虚拟仿真技术开拓地球的科学教育(2)

　　2地球科学虚拟仿真教学建设内容

　　地球科学虚拟仿真教学实现了真实实验不具备或难以完成的教学功能，在存在高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供了可靠、安全和经济的实验项目[2]。为保证实现如此复杂的系统，地球科学虚拟仿真教学需要建设以下几个方面的内容：（1）构建地球科学虚拟仿真教学体系结合虚拟仿真实验教学的要求和地球科学的学科特色，将地球科学虚拟仿真实验教学划分为全虚型（不可逆、高危险、高成本、大范围、静态转动态）、虚实结合型（抽象、难理解、难记忆、破碎化、数量大等）、全实型（可以用物理模型替代、地质体原型等）和综合性（多种对象、技术等的集成）不同层次进行方案设计。（2）优选地球科学虚拟仿真技术根据地球科学的学科特点，地球科学虚拟仿真教学可以选择的虚拟仿真技术包括：3D打印技术、沉浸式虚拟仿真技术、增强现实技术等。（3）开发地球科学虚拟仿真教学案例应用虚拟仿真技术，结合地球科学课程中的教学内容，设计若干案例，例如，火山喷发地质过程仿真实验，可以动态观察火山活动的地质过程[3]；建设岩矿石三维模型资源库，建立珍稀的岩矿石标本三维模型，纳入到虚拟仿真环境中[4]；在资源库的基础上，还可以构建地质标本仿真学习平台，让学生可以在简单的计算机环境（如浏览器）中学习、辨别矿物岩石标本[5]。（4）实践地球科学虚拟仿真实验教学案例地球科学虚拟仿真教学案例不应该是一成不变的，而是应该建立一个完善的“评价-反馈”机制：让每一个参与实验的人员对实验案例进行评价。跟踪评价结果，定期或不定期地根据评价结果和意见来调整实验案例。（5）提升专业人才培养质量无论是构建虚拟仿真教学体系，还是开发虚拟仿真教学案例，其最终的落脚点都是为提升专业人才培养质量提供更多的资源和途径。这是开展虚拟仿真实验教学的初衷和应该始终坚持的目标，也是促进虚拟仿真实验教学发展的手段。地球科学虚拟仿真实验教学体系应具有开放、可扩展的性质。学生不仅可以完成已有的实验案例，也可以自己动手设计开发新的案例。在这个过程中虚拟仿真实验培养了学生的动手能力，而学生积极参与到仿真实验案例的设计开发中，同样也会促进虚拟仿真实验教学的发展。

　　3地球科学虚拟仿真教学实例——虚拟地质博物馆

　　依托中国地质大学（北京）地学信息工程虚拟仿真实验教学中心完备的虚拟仿真实验教学环境，地球科学专业教师构建了很多虚拟仿真教学体系。其中，“虚拟地质博物馆”便是一套综合虚拟仿真教学体系。中国地质大学(北京)博物馆主要是为地质类专业的教学服务，目前拥有与矿物学、岩石学、矿床学、古生物学、地史学等基础地质课程教学配套的较为完整和系统的标本体系。“虚拟地质博物馆”基于实体博物馆构建，具备全虚型教学实验——以在沉浸式环境中漫游虚拟地质博物馆为主，学生可以与虚拟场景中的展览物品交互；虚实结合型教学实验——在实体场馆中浏览虚拟博物馆；全实型教学实验——利用3D打印设备，打印矿物岩石标本。地学信息工程虚拟仿真实验教学中心拥有由四通道高清投影设备构成的沉浸环境，“虚拟地质博物馆”可以在此得到完美的呈现。此外，实验室还具备单色、彩色3D打印机，为“虚拟地质博物馆”虚拟仿真教学体系提供支撑。实体博物馆中的地质标本主要来源为学校师生在科研、教学实习等野外工作中采集的，或者为校友、国际友人等馈赠学校的，标本来源有限。而在“虚拟地质博物馆”中，通过建立地质标本计算机三维模型资源库，可以拓展博物馆中的标本来源。“虚拟地质博物馆”允许学生通过激光扫描仪等设备自行构建地质标本的计算机三维模型，并纳入到标本模型库中。这些模型还可以通过3D打印设备，再打印出实体。这既是“虚拟地质博物馆”虚拟仿真教学体系中的实验内容，又可以扩展教学体系的实验案例，从而实现全方位多层次的人才培养。

　　4结语

　　地球科学虚拟仿真教学体系不应该是一个固定的、一成不变的“死”平台，而应该允许在其之上可以进一步扩展、开发。学生可以充分发挥其聪明才智，建立计算机模型模拟地学现象、过程，或者通过挖掘地学大数据来发现新的知识。在此基础上，可以构建一些更大尺度、更全面流程的综合性实验。例如，在全球尺度的虚拟环境下上进行地理、地质现象的综合认知实验，集成海、陆、空多要素的综合分析实验，囊括地学信息采集、处理、存储、分发、应用、分析全流程的综合业务实验。

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