虛擬仿真技術開拓地球的科學教育

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摘要：虛擬仿真技術作為輔助教學手段業已得到廣泛應用。不同于虛擬仿真技術在教學實驗中應用的早期階段，得益于當前空前強大的計算機性能和硬件設備，高沉浸感、高仿真度的虛擬仿真教學實驗得以展開。地球科學教學中的許多課程的教學內容是“不可及、不可逆”的，虛擬仿真所包含的各種技術手段可以輕松構建出逼真的教學環境，為教師提供全新的教學手段，也創造出全新的教學模式。

關鍵詞：虛擬仿真；地球科學；教學模式改革

0引言

信息技術的迅猛發展對地球科學教育的教學方法和教學模式產生了巨大的影響。虛擬仿真技術以其強大的現場沉浸體驗和人機互動能力，成為一種非常適合應用在教育教學中的技術手段。虛擬仿真實驗教學適應信息時代高等教育開放辦學、資源共享的變革要求，為學生開展探究性學習、自主實驗和創新實踐提供了先進手段、開放平臺和優質資源[1]。近年來在國家持續投入和高校不斷建設的背景下，涌現了一批成熟的虛擬仿真實驗案例。以國家級虛擬仿真教學實驗中心為例，地球科學相關領域已獲得批準的國家級虛擬仿真教學實驗中心有：北京大學的“地球科學虛擬仿真實驗教學中心”（2013），吉林大學的“地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心”（2013），南京師范大學的“虛擬地理環境實驗教學中心”（2013），中國海洋大學的“海洋地球科學虛擬仿真實驗教學中心”（2014），成都理工大學的“地質與巖土工程虛擬仿真實驗教學中心”（2014）。這些虛擬仿真實驗教學中心依托本校特色的教學資源，深耕于地球科學領域某個或某幾個方面。

1虛擬仿真技術在地球科學教育中應用必要性

地學實驗教學內容的特性以及地質、資源、環境、災害等涉及高危或極端環境、不可及或不可逆的操作、大范圍、大數量、抽象化以及高成本、高消耗的大型綜合性實驗項目，需要通過虛擬仿真實驗來完成教學過程，提升學生的能力。具體來講，其必要性主要體現在以下五個方面：（1）不同于其他學科，在地球科學領域中，相關現象一般具有較大范圍的空間分布。學生在進行野外實驗、實習時，需要運用空間想象等認知能力來掌握全局概況，這對于初學者來說難度頗大。以地質認識實習為例，雖然學生可以觀察局部某一個點上出露地表地層的巖性，分析其年代特征，卻難以將各觀察點的情況串聯起來，形成對這一地區的綜合認識。但如果在此之前，學生通過“三維地層仿真環境”對實習區域進行了全方位的觀察，便可以獲得更為全面、深刻的認識。（2）地球科學除了研究地表的各種地物，還深入地殼，進入海洋。另外，現在更有很多輔助地學研究的工具設備進入了高空、深空，如對地觀測衛星。在當前的技術條件下，這些位置都是“不可及”的。因此，對于這部分知識，傳統教學方法以課堂的原理講授為主，以示意圖表作為輔助說明，很難建立直觀認識。而虛擬仿真實驗教學的沉浸式環境可以讓學生仿佛身臨其境，并且通過交互式的操作遨游其間，這種實驗教學的效果是枯燥的理論介紹所不能比擬的。（3）地球科學研究的現象，從發生、發展，到形成最終的結果一般需要漫長的時間，而且其過程一般是“不可逆”的，因此很難通過真實實驗來復現這個過程。虛擬仿真實驗可以完美的解決這個問題。對于一個經過漫長時間發育的地學現象，可以為它在若干關鍵的時間節點上，基于現有的發現、知識構建模型，從而為學生直觀的呈現出這一現象發展的全過程。學生甚至還可以通過調節模型的參數來改變這個過程的發展路徑、方向，得到完全不同的結果，從而更加深刻的掌握和理解相關地學原理。（4）信息技術的發展極大的改進了地球科學的研究方法和手段。高校培養的地學領域人才也需要順應這一趨勢和潮流，學生不僅僅能使用計算機查閱文獻、撰寫報告，還能夠具備信息科學的思維能力，主動應用信息技術來發現問題、解決問題。充分結合信息技術的虛擬仿真實驗，是培養學生信息化能力的最佳途徑。（5）隨著科學技術的進步，在地球科學研究中，出現很多先進的工具、設備，如手持光譜儀、無人機、地學物聯網傳感器。掌握這些設備的操作方法已成為今后從事地學領域相關事業學生的必備知識。但是這些設備或者價格高企，或者難以部署，高校限于財力無法大規模購置這些設備，學生在使用過程中的誤操作也可能帶來較大的經濟損失。開設虛擬仿真實驗可以解決這個問題：對于那些難以部署的設備，如地學物聯網傳感器，學生可以在虛擬環境中部署，并觀察傳感器的工作過程；對于那些昂貴的設備，如無人機等，學生可以在虛擬環境中進行操作練習，達到熟練操作的程度以后再開展無人機測量等真實實驗。

