海洋地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

林 霖,劉 明,韓宗珠,徐秀剛

(中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100)

0 引 言

實(shí)踐教學(xué)是鞏固理論知識(shí)和加深對(duì)理論認(rèn)識(shí)的有效途徑，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才的重要環(huán)節(jié)，也是滿足當(dāng)前社會(huì)對(duì)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)需求的重要手段[1]。對(duì)于海洋地球科學(xué)相關(guān)專業(yè)來說，實(shí)踐教學(xué)更是本科教學(xué)體系的重要組成部分。但是由于教學(xué)體系不完善、教學(xué)設(shè)施不健全，尤其對(duì)于一些成本高、周期長，不可逆等實(shí)踐教學(xué)難以開展，只能“紙上談兵”，難以達(dá)到理想的教學(xué)效果[2-4]。

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和深入，教育信息化受到了國家的高度重視，教育部提出開展建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)具有重大意義[5]。2013年起教育部在全國啟動(dòng)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，極大地推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心內(nèi)涵建設(shè)的提升和可持續(xù)發(fā)展[6]。虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念是1989年由美國弗吉尼亞大學(xué)William Wolf提出的， 是除理論與實(shí)驗(yàn)之外的第3種設(shè)計(jì)手段和形式[7]。實(shí)驗(yàn)者可以模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能夠獲得直觀真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果，展現(xiàn)不可視的結(jié)構(gòu)或原理，從而快速響應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求。虛擬實(shí)驗(yàn)具有成本低、效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、操作安全、高度開放和資源共享等特點(diǎn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生自我訓(xùn)練及創(chuàng)新意識(shí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛實(shí)互補(bǔ)，因而成為目前實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一個(gè)重要發(fā)展方向[8-10]。

根據(jù)海洋地球科學(xué)實(shí)踐教學(xué)的需要，我校海洋地球科學(xué)學(xué)院利用虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等信息化手段，構(gòu)建了海洋地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，建設(shè)了海洋地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)，并于2015年教育部批準(zhǔn)為海洋地球科學(xué)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。這一體系的應(yīng)用，很好地彌補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不足，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，擴(kuò)大了大型儀器設(shè)備對(duì)本科教學(xué)的開放[11-12]，同時(shí)也使學(xué)生足不出戶就能完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和操作，使得昂貴的、不可逆實(shí)驗(yàn)以及微觀實(shí)驗(yàn)等的實(shí)踐教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)和真正野外實(shí)踐教學(xué)的良好銜接和過渡。虛擬仿真教學(xué)打破時(shí)間與空間的限制，使得難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得簡單、直觀而且切實(shí)可行[13-14]，且實(shí)驗(yàn)綠色、安全，可以任意進(jìn)行探索性操作[15]，取得了良好的教學(xué)效果。

1 海洋地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)思路

我校海洋地球科學(xué)學(xué)院目前擁有包括地質(zhì)學(xué)(海洋地質(zhì)方向)、勘查技術(shù)與工程(海洋地球物理方向)、地球信息科學(xué)與技術(shù)(地球信息科學(xué)與技術(shù)和海洋測(cè)繪與地理信息系統(tǒng)兩個(gè)方向)等3個(gè)本科專業(yè)，3個(gè)專業(yè)的人才培養(yǎng)均有顯著的海洋特色。目前在實(shí)踐教學(xué)中存在著如下問題：①實(shí)驗(yàn)空間條件有限，海上實(shí)踐教學(xué)存在風(fēng)險(xiǎn)；②教學(xué)成本高，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)難以開展、不可逆、周期長等；③微觀、抽象的實(shí)驗(yàn)難以讓學(xué)生達(dá)到全面的認(rèn)識(shí)等。上述問題導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)難以全面開展，基于現(xiàn)有的條件難以達(dá)到理想的教學(xué)效果。

