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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(yīng)用。不同于虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實驗中應(yīng)用的早期階段,得益于當(dāng)前空前強(qiáng)大的計算機(jī)性能和硬件設(shè)備,高沉浸感、高仿真度的虛擬仿真教學(xué)實驗得以展開。地球科學(xué)教學(xué)中的許多課程的教學(xué)內(nèi)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(gòu)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
0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(qiáng)大的現(xiàn)場沉浸體驗和人機(jī)互動能力,成為一種非常適合應(yīng)用在教育教學(xué)中的技術(shù)手段。虛擬仿真實驗教學(xué)適應(yīng)信息時代高等教育開放辦學(xué)、資源共享的變革要求,為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)、自主實驗和創(chuàng)新實踐提供了先進(jìn)手段、開放平臺和優(yōu)質(zhì)資源[1]。近年來在國家持續(xù)投入和高校不斷建設(shè)的背景下,涌現(xiàn)了一批成熟的虛擬仿真實驗案例。以國家級虛擬仿真教學(xué)實驗中心為例,地球科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域已獲得批準(zhǔn)的國家級虛擬仿真教學(xué)實驗中心有:北京大學(xué)的“地球科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”(2013),吉林大學(xué)的“地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實驗教學(xué)中心”(2013),南京師范大學(xué)的“虛擬地理環(huán)境實驗教學(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驗教學(xué)中心”(2014)。這些虛擬仿真實驗教學(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)域某個或某幾個方面。
1虛擬仿真技術(shù)在地球科學(xué)教育中應(yīng)用必要性
地學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容的特性以及地質(zhì)、資源、環(huán)境、災(zāi)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(shù)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(xué)過程,提升學(xué)生的能力。具體來講,其必要性主要體現(xiàn)在以下五個方面:(1)不同于其他學(xué)科,在地球科學(xué)領(lǐng)域中,相關(guān)現(xiàn)象一般具有較大范圍的空間分布。學(xué)生在進(jìn)行野外實驗、實習(xí)時,需要運用空間想象等認(rèn)知能力來掌握全局概況,這對于初學(xué)者來說難度頗大。以地質(zhì)認(rèn)識實習(xí)為例,雖然學(xué)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(lián)起來,形成對這一地區(qū)的綜合認(rèn)識。但如果在此之前,學(xué)生通過“三維地層仿真環(huán)境”對實習(xí)區(qū)域進(jìn)行了全方位的觀察,便可以獲得更為全面、深刻的認(rèn)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(xiàn)在更有很多輔助地學(xué)研究的工具設(shè)備進(jìn)入了高空、深空,如對地觀測衛(wèi)星。在當(dāng)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(tǒng)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明,很難建立直觀認(rèn)識。而虛擬仿真實驗教學(xué)的沉浸式環(huán)境可以讓學(xué)生仿佛身臨其境,并且通過交互式的操作遨游其間,這種實驗教學(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(xiàn)象,從發(fā)生、發(fā)展,到形成最終的結(jié)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(fù)現(xiàn)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(jīng)過漫長時間發(fā)育的地學(xué)現(xiàn)象,可以為它在若干關(guān)鍵的時間節(jié)點上,基于現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)、知識構(gòu)建模型,從而為學(xué)生直觀的呈現(xiàn)出這一現(xiàn)象發(fā)展的全過程。學(xué)生甚至還可以通過調(diào)節(jié)模型的參數(shù)來改變這個過程的發(fā)展路徑、方向,得到完全不同的結(jié)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(yǎng)的地學(xué)領(lǐng)域人才也需要順應(yīng)這一趨勢和潮流,學(xué)生不僅僅能使用計算機(jī)查閱文獻(xiàn)、撰寫報告,還能夠具備信息科學(xué)的思維能力,主動應(yīng)用信息技術(shù)來發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。充分結(jié)合信息技術(shù)的虛擬仿真實驗,是培養(yǎng)學(xué)生信息化能力的最佳途徑。(5)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,在地球科學(xué)研究中,出現(xiàn)很多先進(jìn)的工具、設(shè)備,如手持光譜儀、無人機(jī)、地學(xué)物聯(lián)網(wǎng)傳感器。掌握這些設(shè)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(shè)備或者價格高企,或者難以部署,高校限于財力無法大規(guī)模購置這些設(shè)備,學(xué)生在使用過程中的誤操作也可能帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。開設(shè)虛擬仿真實驗可以解決這個問題:對于那些難以部署的設(shè)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,并觀察傳感器的工作過程;對于那些昂貴的設(shè)備,如無人機(jī)等,學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作練習(xí),達(dá)到熟練操作的程度以后再開展無人機(jī)測量等真實實驗。
2地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)建設(shè)內(nèi)容
