海洋地質(zhì)虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)

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摘要：文章分析了海洋地質(zhì)專業(yè)實驗教學的現(xiàn)狀，提出了進行虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)思路，以及以海洋專業(yè)特色和海洋科學研究領(lǐng)域最新成果為導向，在教學資源、教學終端、教學資源管理平臺和教學環(huán)境平臺四個方面的建設(shè)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：海洋地質(zhì)；實驗教學；虛擬仿真；實驗室建設(shè)

虛擬仿真實驗教學是信息技術(shù)與專業(yè)實驗教學的深度融合，是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，也是實驗教學改進和發(fā)展的方向[1-4]。2018年4月，教育部《關(guān)于實施卓越教師培養(yǎng)計劃2.0的意見》指出，要充分利用虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實等，建設(shè)開發(fā)一批交互性、情境化的教師教育課程資源。虛擬仿真實驗教學可以突破傳統(tǒng)實驗教學成本高、安全系數(shù)低、效率低下等缺點，使實驗教學更加直觀化、系統(tǒng)化。目前，國內(nèi)許多高校圍繞醫(yī)藥工程、化學化工、環(huán)境工程、土木工程、安全工程等不同專業(yè)積極進行虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)[5-7]，促進了教學方式創(chuàng)新和教學方法變革。海洋地質(zhì)學是大陸地質(zhì)學在海洋中的發(fā)展，利用虛擬仿真方法可以真實地模擬海岸與海底地形地貌、海洋沉積物、海底構(gòu)造、海洋礦產(chǎn)以及海洋地質(zhì)調(diào)查技術(shù)工作的實施過程。采用虛擬現(xiàn)實、動畫視頻、文字圖片、三維互動等多種形式，能夠充分實現(xiàn)海洋地質(zhì)的三維立體仿真環(huán)境，使學生在涉海虛擬環(huán)境中開展操作實驗，從而達到良好的教學效果。

1海洋地質(zhì)專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀

海洋地質(zhì)是地質(zhì)學與海洋學之間的交叉學科，從事海洋地質(zhì)研究以及與之相關(guān)的資源勘查工作，需要具備深厚的地質(zhì)學、海洋地質(zhì)學及海洋學基礎(chǔ)理論，同時又必須掌握海洋、海底和海域沉積盆地地質(zhì)資源的調(diào)查、勘察等的技術(shù)和方法。因此，海洋地質(zhì)實踐教學十分必要[8]。但是一直以來，受地域、空間和實驗裝備等多方面的制約，海洋地質(zhì)實驗教學在海洋科學、海洋地質(zhì)與資源等方向上的實踐教學，始終無法面向真正的大海進入大洋深處探密。以海洋地質(zhì)調(diào)查為例，由于調(diào)查對象被海水覆蓋，海洋地質(zhì)調(diào)查必須依靠運載工具即海上工作平臺（海洋地質(zhì)調(diào)查船），其調(diào)查內(nèi)容、使用的儀器設(shè)備乃至研究方法等也具有鮮明的區(qū)別于陸地地質(zhì)工作的特點[9-10]。因此，在日常教學過程中，很難像陸地地質(zhì)教學實習那樣，開展實地現(xiàn)場教學，圖片、課件等則很難達到理想的教學效果。因此，海洋地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)，對于海洋地質(zhì)專業(yè)的發(fā)展具有重要意義。海洋地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)，要以教學實驗室為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有海洋地質(zhì)專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬仿真實驗教學，研發(fā)海洋地質(zhì)專業(yè)類虛擬仿真內(nèi)容，以虛補實，為實現(xiàn)海洋地質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)目標提供有力支撐。

2實驗室教學平臺建設(shè)思路

總體來說，要立足國家海洋強國戰(zhàn)略目標，以教育部《示范性虛擬仿真實驗教學項目》精神為指導，堅持問題導向和需求導向，緊密結(jié)合經(jīng)濟社會發(fā)展對海洋科學高層次人才培養(yǎng)的需求，緊密結(jié)合海洋專業(yè)特色和海洋科學研究領(lǐng)域最新成果，以學?！疤厣?精品”的發(fā)展理念及學科強校戰(zhàn)略為依托，以實驗室開放和共享為宗旨，以“兩創(chuàng)”（創(chuàng)業(yè)精神和創(chuàng)新能力）人才培養(yǎng)為目標，圍繞“海洋科學”“海洋資源與環(huán)境”兩個專業(yè)，以海洋地質(zhì)學、海洋礦產(chǎn)資源、海洋環(huán)境與生物、海洋地球物理技術(shù)等學科為交叉，將海洋地質(zhì)和海洋地質(zhì)資源的實踐教學作為一個整體，采用現(xiàn)代信息技術(shù)，以虛擬仿真實驗課程建設(shè)為主，進行模擬實驗資源、虛擬實驗資源及配套教學資源展示平臺的綜合建設(shè)[11-12]。具體應(yīng)體現(xiàn)在以下方面。（1）以學生為中心的教學理念。從學生需求出發(fā)，結(jié)合學生學習實際，利用虛擬仿真交互形式調(diào)動學生的積極性和主動性，注重學生能力提升及對相關(guān)知識點的理解與掌握。（2）準確適宜的教學內(nèi)容。以問題、需求為導向，以“本科+研究生”人才培養(yǎng)為目標，體現(xiàn)必要性、適用性，針對海洋地質(zhì)專業(yè)學生所學部分知識無法真實觀察及體驗的問題，定制研發(fā)虛擬仿真內(nèi)容，以虛補實。（3）創(chuàng)新多樣的教學方法。利用各種可提升教學效果的方式方法，如互動體驗式、探究式等，倡導學生進行自主式、體驗式、探究式學習。（4）先進可靠的實驗研發(fā)技術(shù)。結(jié)合學科特點和教學目標，利用虛擬仿真技術(shù)研發(fā)三維可交互、三維可視化的教學資源，幫助學生理解和掌握那些靠傳統(tǒng)教學難以講明白的知識點。

