田 丰，潘 浩，张文俊，刘锦高

（1.上海大学 影视艺术技术学院 影视工程系，上海 200072；2.华东师范大学 信息学院，上海 200062）

早期的教育模式主要以课本教材为主，随着技术的进步，课堂教学辅助设备也在不断更新，比如幻灯片投影以及计算机辅助教学都在相应阶段取得了较好的教学效果。将信息技术有效地融入各学科成为业内共识。这种方式营造了一种信息化教学环境，实现了一种既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的以“自主、探究、合作”为特征的教与学方式，从而把学生的主动性、积极性、创造性较充分地发挥出来，使传统的以教师为中心的课堂教学结构发生根本性变革[1]。对于未来的教学，应该更注重合理利用不断发展的新技术来引导学生在正确理解知识的同时能够开拓思路、发散思维，将理论与实践结合起来[2]。

在自然科学的教学过程中，通常会涉及具体结构，比如三维几何模型、化学分子结构等，目前在教学方式上只能局限在平面显示上。如何突破基于二维图像教学而实现三维立体互动的教学，是未来理、工、医科教学模式改进的一个新的思路和方向。

真三维显示是一种全新的立体图像显示技术，可允许多人多角度同时观察所展示的三维立体影像，给人独特新颖的视觉感受与体验。真三维技术发展迅速，现已在展览展示、医学影像等特殊领域得到部分应用。大量的新技术将在未来课堂中使用，而真三维显示系统作为关键的教学辅助设备，将有望与未来教学相融合。本文结合高清晰真三维显示系统应用优势，讨论了真三维显示在教学互动过程中的作用，并对真三维技术在未来教学上的应用作出展望。

1 真三维技术在未来教学中的应用探讨

1.1 真三维技术简述

裸视立体显示是一种无需佩戴特殊眼镜就可获得立体影像的技术。裸视立体显示技术主要包含全息三维显示、自由立体显示和体显示技术。全息三维显示技术重构物体光波，存在显示环境要求高，不能大面积应用等问题[3－4]。自由立体显示使用柱透镜等材料，它通过双眼视差形成立体视觉[5－7]。自由立体显示器把屏幕分割成多个视区，存在的缺陷主要有：单视区分辨力降低；长时间观看将产生眩晕；立体空间比例失真；立体视区间存在一定互扰；视点少；难以实现垂直视差；不能360°环视。

真三维技术通过适当方式激励显示体内的介质产生可见光辐射形成体像素。每个体元的亮度和色彩可控，体元的空间位置真实地体现在三维显示系统中，从而组成真正意义上的三维空间图像。真三维显示表达物理景深且能展示一个最接近真实物体的立体画面，符合人们观察世界的真实感受，满足所有生理和心理的深度暗示。一般真三维显示系统可实现全角度裸眼观看，较其他两种裸视立体显示技术，更接近于最终的显示目标[8－10]。

按显示原理，真三维显示可分为静态体显示和扫描体显示[11]。静态体显示能在一个固定的空间中产生体像素。静态体显示通常使用红外上转换技术，较高功率的红外激光将会对眼睛带来伤害。基于体扫描的真三维技术是依靠机械装置的周期性运动来产生体像素。体扫描使用可见光成像，对眼睛无害。除扫描机械部件限制外，体扫描空间尺寸不受其他因素制约。

1.2 真三维技术在国内的进展

在国内，浙江大学、华东师范大学和上海大学等单位都对真三维显示进行了大量的研究。用电机作为转台的驱动，利用平面显示阵列构成图像源，围绕中心转轴旋转，可扫描出一个三维圆柱体空间。LED点光源作为平面显示阵列的基本单元。图1a给出了基于柱空间体扫描的真三维显示结构，其硬件系统包括LED显示面板、显示扫描电路、主控制器、直流稳压电源、交流电刷、交流电机、电机调速器、转台、底座等。图1b给出课题组研发的第一台单色低分辨力真三维显示系统。

真三维显示通过全角度立体感官刺激来帮助人们理解模型的结构，已成功应用于商业展览展示中，且获得了参观者的认同。为了发掘真三维技术在教育领域的价值，课题组设计了基于LED的高分辨力真三维显示器，在附属学校和课题组所在学院内试用，取得了部分用户反馈信息，这些信息为下一步在教学上的研究提供了必要的线索。总结系统在教学上的使用情况，并对真三维技术在未来教学上的应用作出展望。

