地理科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)探討

顧曉敏，蔣慶豐，錢鵬，董進(jìn)國(guó)，韓宇捷

摘? 要：針對(duì)地理科學(xué)的核心課程水文學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，真實(shí)場(chǎng)景不可及、時(shí)空尺度巨大、決策失誤不可逆等問(wèn)題，南通大學(xué)地理科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以科研數(shù)據(jù)為支撐，構(gòu)建高度仿真的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。主要包括水文地質(zhì)調(diào)查、虛擬抽水及鉆探實(shí)驗(yàn)、地下水開采設(shè)計(jì)及災(zāi)害優(yōu)化防控4個(gè)主要模塊，實(shí)現(xiàn)科研成果反哺教學(xué)，將思政融入教學(xué)全過(guò)程、各環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索及創(chuàng)新思維能力的同時(shí)樹立水資源保護(hù)意識(shí)，在培養(yǎng)具有地理核心素養(yǎng)的高層次專業(yè)人才過(guò)程中發(fā)揮積極作用。

關(guān)鍵詞：地理科學(xué)；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；課程思政；教學(xué)資源

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2023）18-0110-04

Abstract： In view of the problems existing in the hydrological experimental teaching， such as unreachable real scenes， huge spatial and temporal scales， and irreversible decision-making mistakes， a highly simulated virtual experimental environment teaching resources based on scientific research data was developed by Geographical Science Virtual Simulation Experiment Teaching Center of Nantong University. Four main modules were included in the experiment： hydrogeological survey， virtual pumping and drilling experiments， groundwater exploitation design and optimization based on disaster prevention. The scientific research results were combined with virtual simulation experiment to feedback teaching， and ideological and political education were also integrated into the whole teaching process， which greatly cultivates students' scientific exploration and practical innovation ability and establish the awareness of water resources conservation as well. The experiment has played an active role in cultivating high-level professionals with geographic core literacy.

Keywords： geographic sciences; virtual simulation; experimental teaching; ideological and political education; teaching resources

虛擬仿真（Virtual Reality），或稱虛擬現(xiàn)實(shí)，是采用電腦系統(tǒng)模仿真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，讓用戶通過(guò)視覺、聽覺、觸覺等多傳感通道與虛擬世界進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。虛擬仿真技術(shù)可將物理環(huán)境、數(shù)字環(huán)境與虛擬世界有機(jī)結(jié)合，將虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)資源融入高校課程教學(xué)中，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源[1-2]。地理學(xué)作為一門綜合性學(xué)科，強(qiáng)調(diào)課堂理論教學(xué)與野外實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，通過(guò)野外實(shí)地勘察，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有直觀感受。然而，一些復(fù)雜的地理實(shí)踐常受到響應(yīng)周期長(zhǎng)、高成本、高風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)空受限等多重因素的制約[3-4]，因此需要利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建三維仿真場(chǎng)景，解決地理實(shí)踐課程不可及和不可逆的問(wèn)題，形象揭示復(fù)雜的科研理論和抽象的過(guò)程機(jī)理。將傳統(tǒng)線下實(shí)踐教學(xué)拓展為泛在化的線上虛擬實(shí)驗(yàn)室，延伸實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和時(shí)空的深度與廣度[5-6]。

在高教改革及科技革命的新時(shí)代背景下，地理高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系主要存在著以下三個(gè)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)課程體系與地理專業(yè)人才實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)匹配度不夠，地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源對(duì)實(shí)驗(yàn)課程支撐度不夠，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與學(xué)生多元化發(fā)展需求契合度不夠。因此，聚焦以上地理實(shí)踐教學(xué)建設(shè)中的核心和難點(diǎn)問(wèn)題，需要積極推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合[7]。作為國(guó)家五大“一流金課”之一，虛擬仿真課程的建設(shè)能真正解決地理本科實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的“瓶頸”，促進(jìn)教學(xué)改革良性發(fā)展[8]。同時(shí)，全面推進(jìn)虛擬仿真課程與課程思政相融合，切實(shí)將價(jià)值塑造、知識(shí)獲取和能力提升三者有機(jī)結(jié)合，為整體提升地理科學(xué)類專業(yè)人才培養(yǎng)提供豐富的資源。

一? 水文學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)困境——以地下水循環(huán)與開采為例

（一）? 真實(shí)場(chǎng)景不可及

地下水循環(huán)與開采設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)作為水文學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中需充分了解地下水環(huán)境及循環(huán)特征，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合[9]。地下水是賦存于地面以下的水資源，由于地下水賦存條件的復(fù)雜性和地下水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移過(guò)程的不可觀察性，傳統(tǒng)的地下水實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一直存在教學(xué)成本高，實(shí)驗(yàn)消耗高的問(wèn)題。學(xué)校無(wú)法將野外場(chǎng)景及地下環(huán)境搬到課堂上，也缺少經(jīng)費(fèi)支撐大規(guī)模的物探及鉆探教學(xué)。

