導(dǎo)語(yǔ)：例談大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：創(chuàng)新能力是本世紀(jì)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，其關(guān)鍵是創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，這為理工類(lèi)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)．目前高校中的以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施是解決此挑戰(zhàn)的有效途徑之一．以筆者承擔(dān)的系列三維立體投影物理實(shí)驗(yàn)的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，探討了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式．通過(guò)循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生自主搭建實(shí)驗(yàn)裝置和編寫(xiě)控制程序，有效培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了參考．

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)立體投影實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新能力

1引言

當(dāng)前社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力之一是具備創(chuàng)新能力的人才，因此在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)日益重要［1～3］．特別地，就低年級(jí)本科生而言，對(duì)于其綜合素質(zhì)包括創(chuàng)新能力的提高，在大學(xué)學(xué)習(xí)階段及早培養(yǎng)其良好的實(shí)驗(yàn)研究習(xí)慣、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和獨(dú)立工作能力是必要的［4］．近年來(lái)在高校中開(kāi)展的旨在強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新能力的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃是教育部主導(dǎo)的高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的重要組成部分［5，6］．對(duì)于理工類(lèi)大學(xué)生而言，通過(guò)有關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)養(yǎng)成其必要的提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，對(duì)于培養(yǎng)滿足國(guó)家和社會(huì)需要的高素質(zhì)創(chuàng)新人才具有決定性的作用［7］．作為一種綜合性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)科，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是各高校學(xué)生普遍修讀的一門(mén)課程［8］．在此基礎(chǔ)上的以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)于系統(tǒng)全面地提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和素養(yǎng)起到了良好的效果．筆者近年來(lái)依托浙江大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開(kāi)展了面向本科生的系列三維立體投影創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，通過(guò)循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)研究，在深入了解有關(guān)光學(xué)原理的基礎(chǔ)上，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜引導(dǎo)學(xué)生搭建各種實(shí)驗(yàn)裝置和編寫(xiě)控制軟件，逐步實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的三維立體投影展示．通過(guò)該創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)，有效培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力．

2系列三維立體投影實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建

三維立體投影實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中光學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，系一種利用光的干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體三維圖像或影像的虛擬成像技術(shù)［9～12］．但是，目前的一般實(shí)驗(yàn)裝置（如全息投影裝置）技術(shù)要求較高，并且受限于動(dòng)態(tài)圖像的立體投影展示．在本三維立體投影系列創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜地搭建四棱錐、六棱錐、圓臺(tái)式和前后平行板式立體投影裝置并編寫(xiě)相應(yīng)的控制程序，循序漸進(jìn)地實(shí)現(xiàn)了從靜態(tài)圖片到動(dòng)態(tài)視頻圖像的三維立體投影效果，鍛煉了學(xué)生的獨(dú)立思考和動(dòng)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(shí)驗(yàn)中采用市售透明亞克力板）制成四棱錐反射錐體，通過(guò)對(duì)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(jiàn)的三維影像．實(shí)驗(yàn)中使用透明板材制作反射錐的4個(gè)等腰梯形形狀的反射面，進(jìn)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(jù)所使用的電子播放設(shè)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(guò)CorelVideoStudioPro連接音頻以及4個(gè)方向的視頻．制作完成的視頻文件導(dǎo)入手機(jī)或平板電腦，播放時(shí)，將反射四棱錐倒放在播放視頻的設(shè)備屏幕上，成像效果良好，如圖1所示．（a）裝置設(shè)計(jì)圖（b）成像效果圖1四棱錐三維立體投影裝置設(shè)計(jì)圖及其成像效果2．2六棱錐三維立體投影裝置為進(jìn)一步提高成像質(zhì)量，在上述四棱錐三維立體投影裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)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(shè)計(jì)圖（b）成像效果圖2六棱錐三維立體投影裝置設(shè)計(jì)圖及其成像效果為保證反射光水平射入眼睛，六棱錐的側(cè)面和底面所成的二面角為45°．通過(guò)空間幾何計(jì)算得到，側(cè)面三角形斜邊與底邊的比值為1．32．該實(shí)驗(yàn)在教師引導(dǎo)下由學(xué)生自己制作了能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)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(guò)鍵盤(pán)控制直接對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在立體投影中呈現(xiàn)角度變換的模型，成像效果良好，如圖2所示．2．3圓臺(tái)式三維立體投影裝置顯然地，增加反射錐中反射面的數(shù)目能夠提高三維立體投影的成像質(zhì)量．對(duì)于一個(gè)具有無(wú)窮多反射面的多棱錐，其結(jié)構(gòu)即為圓錐．在該創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步地設(shè)計(jì)和構(gòu)建了圓臺(tái)式三維立體投影裝置（圖3），同樣實(shí)現(xiàn)了良好的三維成像效果［15］．該圓臺(tái)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(jù)所使用電子播放設(shè)備屏幕尺寸而定．為避免成像在頂角處產(chǎn)生扭曲，將圓錐的頂角剪去制成圓臺(tái)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(zhì)量，能夠得到360°立體全景圖，如圖3所示．（a）裝置設(shè)計(jì)圖（b）成像效果圖3圓臺(tái)式三維立體投影裝置設(shè)計(jì)圖及其成像效果該裝置要求投影源是環(huán)繞型的，通過(guò)將投影源圖片制作成360°環(huán)繞的圖片解決．為實(shí)現(xiàn)圖片自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，采用HTML＋CSS＋Javascript語(yǔ)言編寫(xiě)一小型應(yīng)用程序進(jìn)行實(shí)時(shí)控制．該程序可自行設(shè)置旋轉(zhuǎn)角速度，在保證圖像分辨率的前提下控制視頻節(jié)奏，有效實(shí)現(xiàn)了從靜態(tài)圖片到自動(dòng)旋轉(zhuǎn)圖片的轉(zhuǎn)變．2．4前后平行板式三維立體投影裝置為進(jìn)一步拓寬學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思維，下一步脫離多棱錐的設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建了前后平行板式三維立體投影裝置，同樣實(shí)現(xiàn)了良好的三維成像效果（圖4）．該裝置由一個(gè)暗盒與固定于其中的兩片亞克力板構(gòu)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(jīng)反射后兩個(gè)圖像重疊，形成人物視頻和背景視頻相結(jié)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(yīng)用于該裝置的視頻源要求調(diào)整人物的動(dòng)作視頻與背景視頻的大小相同，并將兩個(gè)視頻上下拼接；另外要將人物的背景投到屏幕上．實(shí)驗(yàn)中采用開(kāi)源的openCV編程解決．