2 真三维技术辅助未来教学的优势

2.1 自然科学对教具的需求现状

与文科教学不同，自然科学的教学过程是一个知识理解、知识深化和知识创造的过程，其教学目的是希望学生通过掌握基础理论认识客观世界，利用现有的技术与方法解决实际问题、研发新的成果，而非仅仅“纸上谈兵”。教材配图的作用是让学生对所学内容有个相对直观的认识，从而促进理解、加深印象，但这是远远不够的。经调查，中学生往往对数学中的空间立体几何、物理学中的运动模拟、化学中的分子结构以及生物学中的人体器官结构等内容理解较为困难，原因就是此类知识无法通过教材中的二维插图完整体现出来，仅靠想象难免会产生理解偏差，更难以达到知识深化与知识创造。为了弥补平面配图的缺陷，很多课程配备了实物模型帮助学生理解教学内容。传统的教学方式利用实物或者教师自制的简单模型，但携带困难；根据教学内容更改模型的难度较大；自制模型简单，缺少变化；花费教师大量时间。如果没有模型，仅仅依靠讲解，想把一个立体结构讲清楚是很困难的。

因此，一种能替代实物模型进行自然科学教学的终端系统十分必要。系统能根据教学内容演示静态和动态几何模型。呈现的虚拟物体具有较高的图像分辨力；虚拟物体的亮度达到室内观看的要求；可实现360°裸视立体显示；具有一定的显示体积，可绘制常用的教学模型教具；系统体积小，便于搬运；可识别使用者的简单手势，支持人机互动。

2.2 转化平面抽象为三维具象

从知识理解层面来讲，人的大脑总是对直观具体的事物的理解深于间接抽象的事物。真三维显示技术可在空间绘制模型图像，利用此技术辅助自然科学教学可以真实地将书本中无法完整体现的信息展现出来，以三维影像代替二维插图，快速高效地向学生展示更加直观准确的信息。比如在数学教学中展现空间几何体的分解、组合、展开、投影等过程，真三维技术将加深学生对空间几何体的认识。又比如在生物课程中，DNA双螺旋结构二维图像虽然清晰标注了分子成分与大小，但投影的二维图像失去了模型背面和内部结构，而真三维显示技术可展示模型所有表面和内部结构，具有很强的感染力和表现力。复杂及互动的立体模型展示正是真三维技术的优势。真三维技术辅以教学，将抽象知识具体化，平面书本三维立体化，有利于学生对原理及模型建立深刻的印象，有利于深入理解所学知识。

2.3 提升兴趣、提高学习效率

从知识深化层面来讲，将真三维技术融合于自然科学的教学过程中，可以帮助学生加深对知识的理解与记忆。现阶段的教学大都主张形象化教学、趣味性教学，而非早期的死记硬背。例如在学习人体解剖学过程中，人体骨骼形态、人体内脏器官形态等内容名词繁杂，枯燥难记，凭借教科书中的二维图像，需要很好的空间想象力才能完成各个结构的记忆，不仅学生在学的过程中比较吃力，而且教师在授课过程中也存在一定的难度。如图1c所示，利用真三维技术展示头骨形态，在教与学的过程中都可以360°观察整个头骨，同时学生可以与模型进行互动，通过放大、缩小、旋转、组合等操作更加清晰准确地学习各个部位。据研究人员表明，多种感知参与的学习活动有利于提高记忆力，真三维技术的使用可最大程度调动学生的多种感知，在学习过程中使大脑处于高度兴奋状态从而有利于学生在互动中提高记忆力和学习效率。

2.4 发散思维、开拓思路

从知识创造层面来讲，先进技术的发展不仅需要数理化等理论知识作为基础，更需要想象力和创造力来推动，这就需要教师在指导学生过程中不仅要将理论知识灌输给学生，同样也要尽力使学生接触先进的技术，真三维技术辅助教学的方法正是给予教师和学生一个接触先进数字媒体技术的机会。真三维显示作为近几年来迅速发展的技术，从概念、原理到方法都得到了全面发展，在教学中使用具有物理景深、自然逼真的三维静止或动态的立体影像，无疑是给自然科学类教师以及学生一个全新的课堂体验。在学习课堂理论知识的同时更加认识到现阶段科技的发展进程，更重要的是有助于培养学生良好的学习方法和思维模式，使之避免仅仅局限于课本知识。

