虛擬仿真技術在空間科學實驗教學中的應用

于向前， 郭艷軍， 張 媛

（北京大學a.地球與空間科學學院，地球科學國家級實驗教學示范中心，地球科學國家級虛擬仿真實驗教學中心；b.實驗設備部，北京100871）

0 引 言

信息技術尤其是虛擬仿真技術的迅猛發展對傳統的空間科學實驗教學模式產生了巨大影響。虛擬仿真技術以其低成本、可重復性、可視化的特征，成為一種非常適合應用在空間科學實驗教學中的技術手段。虛擬仿真技術在空間科學實驗教學中的應用適應新時代高等教育資源共享、開放辦學的變革要求，為學生開展創新性學習和自主實驗提供了先進的技術手段［1-3］。

虛擬仿真教學是目前國際先進的教學模式和教學理念，它應用虛擬現實技術為學生提供一個生動、逼真、可視化和可互動性的學習和實驗環境，成為國內外近些年來的發展趨勢和研究熱點之一［4-9］。國內高校也出現了比較先進的虛擬仿真實驗案例。例如，“地球科學國家級虛擬仿真實驗教學中心”，該中心深耕于地球科學領域某幾個方面開展研究［1］。作為“北京大學地球科學國家級虛擬仿真實驗教學中心”重要的組成部分，空間科學虛擬仿真實驗教學也構建了空間科學虛擬仿真教學體系。空間科學實驗教學中的許多內容是“不可視”或者“不可及”的，虛擬仿真技術可以構建出逼真的實驗環境，實現虛實有機結合，為實驗教學提供全新的教學方法［1］。

1 虛擬仿真技術在空間科學實驗教學中應用的必要性

空間科學是一門綜合性很強的學科，其實驗教學的內容主要涉及的領域包括太陽物理、行星際空間、磁層物理、電離層物理、行星物理和空間探測技術。空間科學內容抽象，覆蓋的空間區域和時間尺度都很大，大部分實驗教學在現實環境中都無法實現和重現。虛擬仿真技術可以使空間科學實驗教學中抽象的內容具體化，并涵蓋其包含的空間區域和時間尺度，成為一種非常必要應用在空間科學實驗教學中的技術手段。

（1）空間科學相關物理現象一般都具有較大的空間尺度和時間尺度。所涉及的空間物理過程在空間和時間上跨度都很大，空間上可以小到幾十km，大到整個宇宙空間，時間上可以小到秒量級，大到億年的時間尺度。巨大的空間和時間尺度已經遠遠超出人類可直接感知的范圍。在目前人類的技術條件下，很多空間物理過程在空間和時間尺度上在真實實驗環境中都是“不可及”或者“不可視”的［10-15］。傳統的空間科學理論教學和單純的外場觀測實驗或者地面模擬實驗都無法實現空間物理過程的再現與分析。將虛擬仿真技術應用于空間科學實驗教學，構建虛擬空間實驗系統，可以使學生對整個空間系統內部若干物理過程進行重復性的觀察和模擬，可大大提高學生這些空間物理過程的認識，從而提高教學效率［3］。例如，對于一個太陽系尺度上的太陽風與行星際磁場的相互作用的空間物理過程，可以基于目前人類的認識，設定若干關鍵的區域和時間節點，為學生直觀的呈現出這一現象產生、發展和結束的全過程。學生還可以通過調節太陽風模型的參數或者行星際磁場的模型參數來改變這一物理現象的發展路徑和方向，可能會得到完全不同的結果，這樣可以加深學生對這一空間物理過程的認識和理解。

（2）空間科學除了研究對象的空間尺度和時間尺度跨度大之外，還會涉及一些抽象的物理過程，例如星球磁場和電場等空間物理場的分布，帶電粒子在磁層中的捕獲和逃逸過程，帶電粒子與衛星及其部件的相互作用過程即空間環境效應等等。這些抽象的空間物理過程，通過傳統的課堂講授是很難理解的，但是可以通過“虛擬仿真技術”和“地面空間模擬實驗”相結合來完美地解決這一難題。通過“虛擬仿真技術”讓學生了解這些空間物理現象，使抽象的空間物理過程形象化、可視化，再通過“地面空間模擬實驗”，例如真空艙系統、高性能電子源、離子源系統和空間磁場模擬探測系統，加深并強化學生對這些空間物理現象及其效果的理解和認識。

（3）傳統的空間科學實驗教學主要以教師講授和演示為主。受空間和時間上的限制，教師往往不能完整地展示整個空間物理過程和現象。利用虛擬仿真技術進行空間科學實驗教學，可以使學生在虛擬空間環境下進行空間科學實驗和數據觀測，既可以根據既定實驗方案進行練習，還可以驗證自己的假象，進行參數和某些實驗條件的反復變化，從而得到不同的實驗結果，而不必考慮實驗危險或實驗耗材費用。虛擬現實技術還可以把空間科學中的理論教學部分轉化為豐富的動手實踐活動，提高學生學習興趣，更好地實現實踐教學功能，建立更加完善的空間科學實驗教學體系。

