显微放大的多用户同步野外地质教学

于俊峰 刘大伟 刘存革

摘要：随着技术的进步，传统野外地质观测手段在信息定位、信息数字化、成像以及信息传播等方面均无法满足现代地质教学的要求。文章针对这些问题，提出通过将传统设备和数码移动设备的技术相结合来弥补以往单项工具适用性的缺陷，从而实现多用户共享，在教与学同步基础上增强了互动，有效地提高了相关课程的实验教学水平。

关键词：野外地质教学;微观视野;传统设备;现代移动设备

显微放大广泛应用于地球科学、医学、生物学、工程学、纳米材料学和航天科技等重要领域。通过显微放大，把各种人的肉眼无法看到、难以观察的现象或人的正常视野无法包容的景象清晰、真实地展现在观众面前，从而揭示大自然的奥秘，把人们的眼界扩大、加深。这些特殊的手法有许多种，如动画、逐帧拍摄、航拍、卫星遥感技术等，其中显微、放大摄像就是很重要的一种方法。

独立的科学研究实现自我视域放大即可，但在教学环节，实物的微观世界展示要求跟宏观特点呈现一样，信息需要有多用户同步功能，否则，师生只能在显微镜下一个人操作观察，缺乏实时交流，甚至难以找到既定目标。

在地球科学和工程领域，地质锤、罗盘和放大镜是野外地质工作三宝，但传统野外地质观测手段诸如地质放大镜在信息定位、信息数字化、成像、以及信息传播等方面均效果不佳，而且使用过程只能限于单用户观察，在边观察边教学的过程中造成教育者和受教者信息不同步、不对称，教学效果欠佳。随着技术的进步，传统野外地质观测手段亟需更新换代，本研究选择智能手机或平板电脑等存储和显示设备与放大成像工具结合的方式来解决这一问题，取得了较好的效果。

一、野外地质观察的显微放大需求

野外地質实践活动不光要描述地质的宏观特征，还需要观测微观地质现象，地球科学的细分科学包括岩体的岩石学、矿物学和微观地质构造等。

如岩石学需要通过微观观察，放大观察岩石颜色、成分、结构，用以指导地质工作者分析研究岩体的类型、产状、及其共生组合、各种岩石在空间和时间上分布的规律性，来确定岩石形成的各种地质作用、物理化学作用、生成环境等，从而解决岩石的成因、来源、演化等问题。石油地质学领域的岩石微观研究还包括微观沉积构造，如岩石颗粒的粒度、视孔隙度、视面孔率、以及颗粒之间及颗粒与杂基的分布与接触关系等。矿物学描述矿物的颜色、晶体结构，如自然界矿物的七大晶系中，除了大颗粒石英、方解石等，大部分还需要通过微观观察获得。微观地质构造观察内容包括微观视野的断裂、节理、变形、以及流变学等特征。

二、传统工具的适用性

地质学领域，传统的显微放大工具和仪器包括地质放大镜、显微镜和扫描电镜等，它们都有自身的适用性。

地质放大镜：是传统的野外观测工具，是帮助眼睛观察微小物体或细节的简单的光学仪器。目前，一般野外采用的地质放大镜倍数约为10×（大镜面）和20×（小镜面），也有30×的倍数。这种放大镜为看清楚微小的物体或物体的细节，往往需要把物体移近眼睛，这样可以增大视角，使其在视网膜上形成一个较大的虚像，但是仅限于观察者，旁观者无法同时观察，所以它具有不同步性。

显微镜和扫描电镜：显微镜和扫描电镜都是电子光学仪器，扫描电镜是利用电子枪发射电子束经聚焦后在试样表面作光栅状扫描，通过检测电子与试样相互作用产生的信号对试样表面的成分、形貌及结构等进行观察和分析，它具有获取图片精确、分辨率高（0.5μm-10nm）和连续可调等综合分析能力。但是，相对于传统地质放大镜，这两种仪器在工作时需要与电源相接，而且体积大、质量重，不易携带，更是容易损坏、价格高昂，所以，它们只适合室内高精度观察，不适合携带到野外工作。

三、易行的同步设备及操作流程

野外显微放大观察易行的同步设备是传统设备和现代电子移动设备，包括放大镜、手机或者平板电脑等。目前，我们在野外已经基本用手机或者平板电脑代替传统放大镜，因为它们都有自带的放大功能。手机和平板电脑的成像像素在1 200～4 000万之间，大部分可以放大1～15倍，少数可达到30倍。因此，从放大倍数角度，现代手机和平板电脑完全可以代替传统放大镜。