針對(duì)以上問題，學(xué)院按照“立足專業(yè)教學(xué)、注重學(xué)科交叉、突出海洋特色、著眼學(xué)科發(fā)展”的建設(shè)思路，以全面提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為目標(biāo)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等信息化技術(shù)，以拓展實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域、豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、開展綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目的，遵循虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則，結(jié)合學(xué)院教學(xué)與科研成果，構(gòu)建海洋地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，建設(shè)海洋地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)。

2 海洋地球科學(xué)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)資源簡介

通過自主研發(fā)、聯(lián)合攻關(guān)、持續(xù)投入等方式，利用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體交互、Web、3D可視化等信息化技術(shù)，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化、高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。現(xiàn)有虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，包括高成本、高消耗的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如各種海底探測(cè)設(shè)備的虛擬操作實(shí)驗(yàn)；真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)難以開展、不可逆、周期長的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如海底熱液、冷泉的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)；以及虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如虛擬野外實(shí)習(xí)、結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)等。這些虛擬實(shí)驗(yàn)的開展很好地彌補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不足。目前該體系包含了海底探測(cè)技術(shù)、地球科學(xué)野外實(shí)習(xí)、特色課程實(shí)驗(yàn)等3個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，共15個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊(見圖1)。

圖1 海洋地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系圖

(1) 海底探測(cè)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含單波束水深測(cè)量、多波束水深測(cè)量、側(cè)掃聲吶海底地貌探測(cè)、淺地層探測(cè)、海洋地震勘探等數(shù)10年快速發(fā)展起來的探測(cè)海底信息的技術(shù)。主要針對(duì)海洋特色海底探測(cè)技術(shù)課程，使學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)和掌握了海底聲波探測(cè)技術(shù)的原理、方法與流程之后，通過本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)了解和掌握海底聲波探測(cè)技術(shù)的設(shè)備選型、作業(yè)流程、關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制方法。

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用三維動(dòng)畫、Flash等虛擬仿真技術(shù)完整地模擬講解了海底聲波探測(cè)技術(shù)的原理、設(shè)備組成與安裝、海上測(cè)量的作業(yè)流程、關(guān)鍵環(huán)節(jié)和影響因素等(見圖2)，并通過互動(dòng)環(huán)節(jié)讓學(xué)生能夠仿真模擬海底探測(cè)的實(shí)驗(yàn)過程，達(dá)到虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

(2) 特色課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)為例。結(jié)晶學(xué)及礦物學(xué)課程是地質(zhì)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生掌握晶體宏觀形態(tài)對(duì)稱和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱的基本概念、基本知識(shí)和基本理論；掌握礦物的化學(xué)成分、晶體形態(tài)、物理性質(zhì)及地質(zhì)成因條件的基本知識(shí)，以及鑒定和研究礦物的基本技能和方法；掌握常見礦物的鑒定特征；了解一些礦物的主要用途。

該課程是地質(zhì)學(xué)等相關(guān)專業(yè)比較難的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。主要表現(xiàn)在①空間性、抽象性強(qiáng)。特別是結(jié)晶學(xué)部分，晶體的形態(tài)、對(duì)稱、宏觀與微觀的對(duì)應(yīng)等內(nèi)容都要求較強(qiáng)的空間想象力、邏輯推導(dǎo)能力。②實(shí)踐性強(qiáng)。晶體對(duì)稱的空間概念需要通過實(shí)踐中形象可視的晶體模型來建立；礦物的各種物理現(xiàn)象需要通過實(shí)踐中對(duì)具體礦物標(biāo)本的觀察來認(rèn)識(shí)。因此，將該課程中需要?jiǎng)赢嬔菔镜牟糠謨?nèi)容運(yùn)用到虛擬仿真課件中(見圖3)，借助于課件，通過形象直觀的模型來認(rèn)識(shí)抽象的、理性的空間概念，收到了很好的效果。該課件既可供教師上課使用，也可供學(xué)生課后自學(xué)。

