基于VR/AR的“地球物理學”課程改革研究

戴夢雪

（東華理工大學 地球物理與測控技術學院，江西 南昌 330013）

引言

“互聯網+”教育這種以學習者為中心，利用信息技術和互聯網平臺的教學模式被越來越多地推廣和應用［1］。如今大學生的學習需求日益豐富，并向著多樣化、個性化的趨勢發展［2］。在“互聯網+”背景下，協調線下和線上學習模式，突破空間和時間的限制，形成更優化、更適應時代發展的創新型學習方式，可以促進創新型人才培養、支持創新型國家建設［3］。

VR技術（Virtual Reality），即虛擬現實技術，是利用計算機技術來生成特定的虛擬環境，讓使用者產生身臨其境的體驗和感受［4］。VR可以實現實體行為系統以及三維動態視景的仿真，讓使用者沉浸在模擬環境中，使用戶和互聯網之間能夠進行深度的溝通和互動［5］。

AR技術（Augmented Reality），即增強現實技術，可以利用計算機技術將虛擬的信息疊加到真實世界［6］，使得虛擬的物體和真實的環境實時融合到同一個畫面中［7］。VR/AR技術以其自主性、存在感、多感知、交互性等優勢在教學輔助中具有非常重要的地位［8］。

“地球物理學”課程強調實際應用，工程能力、科研能力和創新能力是地球物理學專業人才能力培養的核心。目前許多教師對本專業課程采用的都是理論課知識講解與校內實踐相結合的教學模式，旨在培養學生理論基礎與實踐操作融會貫通的能力。但在實際教學過程中，往往會出現學生對抽象概念認知不充分、實踐操作受限較多、學習的自主性不強等問題。

針對地球物理專業課程具有的理論性較強、內容較多、實踐性要求高、學生需求不均衡等特點，本文擬利用VR/AR技術，構建出自主學習的環境，由傳統上“以教促學”的學習方式，轉變為學生通過自身與信息環境的交互作用來得到知識與技能的新型學習方式，提高學生的創新能力、工程能力和科研能力，為“互聯網+”背景下普通本科院校工科專業的人才培養探索出符合我國基本國情的有效教學模式。

一、基于VR/AR的互動式教學

VR/AR技術在教學中具備其專屬特點和優勢。在“互聯網+”背景下，通過在地球物理專業課程教學中采用VR/AR技術，能夠為教師提供全新的工具。傳統方式傳遞的地球物理專業知識大多以繁雜的公式推導、晦澀的文字和圖片的形式進行表達，而基于VR/AR的地球物理課程設計可將知識以更加直觀、通俗的場景或游戲、卡通的方式展現，更容易讓學生理解接受，激發學生對知識的興趣。

VR/AR虛擬視角下地球物理課程教學的目標是在特定活動中鼓勵、激勵學生，教學設計與VR/AR技術之間的協調性起到關鍵性作用，比如課件編寫、場景設置、多媒體制作等都至關重要。

基于VR/AR的互動式教學作為一種新型教學模式，可從以下三個方面改進教學質量：（1）課程重點可視化、教學難點形象化：VR/AR技術仿真和交互的特性，能將地球物理學專業課程中抽象、晦澀難懂的知識以更生動、直觀、全面的方式呈現，用沉浸式體驗增強學生的代入感。（2）學習環境多樣化、知識運用情景化：移動VR/AR系統能夠基于真實環境中的虛擬物體幫助下，使無處不在的合作式和情境式學習得到加強，現實生活中的一切都能成為VR/AR學習的道具，實現情境性、交互性、連通性、便捷性和個性化。VR/AR系統能夠檢測到學生的當前位置和活動狀態，從而及時發出提醒和待選選項以集中學生的注意力。（3）提升學生存在感、增強學生專注度：VR/AR提供一個虛擬的學習空間，讓學生感覺與其他人或事物同處一個位置。這種存在感可加強學生對地球物理專業知識的認知。所以，VR/AR在培養學習者直覺方面有巨大潛力，這種感覺也是學習者在綜合而真實的體驗中所擁有的主觀感受。

二、基于VR/AR的“地球物理學”課程教學應用架構

地球物理學專業某些特定的課程，如放射性勘探、地震勘探、電磁勘探等進行知識傳達時，僅基于課本知識達不到預期效果，而現場考察學習又存在一定的危險系數。采用結合VR/AR 虛擬視角的交互式授課方式，可以精確模擬真實環境，采用傳感器模擬視覺、聽覺、力量、觸感等，達到與高危現場一致的體驗，完成授課目標。充分利用VR/AR技術等信息化手段和數字化資源，探索VR/AR 技術在地球物理專業課程中的適用場景，以解決傳統地球物理專業教學中的“痛點”問題。從VR/AR技術與“地球物理學”理論教學的融合、VR/AR技術在“地球物理學”實踐教學中的應用及教學評價方式這三個方面展開討論，具體內容如下。

