基于虛擬仿真技術(shù)的防震減災(zāi)基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)的探索

陳 健, 姜紀(jì)沂, 于曉輝, 周 洋, 張莉麗

(防災(zāi)科技學(xué)院， 河北 三河 065201)

0 引 言

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)是國(guó)家教育信息化戰(zhàn)略的重要組成部分，對(duì)提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力發(fā)揮了不可替代的作用。《國(guó)家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提到，要全力推動(dòng)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)探索未來(lái)教育新模式。

進(jìn)入21世紀(jì)，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用得到迅速發(fā)展。英國(guó)開(kāi)放大學(xué)開(kāi)放科學(xué)實(shí)驗(yàn)室能夠在線實(shí)現(xiàn)虛擬儀器共享使用的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；美國(guó)耶魯大學(xué)發(fā)揮移動(dòng)實(shí)驗(yàn)具有的即時(shí)性、參與性、情境性、泛在性、愉悅性等優(yōu)勢(shì)，采用平板電腦完成生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)等課程實(shí)驗(yàn)；西班牙馬德里IE商學(xué)院運(yùn)用名為“唐寧街10號(hào)”的教育類游戲軟件開(kāi)展教學(xué)，使學(xué)生學(xué)習(xí)和了解全球經(jīng)濟(jì)政策的復(fù)雜性，培養(yǎng)解決相關(guān)領(lǐng)域緊迫問(wèn)題的實(shí)際能力。

2009年，同濟(jì)大學(xué)依托自身學(xué)科優(yōu)勢(shì)，本著虛實(shí)結(jié)合的原則，在原有國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心基礎(chǔ)上，探索建設(shè)了土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。我國(guó)2013年啟動(dòng)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)工作，將虛擬仿真技術(shù)引入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。國(guó)內(nèi)高校積極響應(yīng)信息技術(shù)與教育深入融合的要求，2015年成都理工大學(xué)依托校內(nèi)外地質(zhì)教學(xué)資源，建成國(guó)家級(jí)地質(zhì)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，內(nèi)容包括基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)、數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)、物理仿真實(shí)驗(yàn)等，提升了學(xué)生個(gè)性化實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)踐能力。截至2016年初，全國(guó)各高校已經(jīng)建立了300個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。

在防震減災(zāi)領(lǐng)域也積極開(kāi)展虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用探索，中國(guó)地震局利用虛擬仿真、場(chǎng)景渲染和多媒體等技術(shù)，研制用于培訓(xùn)的地震應(yīng)急處置推演訓(xùn)練系統(tǒng)，在地震應(yīng)急推演訓(xùn)練中給出了較為完整的解決方案。

1 建設(shè)的主要內(nèi)容

我國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家，國(guó)家歷來(lái)重視防震減災(zāi)事業(yè)的發(fā)展。防災(zāi)科技學(xué)院隸屬于中國(guó)地震局，是全國(guó)僅有的以防災(zāi)減災(zāi)高等教育為主、學(xué)科門類齊全的綜合性全日制普通高等學(xué)校，肩負(fù)培養(yǎng)防震減災(zāi)專業(yè)人才和服務(wù)社會(huì)的使命和責(zé)任。

基于培養(yǎng)防震減災(zāi)基礎(chǔ)人才的需要，校內(nèi)外結(jié)合，建設(shè)防震減災(zāi)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源，主要包括基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)和土木工程3方面的內(nèi)容。秦皇島柳江盆地自然保護(hù)區(qū)地質(zhì)教學(xué)歷史悠久，地質(zhì)教學(xué)資源豐富。依托柳江自然保護(hù)區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)實(shí)習(xí)路線，融合校內(nèi)顯微鏡、活動(dòng)構(gòu)造與地震地質(zhì)災(zāi)害等實(shí)驗(yàn)室相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，實(shí)景再現(xiàn)野外實(shí)習(xí)場(chǎng)景，模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相同的虛擬仿真教學(xué)環(huán)節(jié)，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)具有沉浸性、引導(dǎo)性、參與性和高效性的教學(xué)場(chǎng)景與內(nèi)容。

北川羌族自治縣地震遺址，是2008年汶川地震后遺留下來(lái)保護(hù)完整的地震遺跡。震區(qū)現(xiàn)存各類建筑的破壞形態(tài)，是土木工程專業(yè)學(xué)生天然的實(shí)踐教學(xué)資源。通過(guò)前期充分的科學(xué)考察，積累了豐富的教學(xué)資源，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，還原地震現(xiàn)場(chǎng)，模擬地震過(guò)程、建筑破壞過(guò)程和振動(dòng)臺(tái)大型儀器設(shè)備工作過(guò)程，解釋地震機(jī)理及建筑破壞結(jié)構(gòu)原理。

2 建設(shè)的意義和作用

利用虛擬仿真技術(shù)開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，3D虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式逼真，有助于演示抽象教學(xué)內(nèi)容；通過(guò)虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的虛擬教學(xué)場(chǎng)景趣味性強(qiáng)，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，將各種教學(xué)資源集中于PC桌面、手機(jī)屏幕，使學(xué)習(xí)更高效。