情况1，在观察岩石的结构时采用如下观察步骤：首先，固定观察者与样本之间的距离，根据需要设定放大倍数（放大倍数应该既便于看清岩石结构又能包含要观察的必要地质特征范围），微调岩石样本和手机的间距;其次，当手机显示屏呈现清晰图像时，要按下拍照快门，固定图像;最后，以放大的图像为虚拟样本，观察样本特征，针对样本进行教学。

情况2，虽然手机型号不一样，但是，基本上所有手机用高倍数变焦或者剪裁放大出来的照片，都有两个现象：一是涂抹感严重;二是噪点升高，这是由手机的算法决定的。所以，手机和平板电脑的摄像头尽管提供了变焦功能，但一般也无法使用最大变焦倍数。这时我们就可以采用地质放大镜和手机变焦功能相结合的方式。具体做法是先用手机观察岩石样本，变焦使之能达到观察清晰的最大倍数（8～25倍），然后用手机的摄像头镜头对准放大镜镜中，使放大镜的边框跟手机外壳紧贴，再重复1的过程。

四、特点

（一）多用户共享

传统地质放大镜教学的最大困难是只能单用户操作，通常不支持用户之间的数据共享。在野外讲解岩石标本时，教师自己要操作并观察放大镜视野中的内容，并告诉学生其所观察到的现象，然后让学生按照操作规范对原有岩石样本重新观察。不同的是，基于类似于数码互动的实验室显微系统构建，现有移动设备跟放大镜结合应用获得了数据和图片后，可以通过移动互联网平台把数据和图片转发给每位学生，学生可以在自己的移动设备上观察和交流，并把重要或者疑难问题捕捉拍照、标注存档，以便于进一步学习，达到多用户资源共享的目的。

（二）教与学同步性

教与学的同步性包括视听同步、交流同步。同步视听对人类神经学习系统的反射十分重要。同步的视听，是一种基于神经元群锁相活动的持续性的动态场电位，有利于人们在感官增强基础上的深度学习。通常，教师的单用户非同步教学，学生无法完全了解教师观察时讲解的内容，比如视域中分别存在A、B、C三种现象，教师在放大镜中看到A的时候讲解A，但此时学生是看不见A的，所以造成教学效果差、效率低。而移动设备和放大镜结合的优点是把A、B、C三种现象同时放大成像，用移动设备拍摄的图像在LCD上进行教学，以静态的方式表现事物的瞬间特性，能够让学生详细、清晰地同步观察岩石的颜色、成分、结构、构造等，并且画面稳定。这种三维一体的方式变被动为主导，能唤起学生自我学习意识的觉醒，提高了他们的学习兴趣，从而克服了以往观察方式的单用户缺点。

（三）尺度放大，便于观察

用肉眼观察显微镜视野，信号只能輸入到大脑皮层 ，而移动数码可以将微观视野影像在放大镜基础上进一步放大并变成LCD视觉效果。地质放大镜采用的是大视孔，而手机、平板电脑采用小孔视角和长焦距，两者配合可以有较大的景深。如果放大镜的放大倍数是10×，手机的放大倍数是8～25，则它们结合应用的放大倍数就是18～35×，可以完全满足地质工作者在野外对岩石颗粒的形态、结构的观察需要。

（四）不改变图像清晰度

移动设备的清晰度容易调试，而地质放大镜和移动设备相结合产生的图像质量也基本不变。放大镜的工作原理是通过凸透镜在观察者视野呈现一放大的虚像。摄像头则是景物通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像传感器表面，然后转为电信号，经过A/D（模数）转换后变为数字图像信号，最后通过显示屏（LCD）显示图像。这一过程跟人们裸眼观察地质放大镜成像等同，只是后者在实际工作过程中事先被设定了一定的放大倍数。

五、结语

传统设备和数码移动设备的技术融合，弥补了以往单项工具适用性的缺陷，实现了基础地质类课程如岩石学、矿物学、矿相学和古生物学实验教学由传统的“被动式”和“灌输式”向“自主式”“探究式”“合作式”和“交互式”学习的转化。在实现多用户共享、教与学同步基础上增强互动，有效提高了相关课程的实验教学水平。

在野外地质实践的教学中，将传统放大镜与现代移动设备（如手机或者平板电脑）结合应用只是传统方法和现代化科技结合的一个缩影，经验证，此种方式在近年的野外教学过程中效果较好，具有一定的推广价值。

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编辑∕杨波