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虛擬仿真技術(shù)開(kāi)拓地球的科學(xué)教育論文
摘要：虛擬仿真技術(shù)作為輔助教學(xué)手段業(yè)已得到廣泛應用。不同于虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實(shí)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(xué)實(shí)驗得以展開(kāi)。地球科學(xué)教學(xué)中的許多課程的教學(xué)內容是“不可及、不可逆”的，虛擬仿真所包含的各種技術(shù)手段可以輕松構建出逼真的教學(xué)環(huán)境，為教師提供全新的教學(xué)手段，也創(chuàng )造出全新的教學(xué)模式。
關(guān)鍵詞：虛擬仿真；地球科學(xué)；教學(xué)模式改革
引言
信息技術(shù)的迅猛發(fā)展對地球科學(xué)教育的教學(xué)方法和教學(xué)模式產(chǎn)生了巨大的影響。虛擬仿真技術(shù)以其強大的現場(chǎng)沉浸體驗和人機互動(dòng)能力，成為一種非常適合應用在教育教學(xué)中的技術(shù)手段。虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)適應信息時(shí)代高等教育開(kāi)放辦學(xué)、資源共享的變革要求，為學(xué)生開(kāi)展探究性學(xué)習、自主實(shí)驗和創(chuàng )新實(shí)踐提供了先進(jìn)手段、開(kāi)放平臺和優(yōu)質(zhì)資源[1]。近年來(lái)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(shí)驗案例。以國家級虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗中心為例，地球科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域已獲得批準的國家級虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗中心有：北京大學(xué)的“地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心”（2013），吉林大學(xué)的“地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心”（2013），南京師范大學(xué)的“虛擬地理環(huán)境實(shí)驗教學(xué)中心”（2013），中國海洋大學(xué)的“海洋地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心”（2014），成都理工大學(xué)的“地質(zhì)與巖土工程虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心”（2014）。這些虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心依托本校特色的教學(xué)資源，深耕于地球科學(xué)領(lǐng)域某個(gè)或某幾個(gè)方面。
1虛擬仿真技術(shù)在地球科學(xué)教育中應用必要性
地學(xué)實(shí)驗教學(xué)內容的特性以及地質(zhì)、資源、環(huán)境、災害等涉及高�；驑O端環(huán)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(shí)驗項目，需要通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗來(lái)完成教學(xué)過(guò)程，提升學(xué)生的能力。具體來(lái)講，其必要性主要體現在以下五個(gè)方面：
�。�1）不同于其他學(xué)科，在地球科學(xué)領(lǐng)域中，相關(guān)現象一般具有較大范圍的空間分布。學(xué)生在進(jìn)行野外實(shí)驗、實(shí)習時(shí)，需要運用空間想象等認知能力來(lái)掌握全局概況，這對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)難度頗大。以地質(zhì)認識實(shí)習為例，雖然學(xué)生可以觀(guān)察局部某一個(gè)點(diǎn)上出露地表地層的巖性，分析其年代特征，卻難以將各觀(guān)察點(diǎn)的情況串聯(lián)起來(lái)，形成對這一地區的綜合認識。但如果在此之前，學(xué)生通過(guò)“三維地層仿真環(huán)境”對實(shí)習區域進(jìn)行了全方位的觀(guān)察，便可以獲得更為全面、深刻的認識。
�。�2）地球科學(xué)除了研究地表的各種地物，還深入地殼，進(jìn)入海洋。另外，現在更有很多輔助地學(xué)研究的工具設備進(jìn)入了高空、深空，如對地觀(guān)測衛星。在當前的技術(shù)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(xué)方法以課堂的原理講授為主，以示意圖表作為輔助說(shuō)明，很難建立直觀(guān)認識。而虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)的沉浸式環(huán)境可以讓學(xué)生仿佛身臨其境，并且通過(guò)交互式的操作遨游其間，這種實(shí)驗教學(xué)的效果是枯燥的理論介紹所不能比擬的。