3 真三维技术在教学中的应用展望

3.1 真三维技术在数学教学中的应用

真三维技术能在空间立体几何的教学中发挥专长。在悬浮的空间中绘制顶点、线段、立方体、球体等各种简单的三维模型，可替代实物模型的演示（见图2）。

以立体几何中的重要定理“三垂线定理”为例。在学习三垂线定理的过程中，感到困难的是分辨直线与直线之间的位置关系，加上题目中往往线条较多，加大了判断难度。另外，许多同学对定理内容不清楚，导致做题时思路混乱。在讲授三垂线定理的过程中，首先在空间中绘制长方形作为基础平面，然后利用空间鼠标让同学自由选择平面内的O点和平面外的P点，系统确认输入后连接OP两点，系统绘制P点到平面的垂线，交点为A，连接OA，同学自由选择平面内的一点Q，确认后系统作过Q点且与OA垂直的直线L，根据定理标注直线L和OP垂直。

学习定理之后，可根据教案布置与定理相关的课堂例题。按题目的要求绘制顶点、线段等几何图元，用文字标注几何图元，以及在空间中与题目一致的几何图形。同学根据答题要求，操作空间鼠标，完成答题的整个过程。

3.2 真三维技术在物理教学中的应用

物理知识与实践紧密联系，许多知识是实践观察的总结，就更应以实验为引导，让学生在观察实验现象的过程中学习物理。以弹簧振子运动实验为例（见图3），同学选择不同劲度系数的弹簧和不同质量的砝码，在真三维显示器上出现被选参数弹簧和砝码，按计算机计算的振动周期实时绘制弹簧的变形情况。同学记录不同参数下的振动周期，分析弹簧振子的运动周期与振子质量、弹簧劲度系数、振子振幅之间的关系。

3.3 真三维技术在化学教学中的应用

化学教学希望做到深入浅出、生动有趣、直观性强，以激发学生的兴趣。化学中的分子结构只能用实物模型表示，而大量的实物模型不利于存储、运输和维护。在教学过程中教师拿出分子结构实物模型，讲解模型内的元素和分子链。模型是实物，不能变形，这对于表达化学反应是无能为力的。在讲授化学反应的过程和结果中，利用真三维系统描述运动三维空间结构的特性（见图4），制作分子反应的动画，能形象地描述化学反应中，分子破裂成原子，原子重新排列组合生成新物质的过程。

3.4 真三维技术在机械设计教学中的应用

在机械设计与教学中，常用到AUTOCAD、PRO/E等设计软件。它们都是基于平面显示的三维设计。影片《钢铁侠》中外壳机器人的设计过程给观众留下了深刻印像。虽然它由计算机影视特效产生，但它所用的技术背景就是真三维互动与显示技术。真三维互动设计实现了空间显示的三维设计，设计的模型与实物成等比例缩放关系。三维CAD软件拥有大量的模型结构库，零件本身就由三维数据表达。在未来，真三维显示系统将与三维CAD软件对接，教师以立体显示内容为蓝本，讲述常用机构、传动与轴系零件。同学们不需要去嘈杂的实验室听实验课，就能够在课堂上进行虚拟设计与拆装实验（见图5）。

3.5 真三维技术在医学教学中的应用

把真三维技术作为医学教学的基本手段，能让医科生更真实地掌握生理组织结构，减少标本使用率。让医生快速掌握病人病灶和正常组织的空间位置，进行术前的空间1∶1推演。真三维技术不但能在教学与仿真中得到应用，它也可能被应用到肿瘤放疗、介入治疗等手术治疗过程中。

以脑动脉瘤介入治疗教学为例，图形工作站接收并存储医学影像设备获取的DICOM格式的原始影像画面；真三维数据转换器从图形工作站获取原始图像数据，由转换器硬件完成原始图像的分割、三维建模、真三维路径图生成；存储病例的真三维数据，便于后续的教学推演。在真三维显示器上绘制记录的三维脑血管路径图，绘制的影像包含了动脉瘤的瘤颈、瘤体和生长方向，为导管和材料选择提供直观的依据。在空间路径图的导向下，同学使用空间鼠标把微导管引入虚拟动脉瘤腔内，确保头端处在动脉瘤腔中部，输送弹簧圈进入动脉瘤，在真三维路径图上观察罗现状盘绕，判断弹簧圈形态、成篮和填密闭情况，完成虚拟手术教学。

4 结论

信息技术能高效地传递教学信息，已成为课堂教学的主要手段之一，它在快速传递知识的同时，能加强学生对知识的理解，提高课堂趣味，开拓思路，培养更好的学习方法和思维模式。真三维技术与教学的融合能够解决教与学过程中无法形象表示图形、图像的问题。尽管目前真三维技术还不能完全替代传统的投影或电子白板等显示技术，但利用真三维技术来辅助自然科学的教学是课堂与科技链接、理论与实践结合的一个有效方式。这种先进的、新颖的全方位三维显示方式，能使教师在授课过程中不必拘泥于课本以及PPT等相对传统的平面图形，达到教学相长。

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