基于虛擬仿真的地理實驗教學(xué)體系構(gòu)建

【摘要】虛擬仿真地理實驗教學(xué)體系構(gòu)建是地理類示范性虛擬仿真項目建設(shè)的根基，為提高高校地理實驗教學(xué)的整體水平，促進創(chuàng)新型、復(fù)合型人才的培養(yǎng)，需要針對部分傳統(tǒng)地理實驗中高危、高成本、完成時間極長或極短等問題，利用虛擬現(xiàn)實、混合現(xiàn)實等高新技術(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”虛擬仿真地理實驗教學(xué)體系，最終實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)的開放共享。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真 實驗教學(xué)體系 虛擬現(xiàn)實 混合現(xiàn)實

【中圖分類號】G642 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）31-0175-02

引言

長期以來，在地理實驗教學(xué)中，受多種因素制約，部分教學(xué)內(nèi)容用常規(guī)實驗手段難以完成，例如：受地理時空限制，完成實驗的時間很長或極短，實驗對象在常規(guī)實驗中不易觀察（如天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動態(tài)變化）；某些實驗作為學(xué)生就業(yè)的必要技能但實驗的成本高、消耗大，對于普通高校來說遙不可及；而某些高危、極端、不可逆類實驗的對象有毒副作用或化學(xué)穩(wěn)定性差，在實操過程中有安全風(fēng)險（如土壤實驗）；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驗教學(xué)效果，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力[1-3]。

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

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

1.地理虛擬教學(xué)模塊設(shè)計

“3基礎(chǔ)”是指“自然地理虛擬實驗”、“人文地理虛擬實驗”、“地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)虛擬實驗”三大教學(xué)基礎(chǔ)模塊；“2平臺”是指“貴重儀器虛擬實操平臺”、“虛擬地理環(huán)境實訓(xùn)平臺”兩大教學(xué)應(yīng)用模塊；“1創(chuàng)新”是指“地理類實踐項目設(shè)計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)階段的主干實驗課程，兼顧教學(xué)與科研的基本需要。

1.1 地理基礎(chǔ)模塊以虛補實

地理基礎(chǔ)模塊的主要虛擬內(nèi)容是實驗場景，它要解決的教學(xué)問題是地理實驗中有一部分是常規(guī)實驗不具備或難以實現(xiàn)或危險性高的，如“天體觀測”、“土壤測定”等。借助虛擬仿真技術(shù)，通過虛擬實驗場景來研究實驗對象，拓展實驗教學(xué)的時空維度。典型的實驗項目如：大氣環(huán)流虛擬仿真實驗、天體運動虛擬仿真實驗、土壤測定虛擬仿真實驗、地圖投影虛擬仿真實驗等。在常規(guī)實驗中，學(xué)生較少能接觸這些實驗對象或過程，所以，仿真實驗成為常規(guī)實驗的有效補充，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

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

1.3 地理創(chuàng)新模塊以虛代實

人才培養(yǎng)計劃與實驗教學(xué)大綱本質(zhì)上是高校培養(yǎng)學(xué)生的規(guī)定動作、固化動作，即使每隔幾年會修訂新版，客觀上仍滯后于用人單位的需求與科技社會的發(fā)展。同時，實驗設(shè)備購置流程復(fù)雜冗長，這直接導(dǎo)致實驗與社會生產(chǎn)實踐之間存在一定程度的脫節(jié)。因此，以具體的地理類實踐項目為虛擬對象，利用虛擬仿真技術(shù)提供的基礎(chǔ)實驗組件、實驗參數(shù)與實驗情景，由學(xué)生自主設(shè)計實驗項目，以虛代實，能有效擴充實驗教學(xué)的內(nèi)涵，豐富實踐教學(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)計的代表性實驗項目有：城市三維建模與動態(tài)模擬、物流配送中心選址與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、生態(tài)空間動態(tài)監(jiān)測及評價等。

2.地理虛擬實驗項目設(shè)計

虛擬仿真實驗從設(shè)計到實現(xiàn)的整個過程都會耗費高校大量的人力、物力和財力，所以其初衷應(yīng)該是用來針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的瓶頸實現(xiàn)有效突破。所以，在設(shè)計中，必須堅持“能實不虛”和“虛實結(jié)合”的原則，將理論和實驗教學(xué)有機融合，突破傳統(tǒng)實驗在時空上的局限，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，虛擬實驗項目內(nèi)容應(yīng)該完整、逼真、交互性強[12]。最后，虛擬實驗項目作為傳統(tǒng)實驗的仿真與回朔，在模擬實驗場景時還應(yīng)給予學(xué)生相應(yīng)的提醒、提示和提問，實現(xiàn)友好智能的人機交互。

結(jié)語

綜上所述，為了提高地理實驗教學(xué)水平，促進創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，通過全面整合實驗室資源，設(shè)計統(tǒng)一開放的實驗教學(xué)模塊與平臺，并充分利用高科技信息化手段的后發(fā)優(yōu)勢突破傳統(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”虛擬仿真地理實驗教學(xué)體系，最終實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)資源的開放共享。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知（教高廳函（2017）4號）[Z].2017.

[2]中華人民共和國教育部.教育部辦公廳關(guān)于開展2017年度示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目認(rèn)定工作的通知（教高廳函（2017）47號）[Z].2017.

[3]中華人民共和國教育部.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知（教高司函（2013）94號）[Z].2013.

[4]許秀云，張玉梁.依托現(xiàn)代信息技術(shù)提高實驗教學(xué)質(zhì)量[J].實驗室研究與探索，2011（5）：131-132.

[5]張敬南，張鐘.實驗教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的研究[J].實驗技術(shù)與管理，2011（3）：102-103.

[6]李平，毛昌杰，徐進.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（11）：6-7.

[7]徐進.2013年國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作小結(jié)及2014年申報建議[J].實驗室研究與探索，2014（8）：1-2.

[8]陳國輝，劉有才，劉士軍.虛擬仿真實驗教學(xué)中心實驗教學(xué)體系建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2015（8）：170-171.

[9]王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013（12）：5-8.

[10]費克文，倪光峰，王伏玲.高校大型儀器設(shè)備開放共享實踐與探索[J].實驗室研究與探索，2011（9）：401-402.

[11]李愛封.儀器分析實驗教學(xué)內(nèi)容改革與實踐[J].大學(xué)化學(xué)，2012（6）：30-31.

[12]中華人民共和國教育部.國家級實驗教學(xué)示范中心管理辦法（教高廳函（2016）3號）[Z].2016.

作者簡介：

劉超（1983年6月—），男，湖南長沙人，廣州大學(xué)實驗員，碩士研究生，主要從事地理實驗教學(xué)研究。