虛擬仿真技術開拓地球的科學教育

　　摘要：虛擬仿真技術作為輔助教學手段業(yè)已得到廣泛應用。不同于虛擬仿真技術在教學實驗中應用的早期階段，得益于當前空前強大的計算機性能和硬件設備，高沉浸感、高仿真度的虛擬仿真教學實驗得以展開。地球科學教學中的許多課程的教學內(nèi)容是“不可及、不可逆”的，虛擬仿真所包含的各種技術手段可以輕松構建出逼真的教學環(huán)境，為教師提供全新的教學手段，也創(chuàng)造出全新的教學模式。

　　關鍵詞：虛擬仿真；地球科學；教學模式改革

　　0引言

　　信息技術的迅猛發(fā)展對地球科學教育的教學方法和教學模式產(chǎn)生了巨大的影響。虛擬仿真技術以其強大的現(xiàn)場沉浸體驗和人機互動能力，成為一種非常適合應用在教育教學中的技術手段。虛擬仿真實驗教學適應信息時代高等教育開放辦學、資源共享的變革要求，為學生開展探究性學習、自主實驗和創(chuàng)新實踐提供了先進手段、開放平臺和優(yōu)質(zhì)資源[1]。近年來在國家持續(xù)投入和高校不斷建設的背景下，涌現(xiàn)了一批成熟的虛擬仿真實驗案例。以國家級虛擬仿真教學實驗中心為例，地球科學相關領域已獲得批準的國家級虛擬仿真教學實驗中心有：北京大學的“地球科學虛擬仿真實驗教學中心”（2013），吉林大學的“地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心”（2013），南京師范大學的“虛擬地理環(huán)境實驗教學中心”（2013），中國海洋大學的“海洋地球科學虛擬仿真實驗教學中心”（2014），成都理工大學的“地質(zhì)與巖土工程虛擬仿真實驗教學中心”（2014）。這些虛擬仿真實驗教學中心依托本校特色的教學資源，深耕于地球科學領域某個或某幾個方面。

　　1虛擬仿真技術在地球科學教育中應用必要性

　　地學實驗教學內(nèi)容的特性以及地質(zhì)、資源、環(huán)境、災害等涉及高�；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驗項目，需要通過虛擬仿真實驗來完成教學過程，提升學生的能力。具體來講，其必要性主要體現(xiàn)在以下五個方面：（1）不同于其他學科，在地球科學領域中，相關現(xiàn)象一般具有較大范圍的空間分布。學生在進行野外實驗、實習時，需要運用空間想象等認知能力來掌握全局概況，這對于初學者來說難度頗大。以地質(zhì)認識實習為例，雖然學生可以觀察局部某一個點上出露地表地層的巖性，分析其年代特征，卻難以將各觀察點的情況串聯(lián)起來，形成對這一地區(qū)的綜合認識。但如果在此之前，學生通過“三維地層仿真環(huán)境”對實習區(qū)域進行了全方位的觀察，便可以獲得更為全面、深刻的認識。（2）地球科學除了研究地表的各種地物，還深入地殼，進入海洋。另外，現(xiàn)在更有很多輔助地學研究的工具設備進入了高空、深空，如對地觀測衛(wèi)星。在當前的技術條件下，這些位置都是“不可及”的。因此，對于這部分知識，傳統(tǒng)教學方法以課堂的原理講授為主，以示意圖表作為輔助說明，很難建立直觀認識。而虛擬仿真實驗教學的沉浸式環(huán)境可以讓學生仿佛身臨其境，并且通過交互式的操作遨游其間，這種實驗教學的效果是枯燥的理論介紹所不能比擬的。（3）地球科學研究的現(xiàn)象，從發(fā)生、發(fā)展，到形成最終的結果一般需要漫長的時間，而且其過程一般是“不可逆”的，因此很難通過真實實驗來復現(xiàn)這個過程。虛擬仿真實驗可以完美的解決這個問題。對于一個經(jīng)過漫長時間發(fā)育的地學現(xiàn)象，可以為它在若干關鍵的時間節(jié)點上，基于現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)、知識構建模型，從而為學生直觀的呈現(xiàn)出這一現(xiàn)象發(fā)展的全過程。學生甚至還可以通過調(diào)節(jié)模型的參數(shù)來改變這個過程的發(fā)展路徑、方向，得到完全不同的結果，從而更加深刻的掌握和理解相關地學原理。（4）信息技術的發(fā)展極大的改進了地球科學的研究方法和手段。高校培養(yǎng)的地學領域人才也需要順應這一趨勢和潮流，學生不僅僅能使用計算機查閱文獻、撰寫報告，還能夠具備信息科學的思維能力，主動應用信息技術來發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。充分結合信息技術的虛擬仿真實驗，是培養(yǎng)學生信息化能力的最佳途徑。（5）隨著科學技術的進步，在地球科學研究中，出現(xiàn)很多先進的工具、設備，如手持光譜儀、無人機、地學物聯(lián)網(wǎng)傳感器。掌握這些設備的操作方法已成為今后從事地學領域相關事業(yè)學生的必備知識。但是這些設備或者價格高企，或者難以部署，高校限于財力無法大規(guī)模購置這些設備，學生在使用過程中的誤操作也可能帶來較大的經(jīng)濟損失。開設虛擬仿真實驗可以解決這個問題：對于那些難以部署的設備，如地學物聯(lián)網(wǎng)傳感器，學生可以在虛擬環(huán)境中部署，并觀察傳感器的工作過程；對于那些昂貴的設備，如無人機等，學生可以在虛擬環(huán)境中進行操作練習，達到熟練操作的程度以后再開展無人機測量等真實實驗。

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