（4）信息技術的發展大大改進了空間科學研究方法和手段。高校培養的空間科學領域人才也需要順應這一趨勢和潮流。空間科學領域學生不僅能使用計算機查閱文獻和撰寫報告，還能主動應用信息技術來發現和解決空間科學領域的問題。而將虛擬仿真技術應用于空間科學實驗教學，充分實現空間科學和信息技術的有機融合，是培養學生信息化能力的最佳途徑。

2 空間科學虛擬仿真教學建設內容

空間科學虛擬仿真實驗教學實現了真實實驗難以完成或不具備的教學功能，在存在“不可及”的操作，高成本、高消耗等情況時，提供了可靠、和低成本的實驗項目。空間科學虛擬仿真實驗教學需要建設以下幾個方面的內容：

（1）構建空間科學虛擬仿真實驗教學系統。根據空間科學實驗教學的學科特色，將空間科學虛擬仿真實驗教學劃分為全虛型（大時間空間尺度等）和虛實結合型（可以用地面磁場探測系統、真空倉系統、電子源和離子源系統等來模擬部分空間環境和物理過程）進行實驗課程方案設計。

（2）開發空間科學實驗教學虛擬仿真教學案例。根據空間科學實驗教學的學科特點，空間科學虛擬仿真實驗教學可選擇虛擬仿真技術包括沉浸式虛擬仿真技術和增強現實技術。應用虛擬仿真技術，結合空間科學課程教學內容，設計若干案例，例如，通過虛擬仿真技術構建地球磁層的形成過程及帶電粒子在磁層中的捕獲和逃逸過程；再例如，通過粒子與物質的相互作用軟件GEANT4模擬空間粒子與衛星及其部件的相互作用，即空間環境效應，然后通過地面的高性能電子源和離子源系統開展地面模擬實驗，虛實相結合。

隨著科學技術和信息技術的發展，國外已經出現了一些新的空間科學實驗教學理念，可以引進這些教學理念，結合我國空間科學實驗教學的實際情況，開展空間科學實驗教學改革。例如，美國華盛頓大學，在大三或者大四的時候開設《走向太空》課程，該課程有5個學分，由2個教授和4～5位工程師或者助教組成教師團隊。課程分為理論部分和實驗部分，理論教學部分與實驗教學部分的課時數各占一半。理論教學包括科學部分和工程部分，科學部分由1名教授講述從太陽到地球空間的基礎知識，包括空間環境組成及其動力學過程，工程部分由1名教授講述傳感器技術、電路技術和通信等相關知識。實驗教學部分以一次熱氣球空間探測計劃為主線，主要由助教和工程師負責。將學生分成5～6個團隊，每個團隊4～5人。每個團隊負責一個空間探測項目，例如太陽X射線、溫度等隨地球高度的變化。每個團隊從制定科學探測目標開始，制定探測方案，電路設計，電路PCB布線，電路調試，最后還要經過工程化，做電路的各種高低溫試驗，以便使研制的儀器能夠適應高空的低溫環境。最后將各個團隊研制的空間探測器放置在熱氣球上進行空間探測計劃。另外，還要對熱氣球上的儀器進行回收，提取科實驗數據，進行分析。該課程很好地模擬了一個空間探測計劃的全過程，為學生未來從事空間科學研究打下了堅實的基礎。

（3）建設空間科學虛擬仿真儀器。空間探測技術是空間科學領域非常重要的組成部分，它是空間科學研究的基礎，是獲取空間科學數據最重要和最直接的手段。了解并熟悉空間探測儀器是培養空間科學領域復合型人才的重要組成部分。目前高校用于空間探測教學實驗的設備存在設備貴、數量少、運行成本高等問題，例如一套空間粒子輻射探測器系統高達上百萬，目前國內高校限于財力無法大規模開展。在這種情況下，很難達到每一個學生都能親自操作的需求，在多數情況下只能通過演示實驗進行了解，造成學生學習興趣低下、學習效果不佳等后果。而空間探測虛擬仿真儀器系統可重復使用，可大大節約實驗環節的教學經費，解決空間探測儀器的稀少、昂貴和學生需求之間的矛盾［16］。另外，大型空間探測教學實驗儀器的操作需要一定的原理知識和工程經驗，否則容易造成這些設備的損壞。因此需要學生事先對空間探測虛擬仿真儀器系統進行學習和模擬操作，構建虛擬的實驗對象，同時獨立設計實驗方案，調整各種實驗參數。學生在對空間探測虛擬仿真儀器進行模擬實驗時，也需要對設備原理和應用環境進行分析，可滿足學生從理論到實踐的學習要求［4］。此外，學生可通過動手操作，更直觀地了解空間探測儀器的結構組成、工作原理，為更好地進行實驗奠定基礎。然后在現實實驗室中進行觀摩實驗，虛實有機結合，提高學習效果。