（一）VR/AR技術與地球物理學理論教學的融合

1.抽象概念的可視化闡釋。“地球物理學”課程中，涉及的許多基本概念都是抽象而不可直接觀察的。如地磁場的磁力線、電法勘探中電流的分布、地震波在介質中的傳播等。傳統教學中，對于這些概念采用語言文字描述以及畫示意圖的方式來闡釋，不夠形象生動，造成學生學習抽象概念時理解困難。利用VR/AR技術，可以將磁力線等抽象的概念可視化，讓學生看到這些實際存在、卻在現實生活中無法直接觀察到的事物，化抽象為具體，極大地降低理解和掌握的難度。

2.物理模擬的多視角展示。在傳統的地球物理學專業課程教學中，經常涉及一些物理模擬的展示和研究，在以往的教學環境中主要采取這樣一些方法：（1）圖片展示。這種方式只能提供有限的幾個視角，學生無法看到圖片以外的視角。（2）實物展示。這種方式受成本和場地的限制較多，且由于同學所處的位置不同，同一實物，在不同學生眼中的視角也不同，且后排的學生容易看不清楚。（3）利用3D動畫，建立實物模型，并旋轉展示各個視角。這種方式相對較理想，但由于這是一個由教師預設好的過程，學生無法按照自己的意愿選擇視角。

將VR/AR與地球物理學專業課程相融合，通過VR/AR技術，可以建立實物模型，讓學生自主選擇視角觀察，使得觀摩學習的成本大大降低，靈活度和自主性大大提高。

3.三維空間的全景式觀察。地球物理學的一個重要研究內容就是探明三維地下空間的形態，并識別出特殊的地質構造。在以往的教學中，采用截取多個剖面的方式來顯示三維的地下構造，學生根據一系列剖面，通過想象建立對三維空間的整體認知，這種方式不夠具體直觀。借助VR/AR技術，可以對三維地下空間進行建模，讓學生與三維空間發生交互，自主尋找角度和方向，直觀地識別出地下構造。

4.虛擬情境的沉浸式體驗。作為一門在空間尺度上“上天入地”、時間尺度上“滄海桑田”的學科，地球物理學包含了很多瑰麗壯闊的場景，例如太陽系的行星運動、地震來臨時的山崩地裂、板塊的漂移等。傳統的演示只是固定的、平面的且單一感官的體驗，而基于VR/AR技術，學生可以置身于虛擬情境之中，體會太空中的失重感，在地震中擇路而逃，獲得沉浸式的體驗，提升學生的存在感、直覺和專注度，激發學習的興趣和創新熱情。

（二）VR/AR技術在“地球物理學”實踐教學中的應用

1.精密儀器的實驗補充手段。由于教學的條件限制，地球物理學專業課程中的一些精密實驗儀器在實際教學過程中無法達到預期的教學目的。基于VR/AR技術，學生可以在虛擬實驗室中，互動式地操作虛擬儀器，并獲得和現實中一樣的反饋，節省成本，且不受環境限制，可反復操作練習。

2.復雜環境的實踐替代措施。受區域地質、地形地貌條件的制約，在地球物理學專業課程實踐教學過程中，一些實驗場所在實際中無法達到，如深海大洋等特殊實驗環境等。基于VR/AR技術，學生可以在虛擬實驗室中，沉浸式、趣味性地參與到復雜地質環境的研究中。

3.危險實驗的安全體驗方式。地球物理實踐教學中，一些危險性較高的實驗，例如放射性實驗、使用炸藥震源的實驗等，在傳統的教學中是不進行的。利用VR/AR技術可以建立虛擬實驗室，學生能夠以沉浸的方式操作虛擬儀器進行實驗。即使學習者因錯誤操作而未完成實驗，也不會造成實際的生命和財產損失，是一種安全的訓練方法。

（三）教學評價方式

在VR/AR教學環境下，教師可以通過學生的交互活動，由VR/AR教學系統自動實現對學生的個體評價。如在地震剖面解釋的學習中，可以設置對三維地下結構識別的測試題，根據學生的結構識別結果，系統自動判斷正誤，實現對學生知識掌握情況的測試。此測試可以同時對所有學生進行，解決了傳統課堂中教師提問學生受時間限制的問題。

