂，并引发学生对未来从事科技职业的思考上具有教育价值，启迪了现代物理实验与科技、生活的联结。

关键词：伪全息技术；低成本；教育价值

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）9-0054-3

1 伪全息技术的起源及与全息技术的区别

伪全息3D技术起源佩珀尔幻象（Peppers ghost）技术，距今已有100多年历史。佩珀尔幻象经常使用于剧院和魔术表演中，最具代表的是迪士尼乐园的鬼屋设计。其基本原理为，在黑色背景下，通过一种反射率和折射率均为50%材质的镜子，使物体在人眼中的成像由镜子反射至人眼的图像和物体折射的虚像两部分的叠加组成，从而产生一种幻象感觉。

佩珀尔幻象的一项成熟应用是“裸眼3D显示技术”，也叫伪全息3D显示。它是指若投影源的图案周围背景为纯黑色，在透明背景的现实空间里能够产生物体悬浮在空气中的虚像。这种投影产生的视觉效果与全息显示投影极其相似，但是二者实现的原理不同。全息技术是利用光的干涉和衍射的原理来记录物体三维图像的技术。全息图像是真正的“三维图像”，而如由佩珀尔幻象等视差合成的图像只是“准”三维像，故叫“伪全息3D显示技术”（Pseudo holographic 3D display technology）。

2 伪全息技术的应用

目前，伪全息技术主要有三种应用，一种是“伪立体投影”，表现为将投影机直接背投在投影膜上。如在初音未来洛杉矶演唱会上就是使用德国Sax 3D 公司开发的全息箔投影显示屏。该屏幕可以不受其他角度光线的干扰而显示某一特定角度的图像。（图1）。

另一种伪全息技术的应用，是采用放映机或其他投影光源利用光线先在与地面成45度的透明平坦的面上发生反射后进入人眼的视觉技术。如果反射面周围的背景光线比较黑暗，会产生物体是立体呈现在人眼前的幻象。这种投影的舞台效果非常酷炫，歌手周杰伦与邓丽君实现跨时空同台演唱就是运用了此原理。原理图如图2所示。

第三种应用是360度伪全息成像技术。它由两部分组成，第一部分是视频，一个视频界面同时显示所要投影的二维物体的四个不同的角度。第二部分是由透明材料制成的四棱锥体。视频经四棱锥体折射45度成像并汇集到一起后形成具有感观维度的立体影像。

3 伪全息技术在物理教学中的教育价值

3.1 作为视听媒体，创设学习情境

根据戴尔的经验之塔理论，教育教学要由具体经验入手，再向抽象过渡。有效的学习之路应以具体经验为支柱。塔中的视听媒体层，能够给学生提供较之单纯的语言和视觉符号更为直观和容易理解的经验，并能够不受时空的限制，弥补其他直接经验方式的不足之处。3D伪全息影像作为一种视听媒体，加上其本身具有的立体感和变幻的美感能够有效地为学生提供富有吸引力的学习情境，帮助学生进行积极的知识建构。

3.2 作为低成本的新技术走进学生的拓展探究活动中

课改实施的核心是要突出学生的主体地位，倡导学生主动参与、探究发现、交流合作的学习方式，在经验或学习知识的基础上进行大胆的想象、构建新的图像，提出自己的看法，并勇于尝试 [6]。伪全息技术涉及光学知识可供学生分析，而且现象十分有趣奇特，在捕获学生吸引力的同时可引导学生探究现象出现的条件。鼓励学生利用生活中现有的材料进行实验验证，逐步实现从模仿阶段到再造阶段到最后的创新阶段。并在活动过程中使学生学会自主合作探究的学习方式。

自初音未来演唱会后，自制伪全息3D舞台在网上非常流行，材料与制作步骤在相关贴吧均可以搜索到。由于伪全息投影技术涉及的光学原理比较简单，教师在讲授光的反射知识点时可将制作伪全息3D舞台作为课外拓展实验。如提前布置相关家庭作业让学生自主搜集材料，教师提供视频资源，并以小组形式合作制作。

所用材料有：手机、厚纸板、黑色鼠标垫、量角器、剪刀、尺、iPad贴膜、透明胶带等。制作步骤：1.在纸上画一个底边长为手机屏幕宽长度，顶角为70.5度的等腰三角形；2.在iPad贴膜上用黑色水笔（后期用纸巾擦去黑色痕迹，保证贴膜干净透明）将其三角形轮廓描出，剪4个该等腰三角形；3.用透明胶带将4个三角形拼接成四棱锥；4.用厚纸板制作简易播放舞台，厚纸板所搭舞台高度要略高于四棱锥高度；5.用会声会影等视频处理软件把教师提供的由4个单一角度拍摄的视频源素材整合到同一个画面上，注意对称性；6.将舞台固定在黑色鼠标垫上，播放视频，观察舞台效果。分别如图3、图4所示。

