论虚拟现实技术在“晶体光学”教学中的应用

［摘 要］ “晶体光学”课程是一门要求学生具有较好立体空间思维和较强实践动手能力的课程，传统教学模式无法降低地质学专业学生学习的难度，因此有必要加入其他的教学手段。虚拟现实技术是一种可以可视化数据的手段，并已在地球科学领域取得一系列的重要成果。基于虚拟现实技术建设的“晶体光学”课程重点和难点的资源库，可以使得学生通过交互式的场景物体操作和自身操作，以及偏光显微镜的实践操作多重学习，达到了解、知道、领会和掌握等层次的学习，从而有效提高“晶体光学”课程的教学质量和教学效果。

［关键词］ 虚拟现实技术；晶体光学；交互式学习

［基金项目］ 2020年度东华理工大学教学改革研究项目“虚拟仿真教学在地质专业实体课堂中的应用——以‘晶体光学’课程为例”（DHJG-20-08）；2021年度东华理工大学教学改革研究项目“‘普通地质学C’课程思政融合的探索与实践”（DHJG-21-13）；2021年度江西省高等学校教学改革研究项目“课程思政理念下‘普通地质学’课程教学改革研究”（JXJG-21-6-30）

［作者简介］ 蒋幸福（1986—），男，湖南常德人，博士，东华理工大学地球科学学院副教授，主要从事前寒武纪大地构造和核废物地质库选址研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）06-0137-04 ［收稿日期］ 2023-11-10

虚拟现实技术（virtual reality， VR）是指在虚拟的三维世界里，体验者通过多方感官体验达到身临其境的效果。近年来，该技术已深入应用到多个领域，并取得了一定成果［1-2］。在地球科学领域，虚拟现实技术在地质地貌重建和数据三维分析等方面也获得了重要进展［3］，尤其是叠加多个地质场景功能，将复杂的空间结构和多维度的演化过程直观立体地展示出来，不仅可以有效降低初入地球科学领域学生专业学习的难度，也可以有效助力地球科学领域的科普教育工作。

晶体光学是一门研究可见光透过矿物晶体所引发反射、折射、偏光、干涉等光学现象及其规律的学科，在光率体这一立体几何图形的理论基础上，通过单偏光、正交和锥光三大光路系统，了解并掌握均质体和非均质体（如一轴晶和二轴晶）矿物的光轴、多色性、贝克线、突起、干涉色等抽象概念，以此研究和鉴定透明矿物和岩石类型［4］，因此该课程需要学生具有较好的立体空间思维和较强的实践动手能力。这门课主要是为学生学习后续“火成岩岩石学”“沉积岩岩石学”和“变质岩岩石学”等课程奠定单偏光显微镜测定透明矿物的基础。近年来，随着信息技术水平的不断提高，慕课、微课、翻转课堂等教育形式在高等院校的本科教学改革中开始流行［5-7］，并利用超星平台和CAI软件等手段打破传统教学的模式，提高学生的学习兴趣［8-9］。然而这些教育形式和手段并不能有效地增强学生对三维空间立体图形转换的理解，但虚拟现实技术为解决这个难题提供了可能。

虚拟仿真教学是一种将课本上的理论知识融入实践的教学方法，将传统的教学智能化、虚拟化，让学生能身临其境，对虚拟空间中的情况展现出的知识难点有直观的认识。事实上，虚拟仿真教学必须遵循现实的教学原则和规律，且以知识难点模拟为基础，为学生创造出更加生动的教学场景，从而帮助学生更好地了解课本知识点和自身对内容的掌握度，提高学习效率。

一、资源库的建设

资源库的建设是指“晶体光学”课程资源的建设，主要是将“晶体光学”课程中教学内容的难点进行收集和整理，通过虚拟教育环境使得学生更容易了解和掌握该门课程的难点内容。根据教学日历和教学大纲，将“晶体光学”资源库的建设进行分块，包括光率体和双折射率、单偏光镜下的晶体光学性质、正交偏光镜下的晶体光学性质和锥光镜下的晶体光学性质等四个方面。

光率体和双折射率概念是“晶体光学”这门课的基础，贯穿了本课程的整个学习过程。光率体概念资源库建设主要包括光率体的形成和切面两个内容，这里着重建设的是切面资源库，因为不同光学性质矿物的光率体形态不一，导致切面也不同，从而造就了不同/相同矿物在单偏光、正交和锥光镜下的不同光学性质。双折射率概念的资源库建设主要为单偏光在矿物传播过程中产生的一些有趣现象，如一束光入射冰洲石后产生两条折射光线等。此外，在等轴晶系/非晶质体、一轴晶和二轴晶的三种光率体形态进行资源库建设过程中引入常光、非常光、光轴、光学主轴等基本概念。