教學評價是雙向的，除了教師考評學生，學生也可以及時反饋教師的教學成果，以便教師清楚地了解學生對知識的掌握情況，調整教學的側重點，從而提升教學效果。

三、基于VR/AR虛擬視角的地球物理學課程體系構建

針對VR/AR技術與“地球物理學”理論教學的融合、VR/AR視角下地球物理專業課程剖析、VR/AR技術在“地球物理學”實踐教學中的應用等研究內容，梳理地球物理學專業課程中重、磁、電、震、放等課程模塊教學內容，細化海洋地球物理、海洋聲學探測技術、鉆井地球物理、環境與工程地球物理等課程模塊重要知識點，強化野外地質教學實習、地球物理勘探綜合實習、畢業實習、畢業論文等教學環節。通過模擬情境、虛實融合、過程監測等方法，利用VR/AR軟件，進行“地球物理學”課程體系構建。構建過程中，考慮學生前期已有高等數學、大學物理、編程語言等基礎數理知識的儲備，對地球物理學專業基礎課程（普通地質學、構造地質學、場論、彈性波動力學、巖石物理學）已經掌握，在VR/AR過程體驗中可以針對性地進行方法性體驗、技能性體驗、知識性體驗及啟發性體驗等環節，對虛擬環境進行行為建模、物理實現，增強學生在虛擬教學中的教學體驗。

（一）課程體系的精細配置

為了幫助學生了解地球物理專業不同課程的發展概況，深入探索各課程之間相互聯系和互動式發展，拓寬視野，幫助他們建立合理、科學的知識結構，需要建立科學、系統的課程體系。梳理地球物理學專業課程教學重點，細化課程知識點，基于VR/AR技術進行精細化教學設計，將地球物理專業課重要知識點進行情景化，構建虛擬視角下地球物理課程體系。針對重、磁、電、震、放等不同的勘探方法，可對實際場景進行數據采集，然后通過后期制作，加上虛擬的教具（2D、3D模型）和交互性的人機操作，訓練學生熟練掌握VR/AR虛擬視角下地球物理專業相關的重、磁、電、震、放等知識和技術，為后期的實習奠定良好的基礎。

（二）教學團隊的合理建設

在課題實施過程中，教師是人才培養的關鍵，在進行課程體系構建的同時，應著力打造一支能夠為學生提供專業指導的教學團隊。本課題實施過程中，將首先加強實踐教學，根據專業課程的性質和特點，調整課題組成員實踐課程教學任務，滿足大量實踐課程的需求；其次，調研企業需求，深入了解行業發展的現狀和前景，促進教學團隊的與時俱進；最后，以科研促教學，把在科研項目所研究的知識、技能帶入課堂教學。

（三）教學體驗的交互設計

虛擬視角下地球物理學專業課程交互設計體現了VR/AR教學體驗的沉浸性和交互性，對其設計應考慮以下因素：（1）學習任務。VR/AR教學系統中應該設置多樣化的學習任務，任務的難度級別是動態的，避免單一和無聊。既包括操縱物品、移動視角等基本動作，也包含解決問題、探索創新等復雜的任務，同時任務的設置要始終圍繞課程主線。（2）學習目標。當學生進入VR/AR教學系統時，應盡快賦予其明確的地球物理專業知識模塊目標，或讓學生能夠自主創建可以被理解和評價的個人學習目標。可以設置多重目標，讓學生有多樣化的完成策略。同時，目標的達成方式應該是清晰且可操作的，避免學生被卡住。（3）體驗感。將VR/AR教學應用到地球物理專業課程中的體驗要注重激勵學生主動思考、探索完成任務，在這個過程中獲得滿足感和成就感，建立起積極的自我評價。

結語

如今的學生被稱作“數字原住民”，他們喜歡動態的、立體的、好玩的東西，三維場景正好可以滿足這一代學習者的喜好。本文針對“互聯網+”背景下地球物理學專業課程特色，利用VR/AR技術，構建出自主學習的環境，由傳統上“以教促學”的學習方式，轉變為學生通過自身與信息環境的交互作用來得到知識與技能的新型學習方式。

把VR/AR技術納入地球物理學專業教育，允許其和傳統教育互為補充、相互促進，使學生能夠更加身臨其境地學習，更好地進行實踐，提高學生的創新能力和工程意識，可以為我國高等教育改革提供新的支持。