学生小组在模仿网上流程制作出动漫效果图后，教师可利用学生产生的积极情感体验，趁热打铁鼓励学生自主开发与物理教学有关的视频资源进行制作，如制作简易地球模型，既可加强科学技术与物理学习的联系又能培养学生在学习过程中开拓创新的习惯。操作步骤不再具体赘述，视频处理图和成果图如图5、图6所示。

3.3 实现在物理课堂中引导学生关注现代科技的发展，引发未来从事职业的思考

当今的时代是科技迅猛发展的时代，学生身处在现实的环境中自然而然地在体验着新技术所带来的不同观感和应用价值。当今的教育仍旧要契合“面向未来”的发展战略，物理课堂不仅要成为实现传授经典知识之宝地，也能成为新技术的体验乐园。使学生能够在情感态度与经验上对当今和未来科技生活作出积极的应对，在物理教学中启发学生对未来从事职业的思考与规划，让教育面向、启发学生的未来。

伪全息技术3D显示技术作为中学物理光学课外拓展实验，可为学生未来职业提供多项选择。在视听觉方面，伪全息3D显示实验的视频资源的采集和处理任务为一部分学生提供了接触和熟悉视频编辑软件的机会，可能成为学生萌生今后从事视频处理相关职业理想的“梦想种子”。在3D显示舞台制作方面，要求学生经过精确的角度计算和高度设计以实现图像能从手机立体地呈现在四棱锥中心面上。学生通过亲身经历这个微型工程设计过程，能以预尝工程师的角色扮演。同时，随着小组合作进行3D演示实验的制作与创新，以伪全息3D显示技术为代表的新型科学技术很可能会成为学生实验期间热烈讨论的话题，而对当前国际尖端技术（如3D打印机、云计算等）的关注必定又会反过来启发和引导有些学生的未来职业规划。

3.4 对物理实验的启示

伪全息3D技术作为一项广泛应用于舞台表演中的技术引入物理教学实验中，更好地将课堂情境和学生的生活情境相融合，使学生感觉到物理学不仅非常有趣更是非常有用。同时，作为一项实验拓展教具，它在不增加实验成本的前提下，较之传统的用半圆形玻璃砖观察反射现象更加具有现代科技之味，学生思维能动性也更活跃。在扩展了学生技术视野的同时，更注重发展学生的自主学习和创新能力，激发并培养学生将物理学的原理迁移到其他领域的实验思维，有利于学生对现有认知基础的超越。从而摆脱传统的浮在世外桃源之外的实验教学模式，真正做到物理学与生活、技术、社会的紧密联系。这为教师在实验教学时对于教具的选择与技术、社会以及物理原理之间的融合带来一些启迪。

4 结 语

伪全息3D显示技术因其简单的光学原理和酷炫的视觉效果在人们的生活中得到广泛应用。将伪全息技术引入物理课堂具有教育价值，启示在教学中科技与生活、学习之间的紧密联系。

参考文献：

[1]解问鼎，郭雅洁，陶洪.“佩珀尔幻象”的光学原理及其在初中物理教学中的应用[J].物理教师，2014，35（10）：40—42，48.

[2]李蕾，王健，曹俊.3D影像资源在教育中的应用探析[J].中国电化教育，2011（2）：77—80.

[3]3D终结者I. 图解（伪全息）——之幻影成像原理I[OL].wenku.baidu.com.2012.9.http：//wenku.baidu.com/link？url=OfJ-20eY1tN35W464EQrqOatLBcMbDI_uUa7rm9Y1SlnP-HhnfSVN3JY1a2Dp5cZWTexwRR8w-maeAOZcqbX2pmw_iN3XlNIZ_L20ZK0Viy.

[4]刘炳昇.《中学物理实验教学与自制教具》学习建议（三）[J].大学物理，2001（4）：43—46.

[5]U Maass.Device for displaying moving images in the background of a stage[J].CN，1997.

[6]阎金铎，郭玉英.中学物理教学概论[M].北京：高等教育出版社，2009：18.

（栏目编辑 王柏庐）