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摘要：創新能力是本世紀的核心競爭力，其關鍵是創新型人才的培養，這為理工類高校的實驗教學提出了新的挑戰．目前高校中的以學生為主體，教師為主導的大學生創新實驗項目的實施是解決此挑戰的有效途徑之一．以筆者承擔的系列三維立體投影物理實驗的大學生創新實驗項目為例，探討了大學物理實驗中的創新型人才培養模式．通過循序漸進的實驗過程，引導學生自主搭建實驗裝置和編寫控制程序，有效培養了學生的創新和實踐能力，為高校實驗教學改革提供了參考．

關鍵詞：物理實驗立體投影實驗教學創新能力

1引言

當前社會和經濟發展的動力之一是具備創新能力的人才，因此在高校實驗教學中對學生創新能力和實踐能力的培養日益重要［1～3］．特別地，就低年級本科生而言，對于其綜合素質包括創新能力的提高，在大學學習階段及早培養其良好的實驗研究習慣、嚴謹的科學作風和獨立工作能力是必要的［4］．近年來在高校中開展的旨在強化學生創新能力的大學生創新訓練計劃是教育部主導的高等學校本科教學質量與教學改革工程的重要組成部分［5，6］．對于理工類大學生而言，通過有關基礎實驗課程的學習養成其必要的提出問題、分析問題和解決問題的能力，對于培養滿足國家和社會需要的高素質創新人才具有決定性的作用［7］．作為一種綜合性很強的實驗學科，大學物理實驗是各高校學生普遍修讀的一門課程［8］．在此基礎上的以學生為主體，教師為主導的大學生創新性實驗項目的實施對于系統全面地提升學生的創新思維和素養起到了良好的效果．筆者近年來依托浙江大學物理實驗教學中心開展了面向本科生的系列三維立體投影創新性實驗的教學，通過循序漸進的實驗研究，在深入了解有關光學原理的基礎上，從簡單到復雜引導學生搭建各種實驗裝置和編寫控制軟件，逐步實現從靜態到動態的三維立體投影展示．通過該創新性實驗項目的教學，有效培養了學生的創新能力和實踐能力．

