计算机模拟3D晶体模型在《矿物学》课程中的应用

王明梁，臧春娟

（宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000）

计算机模拟3D晶体模型在《矿物学》课程中的应用

王明梁，臧春娟

（宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000）

《矿物学》是地质类专业的基础课程，矿物学学教学中常常需要向学生展示晶体的几何模型，传统教学方法一般使用木制模型作为主要教具.笔者在实践中发现使用3D图形能够取得更好的教学效果.

《矿物学》；计算机；模拟3D图形

《矿物学》是地质类专业（如资源勘查、地质工程等）的基础课程，是岩石学、地球化学、宝石学等地质相关专业核心课程的重要基础[1-9]，因此，《矿物学》的教学在地质类专业教学中占有极其重要地位，是其它核心课程开展的重要基石.宿州学院资源勘查专业开设《矿物学》课程，共计45课时，其中授课36课时，实践课9课时.在授课过程中，需要向学生展示矿物晶体的标准形态，成为了讲课过程中的重点之一，对学生今后辨识矿物有重要帮助.然而，如何高效的让学生理解识记矿物的标准形态，也成为了教学的难点.传统的木质模型教育已经不能满足需要.由于计算机技术的发展，3D影响模型得以在教学过程中发挥作用.现有文献报道，计算机3D模型已经在在机械科学、医学、物理学和采矿等学科的教学领域中初步发挥作用[10-14]，但是还没有在《矿物学》教学中的相关文献.本文将结合笔者的实践教学经历，介绍计算机3D模型在《矿物学》教学中的应用.

1 传统教学方法的弊端

长久以来，教授矿物学的教师使用文字叙述、实物模型和几何图形（图1A）的方式来进行演示[2,4]，一般来说，教学用的教具都是木质的多面体几何单形，大小在5～10cm不等，使用的几何图形一般是简单勾勒的单形.使用这类模型教学有以下几个明显的弊端：

（1）木质教具携带不便.教学过程中，一般一次课需要几个甚至十几个模型，如果再考虑携带多套在上课时供学生传看，就需要一次携带几十个甚至上百个木质模型.这对教师（特别是女教师）来说是一个很大的负担，携带十分不便.

（2）木质教具容易丢失.项目负责人参观过北京大学、中国地大（北京）、南京大学和兰州大学等国内多所重点大学的矿物学教研室，在这些教研室中摆放的矿物晶体模型多是残缺的.无论多么严格的管理，这些小模型总是容易丢失的，如果恰巧某一个模型丢失的几率较大（这个模型比较漂亮或者比较小），就可能造成教研室缺失该模型，这就为教学带来了困难.

（3）不易观察.木质晶体模型最大不超过10cm大小，如果在一个约50人的教室的讲台上演示，第三排（靠近讲台的座椅为第一排，以此类推）以后的学生就很难看清.如果将教具做的很大，就会非常笨重，这时旋转和演示就变得十分困难.也就是说，使用传统教具，必须在灵活和大小中做出选择，无论如何选择，都不能让一个约50人的教师中的全部学生观察清楚.

（4）简单几何形状不容易观察.一般而言，简单勾勒的几何图形需要相当的空间思维能力才能获得比较好的教学效果.如图1所示，B图所示的立方体远远比A图直观.

图1 《矿物学》教学中使用的几何图形

综上述，传统的教学模式已经不能完全满足新时代《矿物学》教学的需要，急需新的教学模式和教学方法来解决上述4个问题.科技的进步为解决“矿物学”中教学模型的使用方面提供了契机[9].

2 计算机3D模型的应用

计算机在20世界末和本世纪初、得到了广泛的普及，教授《矿物学》的老师们也逐渐的开始使用多媒体来演示一些矿物模型.新的问题又随之而来，在多媒体上演示的模型多是二维模型，需要同学们通过自己的空间感和抽象思维能力将其转化成三维图形[7,9].这需要学生具有良好的抽象和空间思维能力，考虑到普通本科院校学生的实际情况，二维模型的使用效果不是非常理想.

计算机3D技术在上世纪90年代以后得到了空前发展 （具体情况参见 http://baike.baidu. com/view/4744346.htm?fr=aladdin）.近些年来又出现了裸眼3D技术，我们只需要按照一定方法处理二维图片，就能在二维屏幕上呈现三维图像效果或呈现3D动画（图2C）.使用裸眼（伪裸眼）3D技术，我们可以凭借现有条件在多媒体投影仪上呈现三维矿物模型.学生在上课的过程中会被这些动画和图形所吸引，极大的提高了同学们的学习热情和学习效率.

图2 立方体的不同展示方式

3 教学效果

兴趣是学习的第一导师，通过使用计算机3D模型的方法进行教学演示，学生对矿物学晶体认识以及矿物学中常见矿物的区分的掌握水平提高显著.笔者现已教授了三个年级（2013/2014/2015）的《矿物学》课程，从2014级开始使用计算机3D模型进行教学.如图3所示，从实践部分考试（矿物标本辨识）以及期末考试矿物鉴定中成绩中都能看出，计算机3D模型的使用有效的提高了《矿物学》的教学效率.

表1 近三年来矿物学与模型识记相关考试的成绩

图3 2013级-2015级《矿物学》标本辨识及矿物鉴定平均成绩

〔1〕缪秉魁,欧东新.“结晶学与矿物学”课程教学改革初探 [J].桂林工学院学报 (高教研究专辑), 2007,27（增刊）:87-91.

〔2〕张恩,彭明生.结晶学与矿物学实验指导书[M].北京:地质出版社,2007.

〔3〕秦善,王长秋,等.“结晶学与矿物学”教学改革与课程建设[J].中国地质教育,2007(1):130-132.

〔4〕王葆华,缪秉魁,等《结晶矿物学》实验教学改革初探[J].高校实验室工作研究,2009(4):24-25.

〔5〕缪秉魁.“结晶学与矿物学”的教学思考与探索[M].大学地球科学课程报告论坛论文集.北京:高等教育出版社,2008.227-230.

〔6〕傅涛,蒋洪亮.创新《矿物岩石学》实验教学方法[J].中国科教创新导刊,2008(26):79.

〔7〕汪立今,木合塔尔﹒买买提,等.“结晶学及矿物学”课程教学改革探索[J].中国地质教育,2008 (2):52-54.

〔8〕林美群.矿物资源工程专业开放式实验教学的探索 [J].广西大学学报 (哲学社会科学版), 2008,30(增刊):8.

〔9〕冯娟萍.“结晶学与矿物学”教学实践及探索[J].陕西教育﹒高教,2013(9):58-59.

〔10〕单鸿波,etal.,3D模型库在机械基础课程教学实践中的应用.东华大学学报自然科学版, 2011，37(4):535-540.

〔11〕谷晓晨,etal.,采用123DCatch建立中药材的3D模型.安徽中医药大学学报,2014，33(1): 85-86.

〔12〕林夏菲and席义勋,基于3D模型的虚拟现实技术在反爆炸教学训练中的应用.科技信息, 2010(13):36-36.

〔13〕叶会and王祖源.物理现象3D演示模型在跨学科教学中的应用.in全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会,2013.

〔14〕张云飞,etal.,组合式3D模型在骨科临床课教学中的应用及优势.现代生物医学进展, 2015，15(21):4168-4171.

G642

A

1673-260X（2017）05-0205-02

2016-12-10

国家自然科学基金青年项目（41502057）和宿州学院2015教博科研启动基金（2015JB01&2015JB07）联合资助