2地球科學虛擬仿真教學建設內容

地球科學虛擬仿真教學實現了真實實驗不具備或難以完成的教學功能，在存在高危或極端的環境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供了可靠、安全和經濟的實驗項目[2]。為保證實現如此復雜的系統，地球科學虛擬仿真教學需要建設以下幾個方面的內容：（1）構建地球科學虛擬仿真教學體系結合虛擬仿真實驗教學的要求和地球科學的學科特色，將地球科學虛擬仿真實驗教學劃分為全虛型（不可逆、高危險、高成本、大范圍、靜態轉動態）、虛實結合型（抽象、難理解、難記憶、破碎化、數量大等）、全實型（可以用物理模型替代、地質體原型等）和綜合性（多種對象、技術等的集成）不同層次進行方案設計。（2）優選地球科學虛擬仿真技術根據地球科學的學科特點，地球科學虛擬仿真教學可以選擇的虛擬仿真技術包括：3D打印技術、沉浸式虛擬仿真技術、增強現實技術等。（3）開發地球科學虛擬仿真教學案例應用虛擬仿真技術，結合地球科學課程中的教學內容，設計若干案例，例如，火山噴發地質過程仿真實驗，可以動態觀察火山活動的地質過程[3]；建設巖礦石三維模型資源庫，建立珍稀的巖礦石標本三維模型，納入到虛擬仿真環境中[4]；在資源庫的基礎上，還可以構建地質標本仿真學習平臺，讓學生可以在簡單的計算機環境（如瀏覽器）中學習、辨別礦物巖石標本[5]。（4）實踐地球科學虛擬仿真實驗教學案例地球科學虛擬仿真教學案例不應該是一成不變的，而是應該建立一個完善的“評價-反饋”機制：讓每一個參與實驗的人員對實驗案例進行評價。跟蹤評價結果，定期或不定期地根據評價結果和意見來調整實驗案例。（5）提升專業人才培養質量無論是構建虛擬仿真教學體系，還是開發虛擬仿真教學案例，其最終的落腳點都是為提升專業人才培養質量提供更多的資源和途徑。這是開展虛擬仿真實驗教學的初衷和應該始終堅持的目標，也是促進虛擬仿真實驗教學發展的手段。地球科學虛擬仿真實驗教學體系應具有開放、可擴展的性質。學生不僅可以完成已有的實驗案例，也可以自己動手設計開發新的案例。在這個過程中虛擬仿真實驗培養了學生的動手能力，而學生積極參與到仿真實驗案例的設計開發中，同樣也會促進虛擬仿真實驗教學的發展。

3地球科學虛擬仿真教學實例——虛擬地質博物館

依托中國地質大學（北京）地學信息工程虛擬仿真實驗教學中心完備的虛擬仿真實驗教學環境，地球科學專業教師構建了很多虛擬仿真教學體系。其中，“虛擬地質博物館”便是一套綜合虛擬仿真教學體系。中國地質大學(北京)博物館主要是為地質類專業的教學服務，目前擁有與礦物學、巖石學、礦床學、古生物學、地史學等基礎地質課程教學配套的較為完整和系統的標本體系。“虛擬地質博物館”基于實體博物館構建，具備全虛型教學實驗——以在沉浸式環境中漫游虛擬地質博物館為主，學生可以與虛擬場景中的展覽物品交互；虛實結合型教學實驗——在實體場館中瀏覽虛擬博物館；全實型教學實驗——利用3D打印設備，打印礦物巖石標本。地學信息工程虛擬仿真實驗教學中心擁有由四通道高清投影設備構成的沉浸環境，“虛擬地質博物館”可以在此得到完美的呈現。此外，實驗室還具備單色、彩色3D打印機，為“虛擬地質博物館”虛擬仿真教學體系提供支撐。實體博物館中的地質標本主要來源為學校師生在科研、教學實習等野外工作中采集的，或者為校友、國際友人等饋贈學校的，標本來源有限。而在“虛擬地質博物館”中，通過建立地質標本計算機三維模型資源庫，可以拓展博物館中的標本來源。“虛擬地質博物館”允許學生通過激光掃描儀等設備自行構建地質標本的計算機三維模型，并納入到標本模型庫中。這些模型還可以通過3D打印設備，再打印出實體。這既是“虛擬地質博物館”虛擬仿真教學體系中的實驗內容，又可以擴展教學體系的實驗案例，從而實現全方位多層次的人才培養。

4結語

地球科學虛擬仿真教學體系不應該是一個固定的、一成不變的“死”平臺，而應該允許在其之上可以進一步擴展、開發。學生可以充分發揮其聰明才智，建立計算機模型模擬地學現象、過程，或者通過挖掘地學大數據來發現新的知識。在此基礎上，可以構建一些更大尺度、更全面流程的綜合性實驗。例如，在全球尺度的虛擬環境下上進行地理、地質現象的綜合認知實驗，集成海、陸、空多要素的綜合分析實驗，囊括地學信息采集、處理、存儲、分發、應用、分析全流程的綜合業務實驗。

參考文獻：

[1]王衛國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索，2015，34(05):214-219.

[2]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32(11):5-8.

[3]賀金鑫，趙慶英，韓秀梅，張家欣.火山噴發地質過程的虛擬實驗教學[J].實驗室研究與探索，2016，35(01):65-67.

[4]陳志軍，張婭，呂新彪，陳建國，謝淑云.巖礦石標本三維建模技術及其教學資源庫建設[J].實驗室研究與探索，2017，36(11):140-145+158.

[5]祁志武，李功權，劉歡.地質標本虛擬仿真學習平臺[J].計算機系統應用，2017，26(07):110-115.

作者:方坤 王雨雙 王曉延 單位:中國地質大學