地質(zhì)類理論課程教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

高成 劉明忱 郭向國 籍進(jìn)柱 孫輝

摘?要：目前理論課不能走出課堂，必須在室內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)地學(xué)課程又是一門以地球?yàn)檠芯繉ο螅瑢Φ厍驈?fù)雜問題進(jìn)行研究的課程。故在地質(zhì)類課程的課堂理論教學(xué)內(nèi)引進(jìn)一種新的教學(xué)技術(shù)，通過對地表進(jìn)行重構(gòu)，僅在普通教室，不使用VR眼鏡就能在大屏幕上生成地表形態(tài)和景觀信息，使學(xué)生能夠直觀地觀察地質(zhì)體或地質(zhì)現(xiàn)象，從而使理論教學(xué)中加入野外實(shí)踐才能觀察到的信息，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)類課程；理論課程教學(xué)；虛擬仿真；地表重構(gòu)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual?Reality，VR）是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬環(huán)境的模擬，從而依靠特殊的顯示設(shè)備給人以環(huán)境沉浸的體驗(yàn)感。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，VR技術(shù)也取得了巨大進(jìn)步，同時(shí)VR技術(shù)也在地學(xué)類專業(yè)中的應(yīng)用取得了極大的進(jìn)展。目前，該技術(shù)主要被應(yīng)用到野外實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)課、博物館和理論授課當(dāng)中。在野外實(shí)習(xí)中，VR技術(shù)主要用在搭建野外實(shí)習(xí)的輔助平臺(tái)，通過使用三維地理信息技術(shù)、無人機(jī)三維傾斜測量技術(shù)、LBS空間定位技術(shù)結(jié)合已存在的實(shí)習(xí)基地及其地質(zhì)資料來模擬實(shí)習(xí)場所與實(shí)習(xí)環(huán)境［15］。在實(shí)驗(yàn)課和博物館中，VR技術(shù)的使用方式比較相似，主要用于模擬地下的地層構(gòu)造關(guān)系或者地質(zhì)演化變化過程，并通過VR眼鏡來進(jìn)行觀察［69］。在理論課中，VR也是主要用來模擬地下的構(gòu)造或者地球的演化規(guī)律，并通過屏幕來播放動(dòng)畫，使學(xué)生有一個(gè)更直觀的印象［10］。基于前人的主要工作，本文主要探討如何將三維地表建模和VR技術(shù)結(jié)合起來在理論課中進(jìn)行應(yīng)用。

三維虛擬現(xiàn)實(shí)就是將三維動(dòng)畫與VR技術(shù)相結(jié)合，三維動(dòng)畫與VR技術(shù)都是新型數(shù)字化技術(shù)的分支，具有程序化、虛擬化和多樣化等特征。三維動(dòng)畫與VR技術(shù)能夠隨著計(jì)算機(jī)程序開發(fā)逐步深入，從而使三維動(dòng)畫與VR技術(shù)的社會(huì)應(yīng)用越來越廣泛。

一、目前理論教學(xué)中存在的問題

地學(xué)研究的對象是整個(gè)地球，它所用到的各種基礎(chǔ)知識(shí)包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)、地理學(xué)，并由此發(fā)展出數(shù)字地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、古生物學(xué)、地貌學(xué)等多個(gè)學(xué)科方向及課程。面對涉及知識(shí)如此復(fù)雜而研究對象為地球的學(xué)科，最好的教學(xué)方法就是走出去，進(jìn)行野外教學(xué)——“廣闊天地大有作為”。

野外教學(xué)形式必然同課堂教學(xué)形式有沖突，目前存在的問題包括：

（一）在課堂上無法見到野外實(shí)際情況

目前，教學(xué)過程設(shè)置相對固定，由于理論課的知識(shí)內(nèi)容只在課堂講解，

沒有走出課堂。雖然有實(shí)習(xí)，但一般在理論教學(xué)完成之后，兩者之間存在時(shí)間差，有些地質(zhì)專業(yè)學(xué)生只是通過文字和圖片進(jìn)行理解，印象和理解程度并不深。地學(xué)教學(xué)本身應(yīng)是理論與實(shí)踐相交叉的過程。理論課和實(shí)踐（實(shí)習(xí)）人為地割裂了兩者。地學(xué)課程不像部分理工科課程，可以將實(shí)物模型帶到課堂上。即使能在課上使用沙盤模型，一節(jié)課內(nèi)也會(huì)用到多種不同類型的沙盤模型。沒有實(shí)物模型就只能在腦中想象，僅僅通過文字描述并不形象，對于單一圖片的構(gòu)圖、比例尺，學(xué)生由平面圖通過大腦轉(zhuǎn)化為立體圖都會(huì)產(chǎn)生信息接收的偏差。很多學(xué)生可能到大學(xué)畢業(yè)，部分地質(zhì)現(xiàn)象都沒有見到過，全靠書本上的文字進(jìn)行理解。

（二）野外安全問題

如果能夠進(jìn)行野外教學(xué)，最重要的一個(gè)問題就是安全。對于學(xué)校和教師而言，學(xué)生的安全是重中之重，而野外教學(xué)必然要上高山、下河谷、靠近斷裂、進(jìn)森林，這就存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。

（三）野外經(jīng)費(fèi)問題

經(jīng)費(fèi)不足也限制了野外教學(xué)的活動(dòng)范圍和教學(xué)時(shí)間。大多數(shù)的學(xué)校都不會(huì)像“雙一流”高校有大量的教學(xué)和科研經(jīng)費(fèi)，尤其普通學(xué)校大學(xué)四年的實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)并不多，經(jīng)費(fèi)的多少極大地限制了野外教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。