地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)實現(xiàn)了真實實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(xùn)練等情況時,提供了可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實驗項目[2]。為保證實現(xiàn)如此復(fù)雜的系統(tǒng),地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)需要建設(shè)以下幾個方面的內(nèi)容:(1)構(gòu)建地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)體系結(jié)合虛擬仿真實驗教學(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(zhuǎn)動態(tài))、虛實結(jié)合型(抽象、難理解、難記憶、破碎化、數(shù)量大等)、全實型(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(shè)計。(2)優(yōu)選地球科學(xué)虛擬仿真技術(shù)根據(jù)地球科學(xué)的學(xué)科特點,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(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)等。(3)開發(fā)地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)案例應(yīng)用虛擬仿真技術(shù),結(jié)合地球科學(xué)課程中的教學(xué)內(nèi)容,設(shè)計若干案例,例如,火山噴發(fā)地質(zhì)過程仿真實驗,可以動態(tài)觀察火山活動的地質(zhì)過程[3];建設(shè)巖礦石三維模型資源庫,建立珍稀的巖礦石標(biāo)本三維模型,納入到虛擬仿真環(huán)境中[4];在資源庫的基礎(chǔ)上,還可以構(gòu)建地質(zhì)標(biāo)本仿真學(xué)習(xí)平臺,讓學(xué)生可以在簡單的計算機(jī)環(huán)境(如瀏覽器)中學(xué)習(xí)、辨別礦物巖石標(biāo)本[5]。(4)實踐地球科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)案例地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)案例不應(yīng)該是一成不變的,而是應(yīng)該建立一個完善的“評價-反饋”機(jī)制:讓每一個參與實驗的人員對實驗案例進(jìn)行評價。跟蹤評價結(jié)果,定期或不定期地根據(jù)評價結(jié)果和意見來調(diào)整實驗案例。(5)提升專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量無論是構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)體系,還是開發(fā)虛擬仿真教學(xué)案例,其最終的落腳點都是為提升專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量提供更多的資源和途徑。這是開展虛擬仿真實驗教學(xué)的初衷和應(yīng)該始終堅持的目標(biāo),也是促進(jìn)虛擬仿真實驗教學(xué)發(fā)展的手段。地球科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)體系應(yīng)具有開放、可擴(kuò)展的性質(zhì)。學(xué)生不僅可以完成已有的實驗案例,也可以自己動手設(shè)計開發(fā)新的案例。在這個過程中虛擬仿真實驗培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力,而學(xué)生積極參與到仿真實驗案例的設(shè)計開發(fā)中,同樣也會促進(jìn)虛擬仿真實驗教學(xué)的發(fā)展。
3地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)實例——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驗教學(xué)中心完備的虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境,地球科學(xué)專業(yè)教師構(gòu)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)類專業(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(chǔ)地質(zhì)課程教學(xué)配套的較為完整和系統(tǒng)的標(biāo)本體系?!疤摂M地質(zhì)博物館”基于實體博物館構(gòu)建,具備全虛型教學(xué)實驗——以在沉浸式環(huán)境中漫游虛擬地質(zhì)博物館為主,學(xué)生可以與虛擬場景中的展覽物品交互;虛實結(jié)合型教學(xué)實驗——在實體場館中瀏覽虛擬博物館;全實型教學(xué)實驗——利用3D打印設(shè)備,打印礦物巖石標(biāo)本。地學(xué)信息工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心擁有由四通道高清投影設(shè)備構(gòu)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(xiàn)。此外,實驗室還具備單色、彩色3D打印機(jī),為“虛擬地質(zhì)博物館”虛擬仿真教學(xué)體系提供支撐。實體博物館中的地質(zhì)標(biāo)本主要來源為學(xué)校師生在科研、教學(xué)實習(xí)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(biāo)本來源有限。而在“虛擬地質(zhì)博物館”中,通過建立地質(zhì)標(biāo)本計算機(jī)三維模型資源庫,可以拓展博物館中的標(biāo)本來源?!疤摂M地質(zhì)博物館”允許學(xué)生通過激光掃描儀等設(shè)備自行構(gòu)建地質(zhì)標(biāo)本的計算機(jī)三維模型,并納入到標(biāo)本模型庫中。這些模型還可以通過3D打印設(shè)備,再打印出實體。這既是“虛擬地質(zhì)博物館”虛擬仿真教學(xué)體系中的實驗內(nèi)容,又可以擴(kuò)展教學(xué)體系的實驗案例,從而實現(xiàn)全方位多層次的人才培養(yǎng)。
4結(jié)語
地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)體系不應(yīng)該是一個固定的、一成不變的“死”平臺,而應(yīng)該允許在其之上可以進(jìn)一步擴(kuò)展、開發(fā)。學(xué)生可以充分發(fā)揮其聰明才智,建立計算機(jī)模型模擬地學(xué)現(xiàn)象、過程,或者通過挖掘地學(xué)大數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)新的知識。在此基礎(chǔ)上,可以構(gòu)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(huán)境下上進(jìn)行地理、地質(zhì)現(xiàn)象的綜合認(rèn)知實驗,集成海、陸、空多要素的綜合分析實驗,囊括地學(xué)信息采集、處理、存儲、分發(fā)、應(yīng)用、分析全流程的綜合業(yè)務(wù)實驗。
參考文獻(xiàn):
[1]王衛(wèi)國,胡今鴻,劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實驗室研究與探索,2015,34(05):214-219.
[2]李平,毛昌杰,徐進(jìn).開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)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(fā)地質(zhì)過程的虛擬實驗教學(xué)[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(biāo)本三維建模技術(shù)及其教學(xué)資源庫建設(shè)[J].實驗室研究與探索,2017,36(11):140-145+158.
[5]祁志武,李功權(quán),劉歡.地質(zhì)標(biāo)本虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)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)