基于虛擬仿真的地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

【摘要】虛擬仿真地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建是地理類示范性虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)的根基，為提高高校地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體水平，促進(jìn)創(chuàng)新型、復(fù)合型人才的培養(yǎng)，需要針對(duì)部分傳統(tǒng)地理實(shí)驗(yàn)中高危、高成本、完成時(shí)間極長(zhǎng)或極短等問題，利用虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等高新技術(shù)突破傳統(tǒng)模式的限制，構(gòu)建涵蓋地理學(xué)基礎(chǔ)、應(yīng)用和創(chuàng)新的“三層次六模塊”虛擬仿真地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，最終實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放共享。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系 虛擬現(xiàn)實(shí) 混合現(xiàn)實(shí)

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）31-0175-02

引言

長(zhǎng)期以來，在地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，受多種因素制約，部分教學(xué)內(nèi)容用常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段難以完成，例如：受地理時(shí)空限制，完成實(shí)驗(yàn)的時(shí)間很長(zhǎng)或極短，實(shí)驗(yàn)對(duì)象在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中不易觀察（如天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)變化）；某些實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生就業(yè)的必要技能但實(shí)驗(yàn)的成本高、消耗大，對(duì)于普通高校來說遙不可及；而某些高危、極端、不可逆類實(shí)驗(yàn)的對(duì)象有毒副作用或化學(xué)穩(wěn)定性差，在實(shí)操過程中有安全風(fēng)險(xiǎn)（如土壤實(shí)驗(yàn)）；還有一些貴重儀器設(shè)備的操作復(fù)雜度高，誤操作將造成儀器損毀。以上問題在一定程度上限制了地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力[1-3]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是在虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體等技術(shù)背景下衍生和發(fā)展的一種新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，它以?jì)算機(jī)為控制中心，利用軟件技術(shù)構(gòu)建邏輯結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)相關(guān)硬件形成虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)形成虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，使學(xué)生通過模擬設(shè)備操作，到達(dá)甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中完成預(yù)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練效果[4-5]，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是由虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)生成的若干適用于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對(duì)象及實(shí)驗(yàn)信息資源等[6-7]。

虛擬仿真地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建是地理類示范性虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)的根基，廣州大學(xué)資源環(huán)境與區(qū)域規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過多年探索，針對(duì)以上常規(guī)地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，建設(shè)“3基礎(chǔ)+2平臺(tái)+1創(chuàng)新”的虛擬仿真地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，供高校建設(shè)地理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目借鑒之用[8-9]。

1.地理虛擬教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

“3基礎(chǔ)”是指“自然地理虛擬實(shí)驗(yàn)”、“人文地理虛擬實(shí)驗(yàn)”、“地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)”三大教學(xué)基礎(chǔ)模塊；“2平臺(tái)”是指“貴重儀器虛擬實(shí)操平臺(tái)”、“虛擬地理環(huán)境實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”兩大教學(xué)應(yīng)用模塊；“1創(chuàng)新”是指“地理類實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)DIY”一大教學(xué)創(chuàng)新模塊。六大模塊涵蓋地理學(xué)基礎(chǔ)、應(yīng)用和創(chuàng)新三個(gè)人才培養(yǎng)層面，能基本覆蓋地理學(xué)本科與研究生培養(yǎng)階段的主干實(shí)驗(yàn)課程，兼顧教學(xué)與科研的基本需要。

1.1 地理基礎(chǔ)模塊以虛補(bǔ)實(shí)

地理基礎(chǔ)模塊的主要虛擬內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，它要解決的教學(xué)問題是地理實(shí)驗(yàn)中有一部分是常規(guī)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)或危險(xiǎn)性高的，如“天體觀測(cè)”、“土壤測(cè)定”等。借助虛擬仿真技術(shù)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景來研究實(shí)驗(yàn)對(duì)象，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空維度。典型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如：大氣環(huán)流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、天體運(yùn)動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、土壤測(cè)定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、地圖投影虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等。在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生較少能接觸這些實(shí)驗(yàn)對(duì)象或過程，所以，仿真實(shí)驗(yàn)成為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，使學(xué)生能便捷、系統(tǒng)地掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論。

1.2 地理應(yīng)用模塊以虛仿實(shí)

地理應(yīng)用模塊的主要虛擬內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)技術(shù)，它要解決的教學(xué)問題是地理實(shí)驗(yàn)中有一部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備或耗材過于昂貴，開展常規(guī)實(shí)驗(yàn)意味著持續(xù)地高投入、高消耗，所以該類實(shí)驗(yàn)始終無(wú)法全面覆蓋本科教學(xué)，但這些實(shí)驗(yàn)技能又是學(xué)生就業(yè)的關(guān)鍵儲(chǔ)備。因此利用虛擬仿真技術(shù)，模擬貴重儀器的實(shí)現(xiàn)原理和實(shí)操流程，使學(xué)生先在虛擬平臺(tái)反復(fù)練習(xí)，待正確熟練操作后再到真實(shí)設(shè)備上開展實(shí)驗(yàn)，從而有效降低實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備購(gòu)置和維護(hù)成本[10-11]。典型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如：無(wú)人機(jī)的使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、南沙濕地植物調(diào)查與群落分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等。

1.3 地理創(chuàng)新模塊以虛代實(shí)

人才培養(yǎng)計(jì)劃與實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱本質(zhì)上是高校培養(yǎng)學(xué)生的規(guī)定動(dòng)作、固化動(dòng)作，即使每隔幾年會(huì)修訂新版，客觀上仍滯后于用人單位的需求與科技社會(huì)的發(fā)展。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備購(gòu)置流程復(fù)雜冗長(zhǎng)，這直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)與社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐之間存在一定程度的脫節(jié)。因此，以具體的地理類實(shí)踐項(xiàng)目為虛擬對(duì)象，利用虛擬仿真技術(shù)提供的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)組件、實(shí)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)情景，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以虛代實(shí)，能有效擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵，豐富實(shí)踐教學(xué)成果，也有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和高質(zhì)量就業(yè)。其中自主設(shè)計(jì)的代表性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：城市三維建模與動(dòng)態(tài)模擬、物流配送中心選址與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、生態(tài)空間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)等。

2.地理虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過程都會(huì)耗費(fèi)高校大量的人力、物力和財(cái)力，所以其初衷應(yīng)該是用來針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的瓶頸實(shí)現(xiàn)有效突破。所以，在設(shè)計(jì)中，必須堅(jiān)持“能實(shí)不虛”和“虛實(shí)結(jié)合”的原則，將理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在時(shí)空上的局限，并有效結(jié)合最新科技成果與學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容應(yīng)該完整、逼真、交互性強(qiáng)[12]。最后，虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的仿真與回朔，在模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景時(shí)還應(yīng)給予學(xué)生相應(yīng)的提醒、提示和提問，實(shí)現(xiàn)友好智能的人機(jī)交互。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了提高地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，促進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，通過全面整合實(shí)驗(yàn)室資源，設(shè)計(jì)統(tǒng)一開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊與平臺(tái)，并充分利用高科技信息化手段的后發(fā)優(yōu)勢(shì)突破傳統(tǒng)教學(xué)范式的限制，構(gòu)建涵蓋地理學(xué)基礎(chǔ)、應(yīng)用和創(chuàng)新的“三層次六模塊”虛擬仿真地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，最終實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開放共享。

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作者簡(jiǎn)介：

劉超（1983年6月—），男，湖南長(zhǎng)沙人，廣州大學(xué)實(shí)驗(yàn)員，碩士研究生，主要從事地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。