虛擬仿真技術(shù)開拓地球的科學(xué)教育(2)

　　2地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)建設(shè)內(nèi)容

　　地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)實(shí)現(xiàn)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，在存在高�；驑O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(xùn)練等情況時(shí)，提供了可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[2]。為保證實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的系統(tǒng)，地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)需要建設(shè)以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1）構(gòu)建地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)體系結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求和地球科學(xué)的學(xué)科特色，將地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)劃分為全虛型（不可逆、高危險(xiǎn)、高成本、大范圍、靜態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)）、虛實(shí)結(jié)合型（抽象、難理解、難記憶、破碎化、數(shù)量大等）、全實(shí)型（可以用物理模型替代、地質(zhì)體原型等）和綜合性（多種對(duì)象、技術(shù)等的集成）不同層次進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。（2）優(yōu)選地球科學(xué)虛擬仿真技術(shù)根據(jù)地球科學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)可以選擇的虛擬仿真技術(shù)包括：3D打印技術(shù)、沉浸式虛擬仿真技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。（3）開發(fā)地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)案例應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合地球科學(xué)課程中的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)若干案例，例如，火山噴發(fā)地質(zhì)過程仿真實(shí)驗(yàn)，可以動(dòng)態(tài)觀察火山活動(dòng)的地質(zhì)過程[3]；建設(shè)巖礦石三維模型資源庫(kù)，建立珍稀的巖礦石標(biāo)本三維模型，納入到虛擬仿真環(huán)境中[4]；在資源庫(kù)的基礎(chǔ)上，還可以構(gòu)建地質(zhì)標(biāo)本仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)，讓學(xué)生可以在簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)環(huán)境（如瀏覽器）中學(xué)習(xí)、辨別礦物巖石標(biāo)本[5]。（4）實(shí)踐地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)案例不應(yīng)該是一成不變的，而是應(yīng)該建立一個(gè)完善的“評(píng)價(jià)-反饋”機(jī)制：讓每一個(gè)參與實(shí)驗(yàn)的人員對(duì)實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行評(píng)價(jià)。跟蹤評(píng)價(jià)結(jié)果，定期或不定期地根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果和意見來調(diào)整實(shí)驗(yàn)案例。（5）提升專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量無論是構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)體系，還是開發(fā)虛擬仿真教學(xué)案例，其最終的落腳點(diǎn)都是為提升專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量提供更多的資源和途徑。這是開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初衷和應(yīng)該始終堅(jiān)持的目標(biāo)，也是促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的手段。地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系應(yīng)具有開放、可擴(kuò)展的性質(zhì)。學(xué)生不僅可以完成已有的實(shí)驗(yàn)案例，也可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)開發(fā)新的案例。在這個(gè)過程中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，而學(xué)生積極參與到仿真實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)開發(fā)中，同樣也會(huì)促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。

　　3地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)實(shí)例——虛擬地質(zhì)博物館

　　依托中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地學(xué)信息工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心完備的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，地球科學(xué)專業(yè)教師構(gòu)建了很多虛擬仿真教學(xué)體系。其中，“虛擬地質(zhì)博物館”便是一套綜合虛擬仿真教學(xué)體系。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)博物館主要是為地質(zhì)類專業(yè)的教學(xué)服務(wù)，目前擁有與礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)、古生物學(xué)、地史學(xué)等基礎(chǔ)地質(zhì)課程教學(xué)配套的較為完整和系統(tǒng)的標(biāo)本體系。“虛擬地質(zhì)博物館”基于實(shí)體博物館構(gòu)建，具備全虛型教學(xué)實(shí)驗(yàn)——以在沉浸式環(huán)境中漫游虛擬地質(zhì)博物館為主，學(xué)生可以與虛擬場(chǎng)景中的展覽物品交互；虛實(shí)結(jié)合型教學(xué)實(shí)驗(yàn)——在實(shí)體場(chǎng)館中瀏覽虛擬博物館；全實(shí)型教學(xué)實(shí)驗(yàn)——利用3D打印設(shè)備，打印礦物巖石標(biāo)本。地學(xué)信息工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心擁有由四通道高清投影設(shè)備構(gòu)成的沉浸環(huán)境，“虛擬地質(zhì)博物館”可以在此得到完美的呈現(xiàn)。此外，實(shí)驗(yàn)室還具備單色、彩色3D打印機(jī)，為“虛擬地質(zhì)博物館”虛擬仿真教學(xué)體系提供支撐。實(shí)體博物館中的地質(zhì)標(biāo)本主要來源為學(xué)校師生在科研、教學(xué)實(shí)習(xí)等野外工作中采集的，或者為校友、國(guó)際友人等饋贈(zèng)學(xué)校的，標(biāo)本來源有限。而在“虛擬地質(zhì)博物館”中，通過建立地質(zhì)標(biāo)本計(jì)算機(jī)三維模型資源庫(kù)，可以拓展博物館中的標(biāo)本來源。“虛擬地質(zhì)博物館”允許學(xué)生通過激光掃描儀等設(shè)備自行構(gòu)建地質(zhì)標(biāo)本的計(jì)算機(jī)三維模型，并納入到標(biāo)本模型庫(kù)中。這些模型還可以通過3D打印設(shè)備，再打印出實(shí)體。這既是“虛擬地質(zhì)博物館”虛擬仿真教學(xué)體系中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又可以擴(kuò)展教學(xué)體系的實(shí)驗(yàn)案例，從而實(shí)現(xiàn)全方位多層次的人才培養(yǎng)。

　　4結(jié)語

　　地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)體系不應(yīng)該是一個(gè)固定的、一成不變的“死”平臺(tái)，而應(yīng)該允許在其之上可以進(jìn)一步擴(kuò)展、開發(fā)。學(xué)生可以充分發(fā)揮其聰明才智，建立計(jì)算機(jī)模型模擬地學(xué)現(xiàn)象、過程，或者通過挖掘地學(xué)大數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)新的知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建一些更大尺度、更全面流程的綜合性實(shí)驗(yàn)。例如，在全球尺度的虛擬環(huán)境下上進(jìn)行地理、地質(zhì)現(xiàn)象的綜合認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，集成海、陸、空多要素的綜合分析實(shí)驗(yàn)，囊括地學(xué)信息采集、處理、存儲(chǔ)、分發(fā)、應(yīng)用、分析全流程的綜合業(yè)務(wù)實(shí)驗(yàn)。

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