圖2 海底探測(cè)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)部分功能展示圖

圖3 結(jié)晶學(xué)及礦物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)典型界面

(3) 野外實(shí)習(xí)基地虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。為培養(yǎng)具有高專業(yè)素質(zhì)的海洋地球科學(xué)人才，近年來，中心已經(jīng)建立了比較完善的山東棲霞桃村實(shí)習(xí)基地、安徽巢湖實(shí)習(xí)基地、遼寧興城地質(zhì)實(shí)習(xí)基地和山東半島沿岸海洋地質(zhì)實(shí)習(xí)基地，基本滿足了我校海洋地球科學(xué)相關(guān)本科專業(yè)的野外實(shí)踐教學(xué)要求。

與此同時(shí)，在地質(zhì)野外實(shí)習(xí)基地的建設(shè)中也遇到了一些新問題，主要表現(xiàn)在實(shí)習(xí)學(xué)生人數(shù)逐年增多，帶隊(duì)教師人數(shù)相對(duì)不足，專業(yè)學(xué)時(shí)數(shù)減少，實(shí)習(xí)地質(zhì)露頭人為破壞，教學(xué)效果難以有效保證等。另一方面，在信息化與全球化趨勢(shì)下，學(xué)生希望了解的信息越來越多，傳統(tǒng)的地質(zhì)野外教學(xué)模式在滿足學(xué)生全面了解實(shí)習(xí)區(qū)內(nèi)容和滿足地質(zhì)學(xué)專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)前對(duì)實(shí)習(xí)的好奇心上顯得力不從心。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)習(xí)虛擬基地-教學(xué)網(wǎng)站成為解決這一問題的有效方法。

“虛擬野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地”可為學(xué)生和教師提供一個(gè)仿真環(huán)境，在該環(huán)境中學(xué)生可以開展進(jìn)行“如何做”的實(shí)踐活動(dòng)，營造針對(duì)上述特點(diǎn)的互動(dòng)的三維虛擬野外地質(zhì)教學(xué)環(huán)境。通過網(wǎng)絡(luò)開放，相關(guān)院校師生可以共同使用，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享。虛擬實(shí)踐教學(xué)不受時(shí)間、地點(diǎn)等條件的限制，突破了以往野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)只能在野外進(jìn)行的傳統(tǒng)觀念，拓展了野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)模式和方法。這對(duì)改變傳統(tǒng)野外地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)模式，加快地質(zhì)學(xué)教育的信息化步伐、提高教學(xué)效果和效率具有重要意義。以山東煙臺(tái)桃村、安徽巢湖實(shí)習(xí)基地作為試點(diǎn)，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，初步建立教學(xué)實(shí)習(xí)虛擬基地，在不斷完善的基礎(chǔ)上，逐步推廣到其他實(shí)習(xí)基地。

山東棲霞桃村地質(zhì)認(rèn)識(shí)野外教學(xué)實(shí)習(xí)基地(見圖4)是我院重要實(shí)習(xí)基地之一，經(jīng)過我校幾代人的多年建設(shè), 已取得了顯著成效。本次實(shí)習(xí)應(yīng)對(duì)普通地質(zhì)學(xué)室內(nèi)教學(xué)中的基本理論、基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，在理論聯(lián)系實(shí)際的野外實(shí)踐中加以鞏固提高，并通過現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)活動(dòng)完成在室內(nèi)不宜進(jìn)行的教學(xué)內(nèi)容。本次實(shí)習(xí)的要求是：必須使學(xué)生了解促成礦物巖石，地層構(gòu)造、礦產(chǎn)形成、發(fā)展演化的地質(zhì)作用及其相互關(guān)系，進(jìn)一步理解其中某些基本理論和基本概念，掌握有關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，并初步學(xué)會(huì)觀察記錄描述一些常見地質(zhì)現(xiàn)象的方法。

