虚拟仿真技术开拓地球的科学教育

　　摘要：虚拟仿真技术作为辅助教学手段业已得到广泛应用。不同于虚拟仿真技术在教学实验中应用的早期阶段，得益于当前空前强大的计算机性能和硬件设备，高沉浸感、高仿真度的虚拟仿真教学实验得以展开。地球科学教学中的许多课程的教学内容是“不可及、不可逆”的，虚拟仿真所包含的各种技术手段可以轻松构建出逼真的教学环境，为教师提供全新的教学手段，也创造出全新的教学模式。

　　关键词：虚拟仿真；地球科学；教学模式改革

　　0引言

　　信息技术的迅猛发展对地球科学教育的教学方法和教学模式产生了巨大的影响。虚拟仿真技术以其强大的现场沉浸体验和人机互动能力，成为一种非常适合应用在教育教学中的技术手段。虚拟仿真实验教学适应信息时代高等教育开放办学、资源共享的变革要求，为学生开展探究性学习、自主实验和创新实践提供了先进手段、开放平台和优质资源[1]。近年来在国家持续投入和高校不断建设的背景下，涌现了一批成熟的虚拟仿真实验案例。以国家级虚拟仿真教学实验中心为例，地球科学相关领域已获得批准的国家级虚拟仿真教学实验中心有：北京大学的“地球科学虚拟仿真实验教学中心”（2013），吉林大学的“地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心”（2013），南京师范大学的“虚拟地理环境实验教学中心”（2013），中国海洋大学的“海洋地球科学虚拟仿真实验教学中心”（2014），成都理工大学的“地质与岩土工程虚拟仿真实验教学中心”（2014）。这些虚拟仿真实验教学中心依托本校特色的教学资源，深耕于地球科学领域某个或某几个方面。

　　1虚拟仿真技术在地球科学教育中应用必要性

　　地学实验教学内容的特性以及地质、资源、环境、灾害等涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作、大范围、大数量、抽象化以及高成本、高消耗的大型综合性实验项目，需要通过虚拟仿真实验来完成教学过程，提升学生的能力。具体来讲，其必要性主要体现在以下五个方面：（1）不同于其他学科，在地球科学领域中，相关现象一般具有较大范围的空间分布。学生在进行野外实验、实习时，需要运用空间想象等认知能力来掌握全局概况，这对于初学者来说难度颇大。以地质认识实习为例，虽然学生可以观察局部某一个点上出露地表地层的岩性，分析其年代特征，却难以将各观察点的情况串联起来，形成对这一地区的综合认识。但如果在此之前，学生通过“三维地层仿真环境”对实习区域进行了全方位的观察，便可以获得更为全面、深刻的认识。（2）地球科学除了研究地表的各种地物，还深入地壳，进入海洋。另外，现在更有很多辅助地学研究的工具设备进入了高空、深空，如对地观测卫星。在当前的技术条件下，这些位置都是“不可及”的。因此，对于这部分知识，传统教学方法以课堂的原理讲授为主，以示意图表作为辅助说明，很难建立直观认识。而虚拟仿真实验教学的沉浸式环境可以让学生仿佛身临其境，并且通过交互式的操作遨游其间，这种实验教学的效果是枯燥的理论介绍所不能比拟的。（3）地球科学研究的现象，从发生、发展，到形成最终的结果一般需要漫长的时间，而且其过程一般是“不可逆”的，因此很难通过真实实验来复现这个过程。虚拟仿真实验可以完美的解决这个问题。对于一个经过漫长时间发育的地学现象，可以为它在若干关键的时间节点上，基于现有的发现、知识构建模型，从而为学生直观的呈现出这一现象发展的全过程。学生甚至还可以通过调节模型的参数来改变这个过程的发展路径、方向，得到完全不同的结果，从而更加深刻的掌握和理解相关地学原理。（4）信息技术的发展极大的改进了地球科学的研究方法和手段。高校培养的地学领域人才也需要顺应这一趋势和潮流，学生不仅仅能使用计算机查阅文献、撰写报告，还能够具备信息科学的思维能力，主动应用信息技术来发现问题、解决问题。充分结合信息技术的虚拟仿真实验，是培养学生信息化能力的最佳途径。（5）随着科学技术的进步，在地球科学研究中，出现很多先进的工具、设备，如手持光谱仪、无人机、地学物联网传感器。掌握这些设备的操作方法已成为今后从事地学领域相关事业学生的必备知识。但是这些设备或者价格高企，或者难以部署，高校限于财力无法大规模购置这些设备，学生在使用过程中的误操作也可能带来较大的经济损失。开设虚拟仿真实验可以解决这个问题：对于那些难以部署的设备，如地学物联网传感器，学生可以在虚拟环境中部署，并观察传感器的工作过程；对于那些昂贵的设备，如无人机等，学生可以在虚拟环境中进行操作练习，达到熟练操作的程度以后再开展无人机测量等真实实验。

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