虛擬仿真技術(shù)開拓地球科學(xué)教育新邊疆

方坤，王雨雙，王曉延

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

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(yàn)和人機(jī)互動(dòng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)適應(yīng)信息時(shí)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(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐提供了先進(jìn)手段、開放平臺(tái)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(shí)驗(yàn)案例。以國家級虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中心有：北京大學(xué)的“地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”（2013），南京師范大學(xué)的“虛擬地理環(huán)境實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”（2014）。這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(gè)或某幾個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，需要通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)時(shí)，需要運(yùn)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(shí)實(shí)習(xí)為例，雖然學(xué)生可以觀察局部某一個(gè)點(diǎn)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(diǎn)的情況串聯(lián)起來，形成對這一地區(qū)的綜合認(rèn)識(shí)。但如果在此之前，學(xué)生通過“三維地層仿真環(huán)境”對實(shí)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(shí)。

（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(shí)，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(shí)。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)間，而且其過程一般是“不可逆”的，因此很難通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)來復(fù)現(xiàn)這個(gè)過程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以完美的解決這個(gè)問題。對于一個(gè)經(jīng)過漫長時(shí)間發(fā)育的地學(xué)現(xiàn)象，可以為它在若干關(guān)鍵的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，基于現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)、知識(shí)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(gè)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(jì)算機(jī)查閱文獻(xiàn)、撰寫報(bào)告，還能夠具備信息科學(xué)的思維能力，主動(dòng)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(shí)驗(yàn)，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(shí)。但是這些設(shè)備或者價(jià)格高企，或者難以部署，高校限于財(cái)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(shí)驗(yàn)可以解決這個(gè)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(shí)實(shí)驗(yàn)。

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(shí)現(xiàn)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)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(shí)，提供了可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[2]。為保證實(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)劃分為全虛型（不可逆、高危險(xiǎn)、高成本、大范圍、靜態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)）、虛實(shí)結(jié)合型（抽象、難理解、難記憶、破碎化、數(shù)量大等）、全實(shí)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(jì)。

（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(diǎn)，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(shí)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(jì)若干案例，例如，火山噴發(fā)地質(zhì)過程仿真實(shí)驗(yàn)，可以動(dòng)態(tài)觀察火山活動(dòng)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(tái)，讓學(xué)生可以在簡單的計(jì)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(shí)踐地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(gè)完善的“評價(jià)-反饋”機(jī)制：讓每一個(gè)參與實(shí)驗(yàn)的人員對實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行評價(jià)。跟蹤評價(jià)結(jié)果，定期或不定期地根據(jù)評價(jià)結(jié)果和意見來調(diào)整實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的初衷和應(yīng)該始終堅(jiān)持的目標(biāo)，也是促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的手段。地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)案例，也可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)開發(fā)新的案例。在這個(gè)過程中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，而學(xué)生積極參與到仿真實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)開發(fā)中，同樣也會(huì)促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。

3 地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中心完備的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)體博物館構(gòu)建，具備全虛型教學(xué)實(shí)驗(yàn)——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(shí)結(jié)合型教學(xué)實(shí)驗(yàn)——在實(shí)體場館中瀏覽虛擬博物館；全實(shí)型教學(xué)實(shí)驗(yàn)——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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)習(xí)等野外工作中采集的，或者為校友、國際友人等饋贈(zèng)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(jì)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(jì)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(shí)體。這既是“虛擬地質(zhì)博物館”虛擬仿真教學(xué)體系中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又可以擴(kuò)展教學(xué)體系的實(shí)驗(yàn)案例，從而實(shí)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(gè)固定的、一成不變的“死”平臺(tái)，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(jì)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(shí)。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(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)，集成海、陸、空多要素的綜合分析實(shí)驗(yàn)，囊括地學(xué)信息采集、處理、存儲(chǔ)、分發(fā)、應(yīng)用、分析全流程的綜合業(yè)務(wù)實(shí)驗(yàn)。

[1]王衛(wèi)國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(tái)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2017，26(07):110-115.