3教學(xué)效果分析

通過(guò)該系列三維立體投影實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由淺入深、循序漸進(jìn)地實(shí)施，有效鍛煉和培養(yǎng)了學(xué)生解決問(wèn)題和創(chuàng)新思維能力．學(xué)生不僅有效掌握了有關(guān)光學(xué)物理的基礎(chǔ)知識(shí)，并能夠熟練和有效地應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和構(gòu)建中去．另外，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也可看作是一個(gè)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉研究，為因應(yīng)不同三維立體投影裝置的成像需要，在教師引導(dǎo)下學(xué)生編寫(xiě)和調(diào)試了相應(yīng)的軟件程序，達(dá)到了滿意的效果．在另一方面，教學(xué)中學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式（一個(gè)團(tuán)隊(duì)含5名學(xué)生）進(jìn)行以上實(shí)驗(yàn)．團(tuán)隊(duì)成員明確分工，有效合作，培養(yǎng)了合作工作的能力，這對(duì)學(xué)生以后參加科研活動(dòng)是必要的能力培養(yǎng)．近幾年來(lái)該大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目在浙江大學(xué)理工類(lèi)本科生中進(jìn)行了數(shù)輪的教學(xué)，效果良好．追蹤發(fā)現(xiàn)多名經(jīng)過(guò)該項(xiàng)目訓(xùn)練的學(xué)生在國(guó)內(nèi)外知名高校進(jìn)一步深造，達(dá)到了滿意的培養(yǎng)效果．

4結(jié)論

為培養(yǎng)滿足國(guó)家發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步所需要的創(chuàng)新型人才，理工類(lèi)大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)舉足輕重，同時(shí)也面臨巨大的挑戰(zhàn)．高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程任重道遠(yuǎn)，作為一個(gè)探索，本文總結(jié)了系列三維立體投影創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)結(jié)果，可作為探索高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的參考．在教師的有序引導(dǎo)下以學(xué)生為主體進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，有效激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)研究興趣和創(chuàng)造性，由淺入深地夯實(shí)了學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力．

作者:房若宇 單位:浙江大學(xué)物理系