顯微放大的多用戶同步野外地質教學

于俊峰 劉大偉 劉存革

摘要：隨著技術的進步，傳統野外地質觀測手段在信息定位、信息數字化、成像以及信息傳播等方面均無法滿足現代地質教學的要求。文章針對這些問題，提出通過將傳統設備和數碼移動設備的技術相結合來彌補以往單項工具適用性的缺陷，從而實現多用戶共享，在教與學同步基礎上增強了互動，有效地提高了相關課程的實驗教學水平。

關鍵詞：野外地質教學;微觀視野;傳統設備;現代移動設備

顯微放大廣泛應用于地球科學、醫學、生物學、工程學、納米材料學和航天科技等重要領域。通過顯微放大，把各種人的肉眼無法看到、難以觀察的現象或人的正常視野無法包容的景象清晰、真實地展現在觀眾面前，從而揭示大自然的奧秘，把人們的眼界擴大、加深。這些特殊的手法有許多種，如動畫、逐幀拍攝、航拍、衛星遙感技術等，其中顯微、放大攝像就是很重要的一種方法。

獨立的科學研究實現自我視域放大即可，但在教學環節，實物的微觀世界展示要求跟宏觀特點呈現一樣，信息需要有多用戶同步功能，否則，師生只能在顯微鏡下一個人操作觀察，缺乏實時交流，甚至難以找到既定目標。

在地球科學和工程領域，地質錘、羅盤和放大鏡是野外地質工作三寶，但傳統野外地質觀測手段諸如地質放大鏡在信息定位、信息數字化、成像、以及信息傳播等方面均效果不佳，而且使用過程只能限于單用戶觀察，在邊觀察邊教學的過程中造成教育者和受教者信息不同步、不對稱，教學效果欠佳。隨著技術的進步，傳統野外地質觀測手段亟需更新換代，本研究選擇智能手機或平板電腦等存儲和顯示設備與放大成像工具結合的方式來解決這一問題，取得了較好的效果。

一、野外地質觀察的顯微放大需求

野外地質實踐活動不光要描述地質的宏觀特征，還需要觀測微觀地質現象，地球科學的細分科學包括巖體的巖石學、礦物學和微觀地質構造等。

如巖石學需要通過微觀觀察，放大觀察巖石顏色、成分、結構，用以指導地質工作者分析研究巖體的類型、產狀、及其共生組合、各種巖石在空間和時間上分布的規律性，來確定巖石形成的各種地質作用、物理化學作用、生成環境等，從而解決巖石的成因、來源、演化等問題。石油地質學領域的巖石微觀研究還包括微觀沉積構造，如巖石顆粒的粒度、視孔隙度、視面孔率、以及顆粒之間及顆粒與雜基的分布與接觸關系等。礦物學描述礦物的顏色、晶體結構，如自然界礦物的七大晶系中，除了大顆粒石英、方解石等，大部分還需要通過微觀觀察獲得。微觀地質構造觀察內容包括微觀視野的斷裂、節理、變形、以及流變學等特征。

二、傳統工具的適用性

地質學領域，傳統的顯微放大工具和儀器包括地質放大鏡、顯微鏡和掃描電鏡等，它們都有自身的適用性。

地質放大鏡：是傳統的野外觀測工具，是幫助眼睛觀察微小物體或細節的簡單的光學儀器。目前，一般野外采用的地質放大鏡倍數約為10×（大鏡面）和20×（小鏡面），也有30×的倍數。這種放大鏡為看清楚微小的物體或物體的細節，往往需要把物體移近眼睛，這樣可以增大視角，使其在視網膜上形成一個較大的虛像，但是僅限于觀察者，旁觀者無法同時觀察，所以它具有不同步性。

顯微鏡和掃描電鏡：顯微鏡和掃描電鏡都是電子光學儀器，掃描電鏡是利用電子槍發射電子束經聚焦后在試樣表面作光柵狀掃描，通過檢測電子與試樣相互作用產生的信號對試樣表面的成分、形貌及結構等進行觀察和分析，它具有獲取圖片精確、分辨率高（0.5μm-10nm）和連續可調等綜合分析能力。但是，相對于傳統地質放大鏡，這兩種儀器在工作時需要與電源相接，而且體積大、質量重，不易攜帶，更是容易損壞、價格高昂，所以，它們只適合室內高精度觀察，不適合攜帶到野外工作。

三、易行的同步設備及操作流程

野外顯微放大觀察易行的同步設備是傳統設備和現代電子移動設備，包括放大鏡、手機或者平板電腦等。目前，我們在野外已經基本用手機或者平板電腦代替傳統放大鏡，因為它們都有自帶的放大功能。手機和平板電腦的成像像素在1 200～4 000萬之間，大部分可以放大1～15倍，少數可達到30倍。因此，從放大倍數角度，現代手機和平板電腦完全可以代替傳統放大鏡。