2.1 有利于實(shí)踐教學(xué)資源的整合利用

防震減災(zāi)類實(shí)踐教學(xué)資源物理上分布比較分散，例如，基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)野外實(shí)習(xí)涉及10余條路線，面積覆蓋數(shù)10 km2，地質(zhì)現(xiàn)象比較分散；地震遺址距學(xué)校千里之外等。校外資源與校內(nèi)資源無(wú)法有機(jī)融合。

通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可以將校內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)資源“搬”到PC桌面，“放”在手機(jī)屏幕，在虛擬場(chǎng)景中，方便高效的教學(xué)輔助工具，和實(shí)驗(yàn)室零距離，野外取樣隨時(shí)隨地都可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)“可以裝在口袋里”的實(shí)驗(yàn)室，便于校內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)資源的整合利用。

2.2 有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和效率

3D網(wǎng)游、3D手游是大學(xué)生喜聞樂(lè)見(jiàn)的娛樂(lè)形式。以3D虛擬仿真技術(shù)，將枯燥、條件惡劣的實(shí)踐教學(xué)資源構(gòu)建為高度仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境，建成桌面虛擬仿真、手機(jī)版虛擬仿真系統(tǒng)，兼具教學(xué)性與娛樂(lè)性，使學(xué)生沉浸其中、樂(lè)在其中、學(xué)在其中。實(shí)現(xiàn)互動(dòng)教學(xué)，最大限度地激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，具有獨(dú)特的教學(xué)作用。

通常,對(duì)于校外實(shí)習(xí)基地的教學(xué)內(nèi)容一般采取集中時(shí)間、集中組織的形式開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生很難提前充分的預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬仿真教學(xué)資源平臺(tái)，學(xué)生可以身臨其境環(huán)境中，真實(shí)模擬實(shí)習(xí)過(guò)程、實(shí)習(xí)任務(wù)以及可能遇到的問(wèn)題，提前做好實(shí)習(xí)的預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備，可以在實(shí)習(xí)教學(xué)過(guò)程中，大大提高教學(xué)和學(xué)習(xí)效率。

2.3 有利于實(shí)踐教學(xué)資源的保護(hù)

柳江盆地自然保護(hù)區(qū)和北川地震遺址都是不可多得的野外實(shí)踐教學(xué)資源。每年有數(shù)十所地質(zhì)類院校學(xué)生批量在柳江盆地自然保護(hù)區(qū)開(kāi)展地質(zhì)類教學(xué)實(shí)習(xí)活動(dòng)，每年都有多批次科考人員和學(xué)生赴北川地震遺址開(kāi)展科考和教學(xué)活動(dòng)。

柳江盆地自然保護(hù)區(qū)的教學(xué)資源包括各種出露的地質(zhì)現(xiàn)象，北川地震遺址是世界有記錄歷史以來(lái)，記錄到的最大垂直抬升位移量的地震構(gòu)造遺跡，被譽(yù)為“天然地質(zhì)博物館”。隨著時(shí)間推移，采礦、侵蝕、泥石流和災(zāi)后重建等，導(dǎo)致野外教學(xué)資源不斷遭到不可恢復(fù)的破壞，如果不加以保護(hù)，多年以后，這種優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源可能不復(fù)存在。

通過(guò)虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行3D建模，輔以全景技術(shù)，可以再現(xiàn)野外實(shí)踐教學(xué)場(chǎng)景、教學(xué)內(nèi)容，并融入教學(xué)方法，將實(shí)踐教學(xué)資源虛擬化、電子化，使寶貴的教學(xué)資源長(zhǎng)久保存和使用。

2.4 有利于防震減災(zāi)科普知識(shí)宣傳

防震減災(zāi)科普知識(shí)宣傳是防震減災(zāi)工作的重要部分，持續(xù)開(kāi)展防震減災(zāi)科普知識(shí)宣傳，是防災(zāi)科技學(xué)院天然的社會(huì)責(zé)任。通過(guò)長(zhǎng)期堅(jiān)持不懈的努力宣傳，不斷加深廣大人民群眾的防災(zāi)抗災(zāi)救災(zāi)意識(shí)，很大程度的提高人民群眾的抗震設(shè)防意識(shí)和抗災(zāi)自覺(jué)性，實(shí)現(xiàn)災(zāi)前預(yù)防、災(zāi)害發(fā)生時(shí)把破壞和損失控制到最少程度的可能性。

3 建設(shè)思路與實(shí)現(xiàn)途徑

根據(jù)“地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、地震災(zāi)害預(yù)防、地震緊急救援”三大工作體系對(duì)基礎(chǔ)人才培養(yǎng)的需求，整合野外與實(shí)驗(yàn)室的地震地質(zhì)、地震災(zāi)害實(shí)踐教學(xué)資源，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)更有效的提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。

