計算機模擬3D晶體模型在《礦物學》課程中的應用

王明梁，臧春娟

（宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000）

計算機模擬3D晶體模型在《礦物學》課程中的應用

王明梁，臧春娟

（宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000）

《礦物學》是地質類專業的基礎課程，礦物學學教學中常常需要向學生展示晶體的幾何模型，傳統教學方法一般使用木制模型作為主要教具.筆者在實踐中發現使用3D圖形能夠取得更好的教學效果.

《礦物學》；計算機；模擬3D圖形

《礦物學》是地質類專業（如資源勘查、地質工程等）的基礎課程，是巖石學、地球化學、寶石學等地質相關專業核心課程的重要基礎[1-9]，因此，《礦物學》的教學在地質類專業教學中占有極其重要地位，是其它核心課程開展的重要基石.宿州學院資源勘查專業開設《礦物學》課程，共計45課時，其中授課36課時，實踐課9課時.在授課過程中，需要向學生展示礦物晶體的標準形態，成為了講課過程中的重點之一，對學生今后辨識礦物有重要幫助.然而，如何高效的讓學生理解識記礦物的標準形態，也成為了教學的難點.傳統的木質模型教育已經不能滿足需要.由于計算機技術的發展，3D影響模型得以在教學過程中發揮作用.現有文獻報道，計算機3D模型已經在在機械科學、醫學、物理學和采礦等學科的教學領域中初步發揮作用[10-14]，但是還沒有在《礦物學》教學中的相關文獻.本文將結合筆者的實踐教學經歷，介紹計算機3D模型在《礦物學》教學中的應用.

1 傳統教學方法的弊端

長久以來，教授礦物學的教師使用文字敘述、實物模型和幾何圖形（圖1A）的方式來進行演示[2,4]，一般來說，教學用的教具都是木質的多面體幾何單形，大小在5～10cm不等，使用的幾何圖形一般是簡單勾勒的單形.使用這類模型教學有以下幾個明顯的弊端：

（1）木質教具攜帶不便.教學過程中，一般一次課需要幾個甚至十幾個模型，如果再考慮攜帶多套在上課時供學生傳看，就需要一次攜帶幾十個甚至上百個木質模型.這對教師（特別是女教師）來說是一個很大的負擔，攜帶十分不便.

（2）木質教具容易丟失.項目負責人參觀過北京大學、中國地大（北京）、南京大學和蘭州大學等國內多所重點大學的礦物學教研室，在這些教研室中擺放的礦物晶體模型多是殘缺的.無論多么嚴格的管理，這些小模型總是容易丟失的，如果恰巧某一個模型丟失的幾率較大（這個模型比較漂亮或者比較小），就可能造成教研室缺失該模型，這就為教學帶來了困難.

（3）不易觀察.木質晶體模型最大不超過10cm大小，如果在一個約50人的教室的講臺上演示，第三排（靠近講臺的座椅為第一排，以此類推）以后的學生就很難看清.如果將教具做的很大，就會非常笨重，這時旋轉和演示就變得十分困難.也就是說，使用傳統教具，必須在靈活和大小中做出選擇，無論如何選擇，都不能讓一個約50人的教師中的全部學生觀察清楚.

（4）簡單幾何形狀不容易觀察.一般而言，簡單勾勒的幾何圖形需要相當的空間思維能力才能獲得比較好的教學效果.如圖1所示，B圖所示的立方體遠遠比A圖直觀.

圖1 《礦物學》教學中使用的幾何圖形

綜上述，傳統的教學模式已經不能完全滿足新時代《礦物學》教學的需要，急需新的教學模式和教學方法來解決上述4個問題.科技的進步為解決“礦物學”中教學模型的使用方面提供了契機[9].