圖4 山東桃村地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)可視化典型界面

3 成果特色及創(chuàng)新

(1) 立足海洋學(xué)科優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。以海底探測(cè)和海洋地質(zhì)調(diào)查為主要教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)開發(fā)高成本、高消耗的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如各種海底探測(cè)設(shè)備的虛擬操作實(shí)驗(yàn)；真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)難以開展、不可逆、周期長的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如海底觀測(cè)平臺(tái)的投放與回收實(shí)驗(yàn)，海底熱液、冷泉的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)適當(dāng)增加虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)野外地質(zhì)實(shí)習(xí)、結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)等。這些虛擬實(shí)驗(yàn)的開展很好地彌補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不足，豐富了各專業(yè)教學(xué)內(nèi)容，形成了較為完整的海洋地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

(2) 立足科研優(yōu)勢(shì)、以研促教，保障中心高水平可持續(xù)健康發(fā)展。海洋地球科學(xué)學(xué)院教師承擔(dān)了大量的國家“973”“863”“908”、國家重大自然科學(xué)基金、面上基金項(xiàng)目和青年基金項(xiàng)目、大洋協(xié)會(huì)專項(xiàng)、國家科技重大專項(xiàng)、新世紀(jì)優(yōu)秀人才專項(xiàng)和省部級(jí)科研課題，涉及大量海洋調(diào)查和海洋地質(zhì)物理綜合研究。通過將科研成果應(yīng)用于虛擬仿真教學(xué)資源，有效地保證了教學(xué)資源的先進(jìn)性，從而更好地培養(yǎng)與時(shí)俱進(jìn)、具備較強(qiáng)實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)的人才。學(xué)院雄厚的科研力量為中心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，保障了中心高水平、可持續(xù)健康發(fā)展。

(3) 以學(xué)生為中心，寓知識(shí)傳授、實(shí)踐能力培養(yǎng)、綜合素質(zhì)提高于一體，學(xué)生創(chuàng)新成果突出。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高效進(jìn)行，極大地提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握水平，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)，取得了豐碩的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果。近年來，畢業(yè)學(xué)生的就業(yè)率、在各類技能競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)數(shù)量、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目和校本科生科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目數(shù)量等均有顯著提高。

(4) 自主研發(fā)虛擬仿真軟件，提高了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平。在研制仿真軟件的過程中，通過學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，推出了一批研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與動(dòng)手能力。中心還依據(jù)多年海洋地球科學(xué)仿真開發(fā)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成了完整的海上實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、野外實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和室內(nèi)專業(yè)基礎(chǔ)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生在校內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)海上調(diào)查的過程和野外實(shí)習(xí)基地教學(xué)路線和教學(xué)內(nèi)容的觀察掌握，眾多學(xué)生參與了這些軟件的研制，使他們的利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)計(jì)算的技能得到了很大提高，促使學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手能力和綜合專業(yè)素質(zhì)得到提高。

4 結(jié) 語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)工作順應(yīng)了高等教育的發(fā)展趨勢(shì)，是高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化的最新舉措，必將對(duì)我國高等教育質(zhì)量的提高產(chǎn)生積極重要的作用[16-17]。近年來，不斷加強(qiáng)高新技術(shù)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的應(yīng)用在培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要作用，以培育地學(xué)創(chuàng)新人才為目標(biāo)，立足海洋地球科學(xué)的學(xué)科優(yōu)勢(shì)與特色，構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，在海上調(diào)查實(shí)踐和野外地質(zhì)實(shí)踐項(xiàng)目建設(shè)方面彰顯了學(xué)院的辦學(xué)特色和優(yōu)勢(shì)，對(duì)地學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)發(fā)揮了重要作用。在教學(xué)手段上，以新技術(shù)促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的提升，在教學(xué)改革的實(shí)踐中，海洋地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心教學(xué)理念先進(jìn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)性強(qiáng)，改革思路清晰，圍繞素質(zhì)教育，構(gòu)建了系統(tǒng)完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。堅(jiān)持教學(xué)與科研相結(jié)合，形成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研訓(xùn)練緊密結(jié)合、交叉進(jìn)行、互相支持的新格局。