2系列三維立體投影實驗項目構建

三維立體投影實驗是大學物理實驗中光學實驗的教學內容，系一種利用光的干涉和衍射原理記錄并再現物體三維圖像或影像的虛擬成像技術［9～12］．但是，目前的一般實驗裝置（如全息投影裝置）技術要求較高，并且受限于動態圖像的立體投影展示．在本三維立體投影系列創新性實驗中，通過由簡單到復雜地搭建四棱錐、六棱錐、圓臺式和前后平行板式立體投影裝置并編寫相應的控制程序，循序漸進地實現了從靜態圖片到動態視頻圖像的三維立體投影效果，鍛煉了學生的獨立思考和動手能力．2．1四棱錐三維立體投影裝置四棱錐三維立體投影裝置的成像原理為，由透明材料（實驗中采用市售透明亞克力板）制成四棱錐反射錐體，通過對置于其頂部電子圖像的表面鏡射和反射，在錐形空間形成可見的三維影像．實驗中使用透明板材制作反射錐的4個等腰梯形形狀的反射面，進而組裝成四面反射錐．該四棱錐裝置中等腰梯形反射面的底角為70．5°，每一反射面與水平面的夾角為45°．反射錐的具體大小根據所使用的電子播放設備的屏幕大小而定［13］．用于投影顯示的視頻文件由MMD建模建立立體模型，然后通過CorelVideoStudioPro連接音頻以及4個方向的視頻．制作完成的視頻文件導入手機或平板電腦，播放時，將反射四棱錐倒放在播放視頻的設備屏幕上，成像效果良好，如圖1所示．（a）裝置設計圖（b）成像效果圖1四棱錐三維立體投影裝置設計圖及其成像效果2．2六棱錐三維立體投影裝置為進一步提高成像質量，在上述四棱錐三維立體投影裝置的基礎上進一步發展出了六棱錐立體投影裝置［14］．同樣以透明亞克力板組裝成該六棱錐三維立體投影裝置，如圖2所示．（a）裝置設計圖（b）成像效果圖2六棱錐三維立體投影裝置設計圖及其成像效果為保證反射光水平射入眼睛，六棱錐的側面和底面所成的二面角為45°．通過空間幾何計算得到，側面三角形斜邊與底邊的比值為1．32．該實驗在教師引導下由學生自己制作了能夠實現實時控制的用于立體投影的程序．該程序還提供了交互功能，通過鍵盤控制直接對模型進行旋轉，在立體投影中呈現角度變換的模型，成像效果良好，如圖2所示．2．3圓臺式三維立體投影裝置顯然地，增加反射錐中反射面的數目能夠提高三維立體投影的成像質量．對于一個具有無窮多反射面的多棱錐，其結構即為圓錐．在該創新性實驗中進一步地設計和構建了圓臺式三維立體投影裝置（圖3），同樣實現了良好的三維成像效果［15］．該圓臺式三維立體投影裝置用透明的筆記本電腦膜制作，頂角為254．6°，圓錐母線與水平面的夾角為45°，反射面大小根據所使用電子播放設備屏幕尺寸而定．為避免成像在頂角處產生扭曲，將圓錐的頂角剪去制成圓臺以提高成像效果．為減輕圖像變形，同步增大圖片和反射圓錐底面以改善成像質量，能夠得到360°立體全景圖，如圖3所示．（a）裝置設計圖（b）成像效果圖3圓臺式三維立體投影裝置設計圖及其成像效果該裝置要求投影源是環繞型的，通過將投影源圖片制作成360°環繞的圖片解決．為實現圖片自動旋轉，采用HTML＋CSS＋Javascript語言編寫一小型應用程序進行實時控制．該程序可自行設置旋轉角速度，在保證圖像分辨率的前提下控制視頻節奏，有效實現了從靜態圖片到自動旋轉圖片的轉變．2．4前后平行板式三維立體投影裝置為進一步拓寬學生的實驗設計思維，下一步脫離多棱錐的設計思路，構建了前后平行板式三維立體投影裝置，同樣實現了良好的三維成像效果（圖4）．該裝置由一個暗盒與固定于其中的兩片亞克力板構成，每塊亞克力板的傾角為45°．視頻源放置于裝置上方，前景（F）和背景（B）經反射后兩個圖像重疊，形成人物視頻和背景視頻相結合的效果．（a）投影裝置原理圖（b）成像效果圖4前后平行板式三維立體投影裝置原理圖及其成像效果應用于該裝置的視頻源要求調整人物的動作視頻與背景視頻的大小相同，并將兩個視頻上下拼接；另外要將人物的背景投到屏幕上．實驗中采用開源的openCV編程解決．

3教學效果分析

通過該系列三維立體投影實驗項目由淺入深、循序漸進地實施，有效鍛煉和培養了學生解決問題和創新思維能力．學生不僅有效掌握了有關光學物理的基礎知識，并能夠熟練和有效地應用到實驗裝置的設計和構建中去．另外，該實驗項目也可看作是一個和計算機科學的交叉研究，為因應不同三維立體投影裝置的成像需要，在教師引導下學生編寫和調試了相應的軟件程序，達到了滿意的效果．在另一方面，教學中學生以團隊的形式（一個團隊含5名學生）進行以上實驗．團隊成員明確分工，有效合作，培養了合作工作的能力，這對學生以后參加科研活動是必要的能力培養．近幾年來該大學生創新訓練計劃項目在浙江大學理工類本科生中進行了數輪的教學，效果良好．追蹤發現多名經過該項目訓練的學生在國內外知名高校進一步深造，達到了滿意的培養效果．

4結論

為培養滿足國家發展和社會進步所需要的創新型人才，理工類大學基礎物理實驗的教學舉足輕重，同時也面臨巨大的挑戰．高等學校本科教學質量與教學改革工程任重道遠，作為一個探索，本文總結了系列三維立體投影創新性實驗項目的教學結果，可作為探索高校實驗教學改革的參考．在教師的有序引導下以學生為主體進行該實驗項目的實施，有效激發了學生的實驗研究興趣和創造性，由淺入深地夯實了學生的知識基礎，有效地培養了學生的創新和實踐能力．

作者:房若宇 單位:浙江大學物理系