（二）? 時(shí)空尺度巨大

水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)，包括抽水實(shí)驗(yàn)、鉆探實(shí)驗(yàn)，從選點(diǎn)、開孔、鉆探到主體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，通常需要耗時(shí)幾個(gè)月[10]。地下水開采及其對(duì)環(huán)境的影響更是一個(gè)長(zhǎng)期作用下的緩慢過(guò)程，即使是實(shí)驗(yàn)室小尺度模擬，也需要幾十天甚至數(shù)月的時(shí)間。巨大的時(shí)空尺度不僅使實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以在有限課時(shí)內(nèi)完成，而且高成本高消耗導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)全體學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)。

（三）? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可逆且決策失誤后果嚴(yán)重

由于地下水開采的特殊性，決策結(jié)果不可逆，決策失誤后果嚴(yán)重，學(xué)生即使有實(shí)踐機(jī)會(huì)，也難于參與核心管理的決策，更無(wú)法在決策過(guò)程中通過(guò)不斷試錯(cuò)來(lái)檢驗(yàn)獲得的知識(shí)。因此，引入虛擬仿真技術(shù)，仿真地下水循環(huán)及開采過(guò)程來(lái)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)地下水循環(huán)及水資源管理的融合能力是非常必要的[11]。

二? 基于水文循環(huán)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)案例

（一）? 建設(shè)思路

實(shí)驗(yàn)依托省部共建地表過(guò)程實(shí)驗(yàn)室及地理工程技術(shù)研究所，融合水文學(xué)領(lǐng)域發(fā)展需求和南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院科研與教學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究成果，自主研發(fā)了基于水文循環(huán)的地下水開采優(yōu)化設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)采用沉浸式的互動(dòng)體驗(yàn)改善傳統(tǒng)理論或教具的不足，達(dá)到“以虛補(bǔ)實(shí)，能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)效果，進(jìn)一步豐富和完善水文學(xué)教學(xué)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)“以學(xué)生為中心”，自主研究并實(shí)施了沉浸式、問(wèn)題式、自主式、交互式、支架式和反思式“六式融合”的教學(xué)方法，體現(xiàn)了教學(xué)形式的先進(jìn)性和互動(dòng)性。

（二）? 教學(xué)目標(biāo)

本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜缦拢孩倭私馑牡刭|(zhì)野外調(diào)查的基本思路；②熟悉虛擬抽水實(shí)驗(yàn)及虛擬鉆探實(shí)驗(yàn)的基本原理及實(shí)驗(yàn)方法；③掌握由于地下水過(guò)量開采引起的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害成因及防治手段；④培養(yǎng)地下水開采方案設(shè)計(jì)及管理評(píng)價(jià)的能力；⑤培養(yǎng)野外勘察能力、思維判斷與分析能力、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力；⑥建立水資源保護(hù)的社會(huì)責(zé)任感。

（三）? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)共2學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程是以問(wèn)題引導(dǎo)和驅(qū)動(dòng)下的探究式教學(xué)模式為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。課程教學(xué)的首次緒論課后，將所有專題問(wèn)題和案例一并發(fā)給學(xué)生，同時(shí)學(xué)生自行分組。實(shí)驗(yàn)課前，學(xué)生通過(guò)教材、慕課、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等資源自主學(xué)習(xí)相關(guān)理論，針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和準(zhǔn)備。課上，教師通過(guò)應(yīng)用引發(fā)的理論與技術(shù)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生先進(jìn)行研討交流，然后以實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為依托，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的認(rèn)識(shí)進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)操作，根據(jù)所學(xué)理論進(jìn)行改進(jìn)嘗試和探究，找出解決問(wèn)題的辦法，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上驗(yàn)證改進(jìn)的效果，提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告（圖1）。

（四）? 建設(shè)內(nèi)容

1? 實(shí)驗(yàn)流程

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目屬于水文學(xué)課程，通過(guò)三維仿真技術(shù)，虛擬地質(zhì)場(chǎng)景及實(shí)驗(yàn)情境，學(xué)生可進(jìn)入虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行交互性操作。本項(xiàng)目綜合了水文地質(zhì)調(diào)查、虛擬抽水實(shí)驗(yàn)、虛擬鉆探實(shí)驗(yàn)和開采模擬實(shí)驗(yàn)等多種實(shí)驗(yàn)方法。分為理論認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)及自主探究三部分。

2? 地質(zhì)調(diào)查及認(rèn)知仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

此模塊主要內(nèi)容為區(qū)域地質(zhì)地貌、水文地質(zhì)概況認(rèn)知，包括四個(gè)典型區(qū)域?yàn)榧芯用駞^(qū)、郊區(qū)、濱海區(qū)及沿河區(qū)。學(xué)生通過(guò)三維地質(zhì)調(diào)查過(guò)程中達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的效果，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)水文地質(zhì)條件的理解，培養(yǎng)學(xué)生野外勘察能力。如圖2所示，進(jìn)入漫游場(chǎng)景界面，了解典型區(qū)的地形地貌、水文地質(zhì)及人工開采現(xiàn)狀。通過(guò)地下水-地表水交互關(guān)系演示讓學(xué)生對(duì)區(qū)域地下水循環(huán)過(guò)程有整體性的了解和把握，是后續(xù)進(jìn)行地下水開采優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