情況1，在觀察巖石的結構時采用如下觀察步驟：首先，固定觀察者與樣本之間的距離，根據需要設定放大倍數（放大倍數應該既便于看清巖石結構又能包含要觀察的必要地質特征范圍），微調巖石樣本和手機的間距;其次，當手機顯示屏呈現清晰圖像時，要按下拍照快門，固定圖像;最后，以放大的圖像為虛擬樣本，觀察樣本特征，針對樣本進行教學。

情況2，雖然手機型號不一樣，但是，基本上所有手機用高倍數變焦或者剪裁放大出來的照片，都有兩個現象：一是涂抹感嚴重;二是噪點升高，這是由手機的算法決定的。所以，手機和平板電腦的攝像頭盡管提供了變焦功能，但一般也無法使用最大變焦倍數。這時我們就可以采用地質放大鏡和手機變焦功能相結合的方式。具體做法是先用手機觀察巖石樣本，變焦使之能達到觀察清晰的最大倍數（8～25倍），然后用手機的攝像頭鏡頭對準放大鏡鏡中，使放大鏡的邊框跟手機外殼緊貼，再重復1的過程。

四、特點

（一）多用戶共享

傳統地質放大鏡教學的最大困難是只能單用戶操作，通常不支持用戶之間的數據共享。在野外講解巖石標本時，教師自己要操作并觀察放大鏡視野中的內容，并告訴學生其所觀察到的現象，然后讓學生按照操作規范對原有巖石樣本重新觀察。不同的是，基于類似于數碼互動的實驗室顯微系統構建，現有移動設備跟放大鏡結合應用獲得了數據和圖片后，可以通過移動互聯網平臺把數據和圖片轉發給每位學生，學生可以在自己的移動設備上觀察和交流，并把重要或者疑難問題捕捉拍照、標注存檔，以便于進一步學習，達到多用戶資源共享的目的。

（二）教與學同步性

教與學的同步性包括視聽同步、交流同步。同步視聽對人類神經學習系統的反射十分重要。同步的視聽，是一種基于神經元群鎖相活動的持續性的動態場電位，有利于人們在感官增強基礎上的深度學習。通常，教師的單用戶非同步教學，學生無法完全了解教師觀察時講解的內容，比如視域中分別存在A、B、C三種現象，教師在放大鏡中看到A的時候講解A，但此時學生是看不見A的，所以造成教學效果差、效率低。而移動設備和放大鏡結合的優點是把A、B、C三種現象同時放大成像，用移動設備拍攝的圖像在LCD上進行教學，以靜態的方式表現事物的瞬間特性，能夠讓學生詳細、清晰地同步觀察巖石的顏色、成分、結構、構造等，并且畫面穩定。這種三維一體的方式變被動為主導，能喚起學生自我學習意識的覺醒，提高了他們的學習興趣，從而克服了以往觀察方式的單用戶缺點。

（三）尺度放大，便于觀察

用肉眼觀察顯微鏡視野，信號只能輸入到大腦皮層 ，而移動數碼可以將微觀視野影像在放大鏡基礎上進一步放大并變成LCD視覺效果。地質放大鏡采用的是大視孔，而手機、平板電腦采用小孔視角和長焦距，兩者配合可以有較大的景深。如果放大鏡的放大倍數是10×，手機的放大倍數是8～25，則它們結合應用的放大倍數就是18～35×，可以完全滿足地質工作者在野外對巖石顆粒的形態、結構的觀察需要。

（四）不改變圖像清晰度

移動設備的清晰度容易調試，而地質放大鏡和移動設備相結合產生的圖像質量也基本不變。放大鏡的工作原理是通過凸透鏡在觀察者視野呈現一放大的虛像。攝像頭則是景物通過鏡頭（LENS）生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面，然后轉為電信號，經過A/D（模數）轉換后變為數字圖像信號，最后通過顯示屏（LCD）顯示圖像。這一過程跟人們裸眼觀察地質放大鏡成像等同，只是后者在實際工作過程中事先被設定了一定的放大倍數。

五、結語

傳統設備和數碼移動設備的技術融合，彌補了以往單項工具適用性的缺陷，實現了基礎地質類課程如巖石學、礦物學、礦相學和古生物學實驗教學由傳統的“被動式”和“灌輸式”向“自主式”“探究式”“合作式”和“交互式”學習的轉化。在實現多用戶共享、教與學同步基礎上增強互動，有效提高了相關課程的實驗教學水平。

在野外地質實踐的教學中，將傳統放大鏡與現代移動設備（如手機或者平板電腦）結合應用只是傳統方法和現代化科技結合的一個縮影，經驗證，此種方式在近年的野外教學過程中效果較好，具有一定的推廣價值。

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編輯∕楊波