3實驗室教學平臺建設(shè)內(nèi)容

海洋地質(zhì)教學平臺建設(shè)主要針對海洋科學、海洋資源與環(huán)境（海洋地質(zhì)資源方向）專業(yè)進行，包括教學資源建設(shè)、教學終端建設(shè)、教學資源管理平臺建設(shè)和教學環(huán)境平臺建設(shè)四方面內(nèi)容。

3.1教學資源建設(shè)

教學資源建設(shè)是指以下四個方面的建設(shè)：海上三維可視化水平井地質(zhì)導向模擬仿真展示系統(tǒng)（見圖1）、海洋陸架含油氣系統(tǒng)演化及油氣運移過程仿真模擬（見圖2）、海洋陸架地質(zhì)地層構(gòu)造變形數(shù)值仿真模擬（見圖3）和深海三維可視化天然氣水合物模擬開采仿真教學實驗（見圖4）。這些建設(shè)內(nèi)容將用于“海洋地質(zhì)”“海洋地質(zhì)資源”“海上油氣地質(zhì)”“油氣測井及地下地質(zhì)分析”等實驗課程，滿足海洋科學、海洋地質(zhì)與資源等方向的實踐教學。

3.2教學終端建設(shè)

虛擬實驗是基于虛擬環(huán)境、虛擬儀器、虛擬物料等要素設(shè)計實驗任務(wù)的，可以通過鼠標、鍵盤等操作實驗要素進行模擬實驗。我們采用三維互動、三維漫游、三維動畫及平面元素等來構(gòu)建虛擬仿真實驗教學內(nèi)容。系統(tǒng)具有碰撞檢測功能，可實現(xiàn)多參數(shù)調(diào)節(jié)、非線性實時處理等操作。通過軟件實現(xiàn)了每個實驗課程的三維模型及三維動畫原理仿真模擬，以豐富的可操作性交互仿真模擬實驗的諸多內(nèi)容，如對于難以觀察到的天然氣水合物，學生可以通過虛擬仿真軟件進行觀察，還可以通過其微觀結(jié)構(gòu)和全球分布情況的三維模擬作進一步探究，也可以通過軟件交互模擬操作天然氣水合物的整個開采流程。定制開發(fā)軟件可以清晰展示三維模型場景及可交互操作界面，通過三維動畫、三維模型、交互操作等可視化的形式，對每個知識點進行情景再現(xiàn)，使所涉及的教學知識點具象化，提高學生興趣，彌補現(xiàn)有教學條件的不足，提高學生學習效果和教師教學效果。

3.3教學資源管理平臺建設(shè)

平臺所存儲的數(shù)據(jù)不涉及學生學籍等重要信息，信息系統(tǒng)安全等級保護暫定為一級。服務(wù)器硬件部署在實驗室核心機房，有專人管理，符合物理安全要求。網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層由學校信息中心負責維護，符合相關(guān)要求。數(shù)據(jù)采取定期備份方式以保證數(shù)據(jù)安全，整體符合信息系統(tǒng)安全等級保護要求。

3.4教學環(huán)境平臺建設(shè)

實驗室應(yīng)可容納多人同時上課，并且具有展示功能。教學資源展示中心一期建設(shè)已基本完成并可投入日常教學使用，后續(xù)將逐步完成信息化升級，提升教學資源展示中心的整體信息化管理水平，提升對實驗教學資源的管理水平，實現(xiàn)更流暢的信息共享，完善整體教學效果。另外，可對平臺建設(shè)的載體實驗室進行改造，除了滿足日常教學需求外增加虛擬現(xiàn)實演示環(huán)境，為探究性實驗提供更自然的交互體驗。

4結(jié)語

海洋地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)，突破了傳統(tǒng)海洋地質(zhì)實驗教學地域、空間和實驗裝備等多方面制約，建立起生動、三維立體、互動的信息化教學新模式，激發(fā)了學生的實驗興趣，提高了實驗教學效果，使教學觀念從以“教師為中心”變?yōu)橐浴皩W生為中心”，實行了個性化教學、合作化教學，推進了實驗教學信息化建設(shè)，推動了實驗教學的改革與創(chuàng)新。

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作者：王睿 李琦 姜正龍 柳長峰 單位：中國地質(zhì)大學