单偏光、正交偏光和锥光镜下晶体光学性质的资源库建设，主要是通过可视化方法来达到学生操作偏光显微镜的目的，使得学生将大脑中的图像转为三维结构，教师则通过语音来解释同一种矿物/不同矿物因为切面导致的各种光学现象。主要涵盖：（1）在单偏光镜下多色性、解理、突起和贝克线等晶体光学性质的资源库内容，比如：薄片中均为角闪石矿物，但在单偏光镜下为什么不同的角闪石矿物颗粒会呈现出不同的解理特征（如一组完全解理或菱形式解理）；在旋转载物台时，角闪石矿物为什么会显现出多色性且不同的矿物颗粒多色性颜色不一（图1）。（2）在正交镜下干涉色、消光和延性等晶体光学性质的资源库内容，如在正交偏光镜下同一类型矿物为什么会显示出不同程度的干涉色？通过楔形法则和补色法则如何判断干涉色的级序？（3）在锥光镜下干涉图和光性正负等晶体光学性质的资源库内容。

通过对“晶体光学”这门课程重点和难点内容的资源库建设，可以使得学生仅需短暂的时间，就可以“漫游”在偏光显微镜下某种矿物晶体光学性质的整个数据空间，直接“面对面”观测和旁白加上实践操作能带来深刻的理解，使得学生掌握学习“晶体光学”这门课程的方法，激发学生的热情，从而提高“晶体光学”这门课程的学习效率。

二、交互式技术的镶嵌

交互即输入和输出［3］，它是虚拟仿真教学的重要组成部分，是实现沉浸式学习和地球科学研究的必要手段。虚拟系统中的输入方式主要包括自身的操作、场景的操作和3D交互界面的操作等三方面内容［2］。输出则主要针对学生的视觉，因为这占据了人类五类感官获取信息量的70%［10］。由于“晶体光学”课程在40个学时中实验课课时就达24个学时，学生在实验室可以通过输入操作实践偏光显微镜来观察不同岩石薄片中同一种或不同矿物的晶体光学性质这一部分的内容。

“晶体光学”课程虚拟现实技术中的交互方式的输入主要采用自身操作和场景操作两部分。自身操作是指学生通过自己身体的自然移动对知识点进行直接探索，如通过手势的舞动来切割光率体探索一轴晶矿物和二轴晶矿物的不同切面类型。这种交互输入方式在目前市场中比较容易实现。场景操作则是作为补充手段，即更多的是采取对场景中物体的操作，比如：移动显微镜其他部件从而观察偏光的形成，旋转光率体观察不同的切面特征以及偏光显微镜的偏光为什么会发生干涉、单偏光通过矿物是为什么双折射等。这一类技术的镶嵌主要针对人的视觉和听觉，前者是增强学生对三维空间立体图形转换和晶体光学中关键知识点的理解，后者则是通过旁白加强学生的记忆和掌握度。此外，根据“晶体光学”这门课程的特殊性，也会开发一些其他的交互功能，如薄片的磨制、偏光显微镜的校正等。

就“晶体光学”这门课程而言，虚拟系统的初级交互方式就能实现对知识难点和关键点的沉浸式学习，相对传统的教室理论教学和实验室显微镜观察教学方式，虚拟仿真教学可以体现出强大的空间展示和分析能力，能够帮助教师更加有效地与知识点和学生进行交互，让学生通过自身操作和场景操作进行沉浸式学习和分析。

三、实施手段

在“晶体光学”课程资源库建设完成之后，对每节理论课和实验课的重点和难点进行分析，课前通知学生对照学习内容进行准备并可以进入资源库进行自身操作和场景操作。在理论课学习过程中，不仅有传统教学方式，也可以通过观看三维视频和教师讲解相结合的方式，提高学生的积极性和学习效率，达到了解和指导等层次的学习；在实验课时，则在显微镜观察的基础上，加入虚拟仿真教学内容，比如：针对显微镜下典型矿物、典型切面的晶体光学性质，从资源库中选取对应的场景进行操作，在选取偏光镜下角闪石的菱形解理（图1），学生通过虚拟现实技术，切取角闪石晶体垂直于C轴的切面，透过单偏光从而形成该光学现象，经过多次这样的观察和交互式学习，学生可以有效地建立起三维空间思维。在实践操作和虚拟仿真教学相结合的方式中达到掌握等层次的学习效果，从而加深对重点知识和难点问题的理解，激发学生对“晶体光学”课程学习的主观能动性，提升他们的创新能力。