（4）實踐空間科學虛擬仿真實驗教學案例。空間科學虛擬仿真實驗教學案例應該建立一個完善的“使用—評價—反饋—改進—再使用”機制。讓參與實驗的教師和學生對實驗案例進行實際使用和評價。根據評價結果、實際教學效果來改進和調整實驗案例。

3 空間科學虛擬仿真教學實例

作為“北京大學地球科學國家級虛擬仿真實驗教學中心”重要的組成部分，空間科學虛擬仿真實驗教學構建了空間科學虛擬仿真教學體系，該教學體系已經被應用到以實驗為主的課程《空間探測信息可視化處理》中。該實驗教學案例將“虛擬仿真技術”和“地面空間模擬實驗”有機結合在一起，較好地實現了空間科學教學實驗虛實相結合。該教學體系首先通過“虛擬太陽系與空間探測課堂”讓學生對整個空間科學的研究對象—太陽系以及其探測技術有一個整體和形象認識，同時讓學生了解一些重要的空間物理現象和過程，例如地球磁層形成過程及衛星運行軌道和空間探測等。第2步通過粒子與物質的相互作用仿真軟件GEANT4模擬空間粒子輻射探測器探測空間粒子的過程以及衛星及其部件受到粒子作用產生空間環境效應的過程，使學生們對空間粒子探測技術和空間環境效應有一個整體和形象的學習和認識。第3步利用高性能電子源、離子源系統，配合真空艙系統，構建“地面空間模擬實驗”，開展地面空間粒子探測技術和空間環境效應模擬實驗；利用空間磁場探測實驗室的“零磁”空間和空間磁場產生和探測系統，開展地面模擬空間磁場的分布及其探測原理和過程。整個空間科學虛擬仿真教學體系，虛實有機結合，加深并強化了學生對空間科學所學知識及其效果的理解和認識。表1為空間科學虛擬仿真實驗教學部分案例設計。

以表1中實驗1的“地球磁層形成過程及空間探測計劃仿真試驗”為例進行講解。

地球磁層是指在太陽風和行星際磁場的作用下，地球原來磁場的磁力線被壓縮在一個有限的空間，位于地球周圍、被太陽風和行星際磁場包圍并受地磁場控制的等離子體區域。圖1所示為磁層結構的二維結構示意圖。

磁層中還存在著高能帶電粒子，其相對密度較大的聚集區域稱為地球輻射帶。地球輻射帶分為內輻射帶（核心在1～2Re）和外輻射帶（核心在3～4Re）。內輻射帶主要由能量為幾～幾十MeV的高能質子組成，外輻射帶主要由能量為幾十～幾百keV的高能電子組成。輻射帶高能粒子的通量較大，是引起航天器的一些材料、器件和人體輻射損傷的主要原因。帶電粒子在磁層中主要由3種運動：環繞磁力線的回旋運動，南北極之間的彈跳運動和沿赤道方向漂移運動，如圖2所示。

表1 北京大學空間科學虛擬仿真實驗教學部分案例

圖1 地球磁層結構

圖2 帶電粒子在磁層中的3種運動

磁場與帶電粒子的相互作用是磁層中最重要的物理過程。目前針對地球磁層有很多探測計劃。現模擬運行于地球同步軌道（GEO）和太陽同步軌道（SSO）的衛星，衛星上攜帶磁場探測器和高能粒子輻射探測器，對磁層中的磁場和帶電粒子進行探測，如圖3所示。

圖3 針對地球磁層的探測衛星

該實驗仿真教學案例可以幫助學生更好地理解各種空間物理和空間探測現象，主要包括：

（1）衛星在軌運行的各個軌道（例如地球同步軌道GEO和太陽同步軌道SSO軌道）以及其軌道的帶電粒子和磁場等物理場的特征；

（2）太陽風與地球磁場的相互作用過程即地球磁層的形成過程；

（3）帶電粒子在地球磁層中的三種運動過程以及其在地球磁層中被捕獲和逃逸的過程；

（4）衛星上的帶電粒子探測器和磁場探測器安裝位置和朝向對粒子探測和磁場探測數據的影響。

4 結 語

信息技術尤其是虛擬仿真技術的迅猛發展對傳統的空間科學實驗教學方式方法產生了巨大的影響。將虛擬仿真技術應用于空間科學實驗教學是空間科學教學的重要發展方向之一。從事空間科學的教師應該充分發揮聰明才智，通過建立空間科學虛擬仿真實驗和實際的空間科學地面模擬實驗來模擬空間科學的現象、過程，虛實有機結合。不斷提升空間科學專業學生的實踐與創新能力，必將開創現代空間科學實驗教學的新未來。

感謝2019年春季學期選修《空間探測信息可視化處理》的同學們為本文提供了圖片。