虛擬仿真技術開拓地球的科學教育(2)

　　2地球科學虛擬仿真教學建設內容

　　地球科學虛擬仿真教學實現(xiàn)了真實實驗不具備或難以完成的教學功能，在存在高危或極端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供了可靠、安全和經濟的實驗項目[2]。為保證實現(xiàn)如此復雜的系統(tǒng)，地球科學虛擬仿真教學需要建設以下幾個方面的內容：（1）構建地球科學虛擬仿真教學體系結合虛擬仿真實驗教學的要求和地球科學的學科特色，將地球科學虛擬仿真實驗教學劃分為全虛型（不可逆、高危險、高成本、大范圍、靜態(tài)轉動態(tài)）、虛實結合型（抽象、難理解、難記憶、破碎化、數量大等）、全實型（可以用物理模型替代、地質體原型等）和綜合性（多種對象、技術等的集成）不同層次進行方案設計。（2）優(yōu)選地球科學虛擬仿真技術根據地球科學的學科特點，地球科學虛擬仿真教學可以選擇的虛擬仿真技術包括：3D打印技術、沉浸式虛擬仿真技術、增強現(xiàn)實技術等。（3）開發(fā)地球科學虛擬仿真教學案例應用虛擬仿真技術，結合地球科學課程中的教學內容，設計若干案例，例如，火山噴發(fā)地質過程仿真實驗，可以動態(tài)觀察火山活動的地質過程[3]；建設巖礦石三維模型資源庫，建立珍稀的巖礦石標本三維模型，納入到虛擬仿真環(huán)境中[4]；在資源庫的基礎上，還可以構建地質標本仿真學習平臺，讓學生可以在簡單的計算機環(huán)境（如瀏覽器）中學習、辨別礦物巖石標本[5]。（4）實踐地球科學虛擬仿真實驗教學案例地球科學虛擬仿真教學案例不應該是一成不變的，而是應該建立一個完善的“評價-反饋”機制：讓每一個參與實驗的人員對實驗案例進行評價。跟蹤評價結果，定期或不定期地根據評價結果和意見來調整實驗案例。（5）提升專業(yè)人才培養(yǎng)質量無論是構建虛擬仿真教學體系，還是開發(fā)虛擬仿真教學案例，其最終的落腳點都是為提升專業(yè)人才培養(yǎng)質量提供更多的資源和途徑。這是開展虛擬仿真實驗教學的初衷和應該始終堅持的目標，也是促進虛擬仿真實驗教學發(fā)展的手段。地球科學虛擬仿真實驗教學體系應具有開放、可擴展的性質。學生不僅可以完成已有的實驗案例，也可以自己動手設計開發(fā)新的案例。在這個過程中虛擬仿真實驗培養(yǎng)了學生的動手能力，而學生積極參與到仿真實驗案例的設計開發(fā)中，同樣也會促進虛擬仿真實驗教學的發(fā)展。

　　3地球科學虛擬仿真教學實例——虛擬地質博物館

　　依托中國地質大學（北京）地學信息工程虛擬仿真實驗教學中心完備的虛擬仿真實驗教學環(huán)境，地球科學專業(yè)教師構建了很多虛擬仿真教學體系。其中，“虛擬地質博物館”便是一套綜合虛擬仿真教學體系。中國地質大學(北京)博物館主要是為地質類專業(yè)的教學服務，目前擁有與礦物學、巖石學、礦床學、古生物學、地史學等基礎地質課程教學配套的較為完整和系統(tǒng)的標本體系。“虛擬地質博物館”基于實體博物館構建，具備全虛型教學實驗——以在沉浸式環(huán)境中漫游虛擬地質博物館為主，學生可以與虛擬場景中的展覽物品交互；虛實結合型教學實驗——在實體場館中瀏覽虛擬博物館；全實型教學實驗——利用3D打印設備，打印礦物巖石標本。地學信息工程虛擬仿真實驗教學中心擁有由四通道高清投影設備構成的沉浸環(huán)境，“虛擬地質博物館”可以在此得到完美的呈現(xiàn)。此外，實驗室還具備單色、彩色3D打印機，為“虛擬地質博物館”虛擬仿真教學體系提供支撐。實體博物館中的地質標本主要來源為學校師生在科研、教學實習等野外工作中采集的，或者為校友、國際友人等饋贈學校的，標本來源有限。而在“虛擬地質博物館”中，通過建立地質標本計算機三維模型資源庫，可以拓展博物館中的標本來源。“虛擬地質博物館”允許學生通過激光掃描儀等設備自行構建地質標本的計算機三維模型，并納入到標本模型庫中。這些模型還可以通過3D打印設備，再打印出實體。這既是“虛擬地質博物館”虛擬仿真教學體系中的實驗內容，又可以擴展教學體系的實驗案例，從而實現(xiàn)全方位多層次的人才培養(yǎng)。

　　4結語

　　地球科學虛擬仿真教學體系不應該是一個固定的、一成不變的“死”平臺，而應該允許在其之上可以進一步擴展、開發(fā)。學生可以充分發(fā)揮其聰明才智，建立計算機模型模擬地學現(xiàn)象、過程，或者通過挖掘地學大數據來發(fā)現(xiàn)新的知識。在此基礎上，可以構建一些更大尺度、更全面流程的綜合性實驗。例如，在全球尺度的虛擬環(huán)境下上進行地理、地質現(xiàn)象的綜合認知實驗，集成海、陸、空多要素的綜合分析實驗，囊括地學信息采集、處理、存儲、分發(fā)、應用、分析全流程的綜合業(yè)務實驗。

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