课后，教师主要通过教学过程记录和实验报告的成绩了解学生在本节课程中学习的情况，对依然存在的疑难问题进行归类和统计。随后，针对出现的共同难点进行再次指导，或者通过学习小组，讨论自身操作和场景物体操作的学习体会，从而使得师生之间和生生之间的交流更加紧密，及时解决本节课的难点问题。

结语

基于虚拟现实技术建设的资源库，给“晶体光学”课程的实验课教学带来了更多的授课模式，使得学生通过交互式的自身操作和场景物体操作，以及单偏光显微镜实践操作的叠加学习，可以提高三维空间思维，激发学生学习的积极性和能动性，从而更有效地了解和掌握晶体光学的各知识点。然而正如前面描述的一样，“晶体光学”是一门实践性特别强的课程，教学实验室偏光显微镜的观察和使用才是这门课程的根本，如果学生未能掌握显微镜的使用和通过操作显微镜鉴定矿物类型，那就舍本逐末了，因此在实验课的过程中，如何平衡显微镜观察和使用与虚拟仿真之间的时间分配，是一个非常关键的问题。此外，已有大量实例表明使用虚拟设备容易眩晕，这很关乎虚拟仿真教学的实际效果。尤其是对少部分人群，虚拟仿真教学的方式反而浪费了他们的实践学习时间并造成了对沉浸式学习的“恐惧”。

虚拟现实技术被认为是未来主流的显示技术，如果能更好地提升硬件和软件来增强沉浸式学习的效果、可交互性并突破空间的限制，对于“晶体光学”课程的教学来说，它将发挥越来越重要的作用。

参考文献

［1］ZHAO Q P. A survey on virtual reality［J］.Science in China series F： Information sciences，2009，52（3）：348-400．

［2］徐颖，欧健俊，邓文博.虚拟现实技术在专业教学中的应用研究与探讨［J］.教育现代化，2020，7（16）：92-93.

［3］罗珽，冷伟.沉浸式虚拟现实技术在地球科学中的应用［J］.中国科学技术大学学报，2021，51（6）：431-440．

［4］林培英.晶体光学与造岩矿物［M］.8版.北京：地质出版社，2018：1-68.

［5］吴静，聂运菊，程朋根，等.GIS专业英语混合教学模式设计研究［J］.东华理工大学学报（社会科学版），2019，38（1）：59-61．

［6］张艳梅，张卫民，孙鑫，等.基于“微课”教学的“给排水科学与工程概论”的教改研究［J］.东华理工大学学报（社会科学版），2019，38（3）：285-288．

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［8］丁兰兰，郭瑞，孙航，等.论超星学习通在教学中的应用：以东华理工大学“晶体光学”课程为例［J］.东华理工大学学报（社会科学版），2020，39（5）：474-477．

［9］杜后发，江琴，刘军港，等.《晶体光学实验课程》多媒体CAI软件的设计和制作［J］.中国地质教育，2010（3）：74-77.

The Application of Virtual Reality Technology in Crystal Optics Course

JIANG Xing-fu1a，1b， CHEN Jing2， HAN Yi-fei1a， ZHOU Shi-hao1a

（1. a. School of Earth Science， b. State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment， East China University of Technology， Nanchang， Jiangxi 330013， China; 2. School of Economics and Management， China University of Geosciences， Wuhan， Hubei 430078， China）

Abstract： For Crystal Optics， the students need to have relatively good three-dimensional thought and practical ability， and the traditional teaching mode is no longer able to reduce the difficulty of students from the geological major， which is necessary to be renewed. Virtual Reality is a technological mean to visualize data， and achieves a series of important results in the geological field. The difficult problems and important points of curriculum resources constructed by method of virtual reality technology provide learning mode of interactive scene operation. In combination of practical learning of polarizing microscope in the laboratory course， the students could achieve the levels of understanding， recognition， comprehending and proficiency， thereby promoting the teaching quality and teaching effect of Crystal Optics course.

Key words： virtual reality technology; Crystal Optics; interactive learning