2 計算機3D模型的應用

計算機在20世界末和本世紀初、得到了廣泛的普及，教授《礦物學》的老師們也逐漸的開始使用多媒體來演示一些礦物模型.新的問題又隨之而來，在多媒體上演示的模型多是二維模型，需要同學們通過自己的空間感和抽象思維能力將其轉化成三維圖形[7,9].這需要學生具有良好的抽象和空間思維能力，考慮到普通本科院校學生的實際情況，二維模型的使用效果不是非常理想.

計算機3D技術在上世紀90年代以后得到了空前發展 （具體情況參見 http://baike.baidu. com/view/4744346.htm?fr=aladdin）.近些年來又出現了裸眼3D技術，我們只需要按照一定方法處理二維圖片，就能在二維屏幕上呈現三維圖像效果或呈現3D動畫（圖2C）.使用裸眼（偽裸眼）3D技術，我們可以憑借現有條件在多媒體投影儀上呈現三維礦物模型.學生在上課的過程中會被這些動畫和圖形所吸引，極大的提高了同學們的學習熱情和學習效率.

圖2 立方體的不同展示方式

3 教學效果

興趣是學習的第一導師，通過使用計算機3D模型的方法進行教學演示，學生對礦物學晶體認識以及礦物學中常見礦物的區分的掌握水平提高顯著.筆者現已教授了三個年級（2013/2014/2015）的《礦物學》課程，從2014級開始使用計算機3D模型進行教學.如圖3所示，從實踐部分考試（礦物標本辨識）以及期末考試礦物鑒定中成績中都能看出，計算機3D模型的使用有效的提高了《礦物學》的教學效率.

表1 近三年來礦物學與模型識記相關考試的成績

圖3 2013級-2015級《礦物學》標本辨識及礦物鑒定平均成績

〔1〕繆秉魁,歐東新.“結晶學與礦物學”課程教學改革初探 [J].桂林工學院學報 (高教研究專輯), 2007,27（增刊）:87-91.

〔2〕張恩,彭明生.結晶學與礦物學實驗指導書[M].北京:地質出版社,2007.

〔3〕秦善,王長秋,等.“結晶學與礦物學”教學改革與課程建設[J].中國地質教育,2007(1):130-132.

〔4〕王葆華,繆秉魁,等《結晶礦物學》實驗教學改革初探[J].高校實驗室工作研究,2009(4):24-25.

〔5〕繆秉魁.“結晶學與礦物學”的教學思考與探索[M].大學地球科學課程報告論壇論文集.北京:高等教育出版社,2008.227-230.

〔6〕傅濤,蔣洪亮.創新《礦物巖石學》實驗教學方法[J].中國科教創新導刊,2008(26):79.

〔7〕汪立今,木合塔爾﹒買買提,等.“結晶學及礦物學”課程教學改革探索[J].中國地質教育,2008 (2):52-54.

〔8〕林美群.礦物資源工程專業開放式實驗教學的探索 [J].廣西大學學報 (哲學社會科學版), 2008,30(增刊):8.

〔9〕馮娟萍.“結晶學與礦物學”教學實踐及探索[J].陜西教育﹒高教,2013(9):58-59.

〔10〕單鴻波,etal.,3D模型庫在機械基礎課程教學實踐中的應用.東華大學學報自然科學版, 2011，37(4):535-540.

〔11〕谷曉晨,etal.,采用123DCatch建立中藥材的3D模型.安徽中醫藥大學學報,2014，33(1): 85-86.

〔12〕林夏菲and席義勛,基于3D模型的虛擬現實技術在反爆炸教學訓練中的應用.科技信息, 2010(13):36-36.

〔13〕葉會and王祖源.物理現象3D演示模型在跨學科教學中的應用.in全國高等學校物理基礎課程教育學術研討會,2013.

〔14〕張云飛,etal.,組合式3D模型在骨科臨床課教學中的應用及優勢.現代生物醫學進展, 2015，15(21):4168-4171.

G642

A

1673-260X（2017）05-0205-02

2016-12-10

國家自然科學基金青年項目（41502057）和宿州學院2015教博科研啟動基金（2015JB01&2015JB07）聯合資助