虛擬現(xiàn)實技術(shù)在地球物理學(xué)專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用前景展望
—— 訪長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院劉致水博士

◎ 文/段海望

虛擬現(xiàn)實（簡稱VR）技術(shù)是用計算機技術(shù)來創(chuàng)造一種沉浸式環(huán)境以模擬真實世界或者想象中世界的技術(shù)。隨著VR 技術(shù)的日漸成熟，它在教學(xué)中的應(yīng)用前景如何？近日，我們就此采訪了長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院的劉致水博士。他認為，基于VR 技術(shù)的虛擬教學(xué)理念和應(yīng)用優(yōu)勢，可以補充地球物理傳統(tǒng)教學(xué)的不足，豐富學(xué)生的認知，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及學(xué)習(xí)效率，不過，其在地球物理學(xué)專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用，目前還存在一些技術(shù)瓶頸亟待攻克。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)已開始應(yīng)用于教學(xué)

由于經(jīng)費、物理、安全等因素的限制，在教學(xué)工作中教師往往不能將學(xué)生帶到現(xiàn)場進行實地學(xué)習(xí)，例如遙遠的地方（不同的國家/地區(qū)）、過去（歷史上的地點）或無法訪問的地方（地球內(nèi)部、海底或其他行星），而只能采取文字、圖畫、講解的方式進行授課，這不利于學(xué)生進行直觀的認識和理解。

劉致水介紹，針對這個問題，不同時代的教師采取了各種方法來模擬實物，以利于學(xué)生理解、學(xué)習(xí)知識，比如醫(yī)學(xué)中的模具、標本，地理學(xué)的地球儀等。20 世紀90 年代后期，隨著計算機技術(shù)及電子游戲技術(shù)的發(fā)展，課堂教學(xué)中開始出現(xiàn)不同名稱的虛擬仿真技術(shù)，這些技術(shù)為學(xué)生提供了基于桌面的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。21 世紀初期，基于VR 的模擬游戲快速發(fā)展，可以通過復(fù)雜過程/機制建模而進行交互式游戲。VR 技術(shù)的發(fā)展過程中，一些教育工作者即認識到這種技術(shù)在教學(xué)中的前景，并很快的將其應(yīng)用于高等教育理論和實踐教學(xué)中，在教學(xué)過程中學(xué)生可借用特定的設(shè)備，選用適宜的方式與虛擬世界里的人、物進行交流，體驗到身臨其境的感受，從而準確的認識事物的特性。

地球物理學(xué)教學(xué)模式已落后于現(xiàn)代科技進步

曾融生院士在《固體地球物理學(xué)導(dǎo)論》一書中如此定義地球物理學(xué)：“地球物理學(xué)用物理學(xué)的原理和方法，對地球的各種物理場分布及其變化進行觀測，探索地球本體及近地空間的介質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、形成和演化，研究與其相關(guān)的各種自然現(xiàn)象及其變化規(guī)律?！痹诖嘶A(chǔ)上為探測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、尋找能源、資源和環(huán)境監(jiān)測提供理論、方法和技術(shù)，為災(zāi)害預(yù)報提供重要依據(jù)。

地球物理學(xué)所使用的工具是能夠反映研究對象物理特征的抽象的物理場，例如電磁場、波場等，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了多種有效的技術(shù)手段。

地球物理學(xué)專業(yè)的傳統(tǒng)教學(xué)有何特征？

劉致水介紹，地球物理學(xué)所研究的對象與所使用的理論工具都是人類無法直接用肉眼進行觀測與感知的，已故著名地球物理學(xué)家趙九章先生是這樣形容地球物理學(xué)的——“上窮碧落下黃泉、兩處茫茫都不見”。有資料顯示，“目前地球物理學(xué)專業(yè)的課堂教學(xué)中最常用的是多媒體課件或者視頻、圖片等平面的方式，文字、圖片、視頻等載體的信息承載量相對小”，課堂中互動性、情境性不強，這些缺點阻礙了絕大多數(shù)學(xué)生對知識的真正理解和接受，使得學(xué)習(xí)效果不理想。此外，由于學(xué)科的特殊性、儀器的昂貴性，使得很多的地球物理實驗內(nèi)容較為陳舊，教學(xué)模式落后于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進步的步伐，很多的演示實驗也是因設(shè)備和器件的陳舊而無法更好地開展。所以，本科學(xué)生的課程設(shè)計中的實驗，只能多以驗證性實驗出現(xiàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，同時也不能很好的發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。而地球物理學(xué)科的實踐教學(xué)，往往也因為經(jīng)費和安全問題，變成認知性質(zhì)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在技能的練習(xí)上缺乏機會。

VR技術(shù)的應(yīng)用可提升地球物理學(xué)教學(xué)效果

劉致水指出，VR 技術(shù)的應(yīng)用可發(fā)揮以下積極作用。

提高學(xué)生學(xué)習(xí)研究的積極性。VR 技術(shù)可以為課堂教學(xué)構(gòu)建一個高仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境，這個環(huán)境不受硬件場地的限制，能夠增強學(xué)生的直觀感受。只要帶上VR 設(shè)備，學(xué)生就可以完全投入到模擬的可視化教學(xué)實景中，課程中涉及的知識點以更加直觀的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，不僅讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中與教學(xué)內(nèi)容互動，解決傳統(tǒng)課堂中互動性、情境性不強等問題，還可以用于學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)，增強學(xué)生學(xué)習(xí)體驗，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，使學(xué)習(xí)更加主動（參見李志軍等《科研實驗室參與本科人才培養(yǎng)的探索與實踐》一文）。

