3D投影技术在物理实验教学中的作用

张 映，张雨姗，代超超，孙丽萍

(贵州师范学院 物理与电子科学学院，贵阳 550018)

传统的物理实验授课需要在实验室中完成实验教学部分，而线上授课过程学生接触不到实验仪器，体会不到物理实验的趣味性，对此，开展了对物理实验教学系统有辅助作用的3D投影技术研究。目前，3D投影技术在硬件方面已经趋于成熟，例如，可以应用于舞台上，在空中产生立体的幻象，但却较少应用于物理实验教学方面。本研究通过3D投影技术可以让学生更直观、更清楚地看到实验仪器，从而开发学生的物理思维，拓宽眼界。

1 3D投影技术原理及其装置

1.1 原理

3D投影技术是对已记录的二维图像使其三维再现的一种光学现象，简单来说，就是使二维图片所记录的物体在三维空间立体再现的一种技术。它在硬件上已经趋近成熟，但在素材的基础上仍然有所欠缺，而素材的制作在2016年“未来教室”的应用研究中就已经有了很完备的制作方法，模型制作流程图如图1所示。

1.2 3D投影技术装置

3D投影技术装置价格低廉，只要利用一张透明的塑料片就完全可以自己制作一个小型的3D投影技术装置，制作步骤就是将其制作为四块大小相同的矩形，将其两两相连制作成金字塔形状，顶部预留出一个正立方形，将制作好的金字塔倒置放在制作好的模型图上，这就展现出了一个可以直观360°观看的图片，如图2所示。

图1 模型制作流程图Fig.1 Modelling flow chart

图2 3D投影装置图Fig.2 3D projection devices

2 凸透镜成像规律的实验对比研究

传统的凸透镜成像规律实验教学需要学生课前预习，在上实验课的时候才能接触实验仪器，这种教学模式下，学生对实验仪器不熟悉，预习效果不理想，如图3所示。

图3 传统凸透镜成像规律实验Fig.3 Experiment of traditional convex lens imaging law

验证凸透镜成像规律是一个比较抽象的实验，传统的实验教学模式需要学生运用空间想象力想象光线传播的路径，而3D投影技术能够为学生提供光路图，使学生对光路有一个直观清晰的认识，如图4所示。

图4 3D投影凸透镜成像规律实验Fig.4 Experiment of convex lens imaging law of 3D projection

在验证凸透镜成像规律的实验中，对传统实验教学模式和3D投影技术实验教学模式进行对比分析，发现传统实验教学模式的抽象性使学生在理解上存在一定困难，而3D投影技术实验教学模式可以让学生直观、立体地观察实验仪器和实验过程，在预习阶段和教学中都能为学生提供便利。与3D投影技术结合的物理实验教学突破了教学空间和实验仪器的限制，扩大了学生学习范围，提高了学生学习兴趣和教师教学效率[1]。

3 基于3D投影技术的物理实验教学模式的优点

物理是一门以观察和实验为主的自然科学。物理现象和基本规律普遍来自于生产生活中，具有趣味性和知识性的实验能引起学生的兴趣，激发学生学习新知识的欲望。物理实验是物理概念和规律得以归纳和总结的依据，也是物理教师用来教学的主要工具，直接影响着教学效果[2]。基于3D投影技术的物理实验教学模式的优点主要包括以下几个方面。

3.1 预习更直观

预习是物理实验课的一项必要环节，在传统教学模式中，学生只能通过查阅资料或翻阅教材来完成预习，而在3D投影技术的教学模式中，教师在实验预习阶段就能够让学生直观立体地观察实验仪器，让学生在视野中感受到更加真实的3D图像、动画转换和良好的视觉效果，进一步提升学生的物理空间想象能力、思维发散能力和注意力，了解实验仪器的操作方法及实验过程中的注意事项。

3.2 操作更便捷

3D全息投影技术运用在教学模式中极大地提高了教学的方便性和教学效果。在操作实验部分，3D投影技术教学模式相比传统教学模式更加便捷，在熟悉实验仪器操作方法的前提下，能够减少因学生不恰当操作对实验仪器造成的损坏[3]，提高学生的动手能力，使学生操作起来更容易且更具针对性，从而深入理解物理实验的原理。

3.3 实验报告更高效

学生在传统实验教学结束后撰写实验报告时常常会产生困惑，问题得不到及时解决，可通过3D全息投影仪预习实验，这种新颖的教学模式极大地提高了学生学习的兴趣，学生可以利用先进的媒体形式完成实验预习，让学生根据自己存在的问题进行思考，实现自主学习，将在实验前发现的问题带入实验课堂中，在教师的引导下与同学积极讨论交流，解决学生的困惑，提高学生的主观能动性和团队合作能力。

4 结语

3D投影技术与传统教学相结合的模式不仅能够加强学生的视觉感受，还能够实现教育资源的共享，表达起来更加生动、灵活，克服了传统教学的局限性，提高了教师的教学能力和学生的思维能力，具有很大的潜在优势。