�。�3）地球科學(xué)研究的現象，從發(fā)生、發(fā)展，到形成最終的結果一般需要漫長(cháng)的時(shí)間，而且其過(guò)程一般是“不可逆”的，因此很難通過(guò)真實(shí)實(shí)驗來(lái)復現這個(gè)過(guò)程。虛擬仿真實(shí)驗可以完美的解決這個(gè)問(wèn)題。對于一個(gè)經(jīng)過(guò)漫長(cháng)時(shí)間發(fā)育的地學(xué)現象，可以為它在若干關(guān)鍵的時(shí)間節點(diǎn)上，基于現有的發(fā)現、知識構建模型，從而為學(xué)生直觀(guān)的呈現出這一現象發(fā)展的全過(guò)程。學(xué)生甚至還可以通過(guò)調節模型的參數來(lái)改變這個(gè)過(guò)程的發(fā)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(guān)地學(xué)原理。
�。�4）信息技術(shù)的發(fā)展極大的改進(jìn)了地球科學(xué)的研究方法和手段。高校培養的地學(xué)領(lǐng)域人才也需要順應這一趨勢和潮流，學(xué)生不僅僅能使用計算機查閱文獻、撰寫(xiě)報告，還能夠具備信息科學(xué)的思維能力，主動(dòng)應用信息技術(shù)來(lái)發(fā)現問(wèn)題、解決問(wèn)題。充分結合信息技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗，是培養學(xué)生信息化能力的最佳途徑。
�。�5）隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在地球科學(xué)研究中，出現很多先進(jìn)的工具、設備，如手持光譜儀、無(wú)人機、地學(xué)物聯(lián)網(wǎng)傳感器。掌握這些設備的操作方法已成為今后從事地學(xué)領(lǐng)域相關(guān)事業(yè)學(xué)生的必備知識。但是這些設備或者價(jià)格高企，或者難以部署，高校限于財力無(wú)法大規模購置這些設備，學(xué)生在使用過(guò)程中的誤操作也可能帶來(lái)較大的經(jīng)濟損失。開(kāi)設虛擬仿真實(shí)驗可以解決這個(gè)問(wèn)題：對于那些難以部署的設備，如地學(xué)物聯(lián)網(wǎng)傳感器，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中部署，并觀(guān)察傳感器的工作過(guò)程；對于那些昂貴的設備，如無(wú)人機等，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作練習，達到熟練操作的程度以后再開(kāi)展無(wú)人機測量等真實(shí)實(shí)驗。
2地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)建設內容
地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)實(shí)現了真實(shí)實(shí)驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，在存在高�；驑O端的環(huán)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(shí)，提供了可靠、安全和經(jīng)濟的實(shí)驗項目[2]。為保證實(shí)現如此復雜的系統，地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)需要建設以下幾個(gè)方面的內容：
�。�1）構建地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)體系結合虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)的要求和地球科學(xué)的學(xué)科特色，將地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)劃分為全虛型（不可逆、高危險、高成本、大范圍、靜態(tài)轉動(dòng)態(tài)）、虛實(shí)結合型（抽象、難理解、難記憶、破碎化、數量大等）、全實(shí)型（可以用物理模型替代、地質(zhì)體原型等）和綜合性（多種對象、技術(shù)等的集成）不同層次進(jìn)行方案設計。
�。�2）優(yōu)選地球科學(xué)虛擬仿真技術(shù)根據地球科學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)可以選擇的虛擬仿真技術(shù)包括：3D打印技術(shù)、沉浸式虛擬仿真技術(shù)、增強現實(shí)技術(shù)等。
�。�3）開(kāi)發(fā)地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)案例應用虛擬仿真技術(shù)，結合地球科學(xué)課程中的教學(xué)內容，設計若干案例，例如，火山噴發(fā)地質(zhì)過(guò)程仿真實(shí)驗，可以動(dòng)態(tài)觀(guān)察火山活動(dòng)的地質(zhì)過(guò)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(huán)境中[4]；在資源庫的基礎上，還可以構建地質(zhì)標本仿真學(xué)習平臺，讓學(xué)生可以在簡(jiǎn)單的計算機環(huán)境（如瀏覽器）中學(xué)習、辨別礦物巖石標本[5]。
�。�4）實(shí)踐地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)案例地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)案例不應該是一成不變的，而是應該建立一個(gè)完善的“評價(jià)-反饋”機制：讓每一個(gè)參與實(shí)驗的人員對實(shí)驗案例進(jìn)行評價(jià)。跟蹤評價(jià)結果，定期或不定期地根據評價(jià)結果和意見(jiàn)來(lái)調整實(shí)驗案例。