3.1 規(guī)劃建設(shè)內(nèi)容，明確建設(shè)需求

依據(jù)柳江盆地自然保護(hù)區(qū)和北川地震遺址現(xiàn)存教學(xué)條件，本著“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、以虛補(bǔ)實(shí)”的基本原則，對(duì)于利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建地震地質(zhì)基礎(chǔ)、活動(dòng)構(gòu)造探測(cè)、地震災(zāi)害與地震過(guò)程模擬、建筑結(jié)構(gòu)震害分析等4個(gè)模塊防震減災(zāi)虛擬仿真基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)資源體系。具體如圖1所示。

圖1 防震減災(zāi)虛擬仿真基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)資源體系

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)腳本，探索應(yīng)用模式

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源的建設(shè)，既包括場(chǎng)景、儀器設(shè)備、觀察點(diǎn)的建模，也包括教學(xué)內(nèi)容、環(huán)節(jié)、方法的融入。以多年實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容與經(jīng)驗(yàn)積累和科考獲取的一手資料為基本依據(jù)，在充分論證的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)編寫(xiě)虛擬仿真教學(xué)資源設(shè)計(jì)腳本，按教學(xué)過(guò)程加以實(shí)現(xiàn)。

虛擬仿真教學(xué)資源應(yīng)具有沉浸性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是對(duì)真實(shí)世界的三維模擬，沉浸性是其最主要的特征，沉浸性可以引起用戶的思想共鳴，造成心理的沉浸。虛擬仿真教學(xué)資源還應(yīng)具有趣味性。

4 基于虛擬仿真技術(shù)的防震減災(zāi)基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)資源的應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源具有生動(dòng)、逼真、立體、有趣等諸多優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)實(shí)際教學(xué)場(chǎng)景和教學(xué)內(nèi)容的實(shí)景再現(xiàn)。在“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、以虛補(bǔ)實(shí)”的建設(shè)原則下，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源與實(shí)物教學(xué)資源之間的關(guān)系如何處理，充分發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)資源在人才培養(yǎng)中的作用。

4.1 建立“虛擬場(chǎng)景-模擬設(shè)備-實(shí)景教學(xué)”三結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)新模式

通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，從宏觀到微觀層面實(shí)景再現(xiàn)秦皇島柳江盆地地質(zhì)實(shí)習(xí)路線、水文地質(zhì)實(shí)習(xí)路線、北川地震遺址、相關(guān)大型儀器設(shè)備及其包括的所有教學(xué)內(nèi)容；模擬地質(zhì)類、地下水、土木工程和結(jié)構(gòu)抗震等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在虛擬環(huán)境中了解路線、認(rèn)識(shí)巖石與地質(zhì)構(gòu)造、分析建筑破壞成因等，完成預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和基本設(shè)備的操作訓(xùn)練。

4.2 建立虛擬環(huán)境闖關(guān)、實(shí)景教學(xué)考核相結(jié)合的考評(píng)體系

在虛擬環(huán)境中，根據(jù)教學(xué)環(huán)節(jié)，合理設(shè)置闖關(guān)關(guān)卡，增強(qiáng)虛擬仿真教學(xué)資源的互動(dòng)、趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情；在實(shí)景教學(xué)過(guò)程中，利用學(xué)生在虛擬環(huán)境中獲得的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備使用技能，實(shí)現(xiàn)實(shí)習(xí)過(guò)程中教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)模式，充分體現(xiàn)學(xué)生自主實(shí)踐和自我管理的主體地位，同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)景教學(xué)的過(guò)程考核，兩者相輔相成，提高教學(xué)效果和效率。

4.3 面向地震系統(tǒng)服務(wù)社會(huì)，開(kāi)展培訓(xùn)與科普宣傳

搭建Web平臺(tái)，利用虛擬仿真資源，面向地震系統(tǒng)內(nèi)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、地震災(zāi)害預(yù)防兩個(gè)方向的專業(yè)人員開(kāi)放，可以解決培訓(xùn)內(nèi)容抽象、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)教學(xué)受限等問(wèn)題；面向社會(huì)開(kāi)放，為關(guān)注和了解防震減災(zāi)相關(guān)知識(shí)人群提供可學(xué)習(xí)、可操作、仿真環(huán)境、真實(shí)感受的體驗(yàn)和學(xué)習(xí)資源，提高社會(huì)對(duì)防震減災(zāi)知識(shí)的普及程度。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于虛擬仿真技術(shù)的防震減災(zāi)基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)順應(yīng)了信息技術(shù)與教育融合的歷史潮流，符合教育內(nèi)容更新、教育方法改革以及受教育者特點(diǎn)變化的客觀事實(shí)，從教學(xué)資源建設(shè)途徑、教學(xué)方法與教學(xué)模式改革等方面獲得了一些經(jīng)驗(yàn)，但資源利用的效能評(píng)價(jià)仍需進(jìn)一步探索。