提高教學(xué)效率。地球物理專業(yè)的特點決定了學(xué)習(xí)的知識抽象，難以理解。對于抽象或不可視的現(xiàn)象和原理，借助VR 技術(shù)可以延伸和強化學(xué)生的認知，既能把微觀世界里用肉眼觀察不到的物質(zhì)在保持其內(nèi)在結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上加以放大，使學(xué)生能夠清晰看到和理解其結(jié)構(gòu)的特性，也能把宏觀浩渺的天體虛擬成現(xiàn)實中的常規(guī)物體，便于學(xué)生從整體上去感知宏觀世界的博大與奇妙（參見田?；鄣取短摂M現(xiàn)實技術(shù)(VR)在智能交通技術(shù)運用專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究》一文）。學(xué)生置身于這個虛擬世界中，各種感覺會被同時激活起來，不僅增強了學(xué)生的直觀感受使其更好地認知世界，而且讓他們能夠獲得在學(xué)科世界中無法經(jīng)歷的感受和體驗，使課堂教學(xué)內(nèi)容更加形象生動。

彌補實踐教學(xué)的不足。傳統(tǒng)實踐教學(xué)中存在創(chuàng)新性實驗較少，實物設(shè)備少、陳舊，訓(xùn)練內(nèi)容難度大，學(xué)生對于設(shè)備不熟悉，不會用等問題，采用虛擬現(xiàn)實模擬來進行輔助實踐教學(xué)，可以減少現(xiàn)實教學(xué)中某些實訓(xùn)操作的困難和危險。學(xué)生通過VR 進入到“真實”情境中，在教師的指導(dǎo)下參加各種實踐活動，通過親身經(jīng)歷的活動學(xué)會多種技能、提高實踐能力（李志軍等，2016），提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新性，在呈現(xiàn)知識信息、輔助教學(xué)活動、加速和鞏固學(xué)習(xí)過程以及設(shè)計、優(yōu)化學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)情境等方面，將發(fā)揮重要作用（參見上面兩文），對學(xué)生提高工程實踐能力具有重要意義。

培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。據(jù)2016年教育部發(fā)布的“中國高等教育系列質(zhì)量報告”中，明確提出“高等院校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)力度不夠，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育仍是軟肋”。（參見張選中等《顛覆教育的虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)探究——評〈VR+教育：可視化學(xué)習(xí)的未來〉一文》）在VR 實驗項目中可以融入最新的科研成果，基于學(xué)科前沿設(shè)計創(chuàng)新實踐項目，使學(xué)生了解專業(yè)的最新方向，新技能和新方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、決策能力和操作能力。利用虛擬技能實驗室的科研資源，鼓勵學(xué)生積極參與各類科學(xué)研究，培養(yǎng)學(xué)生的科研思路和運用專業(yè)知識分析問題、解決問題的能力，有利于創(chuàng)新思維和實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

VR技術(shù)的應(yīng)用還有一些現(xiàn)實問題需要解決

當(dāng)前VR 技術(shù)迅速發(fā)展，在醫(yī)學(xué)、旅游、軍事等專業(yè)都有了比較成功的應(yīng)用及發(fā)展，一些學(xué)校也建設(shè)了相關(guān)的綜合實驗室，但在地球物理學(xué)專業(yè)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用還面臨著一些現(xiàn)實的問題。

劉致水認為，主要可以概況為：（1）缺少綜合的地球物理學(xué)科硬件設(shè)備，在地球物理學(xué)科中VR 技術(shù)目前處于初級發(fā)展階段，技術(shù)問題還不能讓VR 技術(shù)全面應(yīng)用于地球物理學(xué)專業(yè)的各個階段。VR 設(shè)備與以往的地球物理軟件需要轉(zhuǎn)換平臺，相關(guān)技術(shù)問題沒有解決。（2）缺少成規(guī)模的地球物理學(xué)科VR 技術(shù)整合優(yōu)化教學(xué)資源，如要大規(guī)模使用，教師需要具備一定的VR 課程資源制作能力，能夠構(gòu)建具有實時交互性，空間逼真的虛擬教學(xué)VR 系統(tǒng)平臺（參見張選中一文）；以及從課堂教學(xué)和實踐教學(xué)等角度，整合優(yōu)化虛擬教學(xué)的課程案例，從而能夠?qū)⒄n程內(nèi)容有效的融入虛擬教學(xué)系統(tǒng)的能力。（3）VR 技術(shù)仍處于技術(shù)研究發(fā)展中，硬件設(shè)備有待改進，長時間佩戴VR 設(shè)備，處于虛擬空間，會使人產(chǎn)生頭暈惡心的不適感（參見薛志婧等《VR虛擬技術(shù)在土壤地理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探索》一文）。

“整體來看，VR 技術(shù)是以人類認知特點組織和展示教學(xué)內(nèi)容并構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)，它可以體現(xiàn)知識信息的形式及內(nèi)容的多樣性和復(fù)雜性，為學(xué)生提供動態(tài)、開放、自由的結(jié)構(gòu)化認知形式，激發(fā)學(xué)生對新知識的渴望和追求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來VR 技術(shù)一定會突破技術(shù)障礙，融入地球物理學(xué)科教學(xué)的全部過程，發(fā)揮強大的技術(shù)潛力，讓學(xué)習(xí)和實踐更加直觀、更容易理解，讓該學(xué)科的教學(xué)理念和教學(xué)手段更加符合專業(yè)發(fā)展的要求。在未來，VR 技術(shù)將成為教學(xué)模式改革和提升人才培養(yǎng)的重要途徑?！眲⒅滤f。