3? 水文地質(zhì)參數(shù)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

此模塊主要在地質(zhì)調(diào)查模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬抽水實(shí)驗(yàn)及虛擬鉆探實(shí)驗(yàn)，為后期進(jìn)行開采優(yōu)化實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。包含4個(gè)知識(shí)點(diǎn)，即抽水實(shí)驗(yàn)認(rèn)知、參數(shù)獲取、鉆探實(shí)驗(yàn)認(rèn)知及巖性柱狀圖獲?。▓D3）。觀察典型區(qū)平面圖及二維剖面圖，選擇合適的位置進(jìn)行虛擬抽水實(shí)驗(yàn)及虛擬鉆探實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在過(guò)程中掌握水文地質(zhì)參數(shù)實(shí)驗(yàn)的基本原理，獲取抽水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)涌水量-降深變化曲線了解涌水量隨時(shí)間變化特征。觀察區(qū)域地層巖性柱狀圖，了解區(qū)域地層巖性特征，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)及思維分析能力[12]。

4? 地下水開采設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

這一部分通過(guò)探究式地選擇地下水管理目標(biāo)，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件及參數(shù)特征，運(yùn)用地下水管理模型知識(shí)進(jìn)行多目標(biāo)的地下水開采方案設(shè)計(jì)（圖4）。學(xué)生可預(yù)設(shè)地下水管理目標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)選擇合適的抽水井進(jìn)行開采，運(yùn)用地下水管理模型理念，遵循開采量最大化，成本最小化原則。基于水文地質(zhì)勘察及參數(shù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行參數(shù)賦值。通過(guò)控制變量法，學(xué)生可探究不同參數(shù)對(duì)地下水流場(chǎng)的影響。展現(xiàn)不同開采條件下，地下水位及流場(chǎng)的不同狀態(tài)。開采量設(shè)定值需落在最佳開采量區(qū)間，以保證合理的開采方案設(shè)計(jì)，這一步驟的實(shí)驗(yàn)可以提升學(xué)生思維分析及探究的能力。

5? 災(zāi)害防控及開采優(yōu)化仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

通過(guò)3D仿真再現(xiàn)由于地下水超采導(dǎo)致的次生環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，包括海水入侵、地面沉降、地下水襲奪河水等[13-14]（圖5）。通過(guò)不斷試錯(cuò)，探究式地探索地下水超采可能導(dǎo)致的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)不同典型區(qū)的水文地質(zhì)條件及地貌特征，選取合適的災(zāi)害防治措施進(jìn)行地下水方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定保障正常用水條件下不產(chǎn)生環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的最優(yōu)開采方案，培養(yǎng)學(xué)生水資源保護(hù)及防災(zāi)減災(zāi)的責(zé)任意識(shí)。

三? 應(yīng)用效果

按照“院校協(xié)同，科教一體，統(tǒng)籌建設(shè)，共建共享”原則，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外共享，地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)等專業(yè)的師生注冊(cè)后均可免費(fèi)訪問(wèn)虛擬仿真教學(xué)資源，為用戶提供了高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，解決了真實(shí)地下水實(shí)驗(yàn)響應(yīng)周期長(zhǎng)、高成本、高風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)空尺度大等問(wèn)題。將重要科研成果引入本科教學(xué)，讓學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)中不斷發(fā)掘?qū)W習(xí)潛能，發(fā)展個(gè)性，提升解決實(shí)際工程問(wèn)題的綜合能力。課程已加入國(guó)家及江蘇省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)并開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，特別是在新冠病毒感染疫情期間積極推進(jìn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)。自2021年上線以來(lái)，ilab-X實(shí)驗(yàn)空間應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，瀏覽、使用南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程已超過(guò)3萬(wàn)人次。對(duì)實(shí)驗(yàn)的校外評(píng)價(jià)及對(duì)學(xué)生的調(diào)查與反饋表明，該教學(xué)方式、方法能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提高學(xué)習(xí)效率，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、勤于思考，并培養(yǎng)其提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

四? 結(jié)束語(yǔ)

基于水文循環(huán)的地下水開采優(yōu)化設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依托南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院特色專業(yè)——地理科學(xué)，融合水文學(xué)領(lǐng)域發(fā)展需求和團(tuán)隊(duì)最新科研成果，立足于培養(yǎng)具有地理核心素養(yǎng)的高層次專業(yè)人才，自主研發(fā)了基于水文學(xué)課程的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)“高成本、高風(fēng)險(xiǎn)、不可及、不可逆”的短板，通過(guò)“六式融合”的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)效率、提升學(xué)習(xí)能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。未來(lái)將緊跟地理學(xué)科發(fā)展，不斷豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，為培養(yǎng)具有地理核心素養(yǎng)的專業(yè)人才發(fā)揮作用。

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