�。�5）提升專(zhuān)業(yè)人才培養質(zhì)量無(wú)論是構建虛擬仿真教學(xué)體系，還是開(kāi)發(fā)虛擬仿真教學(xué)案例，其最終的落腳點(diǎn)都是為提升專(zhuān)業(yè)人才培養質(zhì)量提供更多的資源和途徑。這是開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)的初衷和應該始終堅持的目標，也是促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)發(fā)展的手段。地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)體系應具有開(kāi)放、可擴展的性質(zhì)。學(xué)生不僅可以完成已有的實(shí)驗案例，也可以自己動(dòng)手設計開(kāi)發(fā)新的案例。在這個(gè)過(guò)程中虛擬仿真實(shí)驗培養了學(xué)生的動(dòng)手能力，而學(xué)生積極參與到仿真實(shí)驗案例的設計開(kāi)發(fā)中，同樣也會(huì )促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)的發(fā)展。
3地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)實(shí)例——虛擬地質(zhì)博物館
依托中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地學(xué)信息工程虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心完備的虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)環(huán)境，地球科學(xué)專(zhuān)業(yè)教師構建了很多虛擬仿真教學(xué)體系。其中，“虛擬地質(zhì)博物館”便是一套綜合虛擬仿真教學(xué)體系。中國地質(zhì)大學(xué)(北京)博物館主要是為地質(zhì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)服務(wù)，目前擁有與礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)、古生物學(xué)、地史學(xué)等基礎地質(zhì)課程教學(xué)配套的較為完整和系統的標本體系�！疤摂M地質(zhì)博物館”基于實(shí)體博物館構建，具備全虛型教學(xué)實(shí)驗——以在沉浸式環(huán)境中漫游虛擬地質(zhì)博物館為主，學(xué)生可以與虛擬場(chǎng)景中的展覽物品交互；虛實(shí)結合型教學(xué)實(shí)驗——在實(shí)體場(chǎng)館中瀏覽虛擬博物館；全實(shí)型教學(xué)實(shí)驗——利用3D打印設備，打印礦物巖石標本。地學(xué)信息工程虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心擁有由四通道高清投影設備構成的沉浸環(huán)境，“虛擬地質(zhì)博物館”可以在此得到完美的呈現。此外，實(shí)驗室還具備單色、彩色3D打印機，為“虛擬地質(zhì)博物館”虛擬仿真教學(xué)體系提供支撐。實(shí)體博物館中的地質(zhì)標本主要來(lái)源為學(xué)校師生在科研、教學(xué)實(shí)習等野外工作中采集的，或者為校友、國際友人等饋贈學(xué)校的，標本來(lái)源有限。而在“虛擬地質(zhì)博物館”中，通過(guò)建立地質(zhì)標本計算機三維模型資源庫，可以拓展博物館中的標本來(lái)源�！疤摂M地質(zhì)博物館”允許學(xué)生通過(guò)激光掃描儀等設備自行構建地質(zhì)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(guò)3D打印設備，再打印出實(shí)體。這既是“虛擬地質(zhì)博物館”虛擬仿真教學(xué)體系中的實(shí)驗內容，又可以擴展教學(xué)體系的實(shí)驗案例，從而實(shí)現全方位多層次的人才培養。
4結語(yǔ)
地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)體系不應該是一個(gè)固定的、一成不變的“死”平臺，而應該允許在其之上可以進(jìn)一步擴展、開(kāi)發(fā)。學(xué)生可以充分發(fā)揮其聰明才智，建立計算機模型模擬地學(xué)現象、過(guò)程，或者通過(guò)挖掘地學(xué)大數據來(lái)發(fā)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(shí)驗。例如，在全球尺度的虛擬環(huán)境下上進(jìn)行地理、地質(zhì)現象的綜合認知實(shí)驗，集成海、陸、空多要素的綜合分析實(shí)驗，囊括地學(xué)信息采集、處理、存儲、分發(fā)、應用、分析全流程的綜合業(yè)務(wù)實(shí)驗。
參考文獻：
[1]王衛國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)現狀與發(fā)展[J].實(shí)驗室研究與探索，2015，34(05):214-219.
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[3]賀金鑫，趙慶英，韓秀梅，張家欣.火山噴發(fā)地質(zhì)過(guò)程的虛擬實(shí)驗教學(xué)[J].實(shí)驗室研究與探索，2016，35(01):65-67.
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[5]祁志武，李功權，劉歡.地質(zhì)標本虛擬仿真學(xué)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(zhì)大學(xué)
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