（四）野外教學(xué)過程的局限性

野外教學(xué)也存在著一定的局限性。（1）有些區(qū)域是無法到達(dá)的，比如可能出現(xiàn)高原反應(yīng)的高原地帶。（2）野外某個(gè)局部可能只能顯示某一種地質(zhì)狀況，相近的可對比的地質(zhì)狀況可能相離較遠(yuǎn)無法到達(dá)。（3）在野外，人是在地表上行進(jìn)的，視角相對比較低，無法看到整個(gè)地質(zhì)體的全貌，使用無人機(jī)也要有人到達(dá)地質(zhì)目標(biāo)體附近才能拍攝。

綜上所述，我們需要一種能夠在教室進(jìn)行教學(xué)，同時(shí)能夠讓學(xué)生身臨其境的教學(xué)工具或教學(xué)手段，提高學(xué)生對理論的認(rèn)識(shí)與理解。

二、虛擬仿真技術(shù)在理論課中使用思路

由于只能在教室內(nèi)進(jìn)行授課，為了提高教學(xué)質(zhì)量，就必須給學(xué)生制造一個(gè)身臨其境的環(huán)境，來還原野外的真實(shí)情況。目前使用的相對比較廣泛的方法是使用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)給學(xué)生配備VR眼鏡來進(jìn)行觀察，由于需要特定的實(shí)驗(yàn)教室，還需要VR眼鏡，因此實(shí)施起來并不方便，難以滿足課容量較大時(shí)的上課需求。

在不添加任何設(shè)備的情況下，能夠在普通教室使用的，就是通過VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對地質(zhì)體或者地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行模擬和重構(gòu)。多數(shù)的地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象在野外都是在地表上進(jìn)行觀察的，而且地質(zhì)類專業(yè)中多數(shù)的基礎(chǔ)理論課都很注重通過地表的形態(tài)來闡述地質(zhì)問題。例如，在“普通地質(zhì)學(xué)”課程中包含了大量地質(zhì)作用的相關(guān)內(nèi)容，而地貌恰恰是由地質(zhì)作用所產(chǎn)生的，且有些地質(zhì)作用會(huì)產(chǎn)生特定的地貌；在“構(gòu)造地質(zhì)學(xué)”課程中，不同的構(gòu)造會(huì)在地表上展示不同地貌，可以通過不同地貌來推斷地下的構(gòu)造；“地貌學(xué)”更是研究地表的形態(tài)特征，以及地貌的成因和分布的課程。所以在教學(xué)中，很多的教學(xué)內(nèi)容都需要對地表進(jìn)行重構(gòu)建立虛擬模型。需要注意的一點(diǎn)就是在實(shí)際的野外實(shí)習(xí)時(shí)，學(xué)生是站在地面上進(jìn)行觀察的，不能觀察到整個(gè)地質(zhì)體或者地質(zhì)現(xiàn)象的全貌，而地表重構(gòu)之后，則可以設(shè)立一個(gè)較高的觀察視角來擺脫這種束縛，從而從整體上來觀察地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象，使學(xué)生得到一個(gè)更為直觀和清晰的認(rèn)識(shí)。

進(jìn)行地表重構(gòu)的方法很多，一般都是基于高分辨率衛(wèi)星圖像、衛(wèi)星高程數(shù)據(jù)、地物影像的時(shí)間關(guān)系提供數(shù)據(jù)、通過電磁波場射線追蹤、地表貼體網(wǎng)格、人造衛(wèi)星軌跡的重力場下延拓等地球物理與遙感等方法來進(jìn)行地表重構(gòu)。目前比較簡單方法就是通過高分辨率的衛(wèi)星圖像和衛(wèi)星高程數(shù)據(jù)進(jìn)行地表建模重構(gòu)，重現(xiàn)野外地表形態(tài)和景觀信息。以“普通地質(zhì)學(xué)”課程中《河流及其地質(zhì)作用》一章的河流峽谷地貌的地表重建為例，使用ASTER?GDEM?30M分辨率的衛(wèi)星高程數(shù)據(jù)可以構(gòu)建起伏地形模型，通過河流峽谷地貌的衛(wèi)星圖像（圖1），在Unity3D下對得到的地形模型進(jìn)行渲染，得到河流峽谷地貌的重構(gòu)效果（圖2）。

重構(gòu)的地表形態(tài)依然是靜止圖像，可以在Unity3D內(nèi)調(diào)整視角，創(chuàng)建活動(dòng)軌跡，這樣就可以產(chǎn)生類似航拍的動(dòng)態(tài)效果，并錄制視頻。讓學(xué)生在課堂內(nèi)可以通過大屏幕觀察到整個(gè)河流峽谷的全貌，并通過整個(gè)視頻將河流峽谷中的所有能見到的地質(zhì)狀況和地質(zhì)知識(shí)串聯(lián)起來，使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境，等同野外實(shí)習(xí)的感覺。

三、理論課中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用問題的討論

有了具體的視頻，才僅僅具備了上課的基礎(chǔ)條件。理論課需要給學(xué)生構(gòu)建具體的知識(shí)框架，在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中為其明確知識(shí)體系。這時(shí)候就需要對教學(xué)過程重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和編排，使視頻同課程內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合起來。如果脫離了系統(tǒng)的理論教學(xué)，僅通過視頻展示知識(shí)點(diǎn)，或者隨著視頻出現(xiàn)什么知識(shí)點(diǎn)講什么知識(shí)點(diǎn)，那么這種技術(shù)手段就簡單地退化為室內(nèi)實(shí)習(xí)，沒有達(dá)到“知識(shí)一提一串，書越讀越薄”的效果。

在播放視頻的過程中，教師要隨時(shí)針對視頻中出現(xiàn)的地質(zhì)問題或者地質(zhì)現(xiàn)象暫停視頻，同時(shí)加入自己的講解，讓學(xué)生理解地質(zhì)問題或者地質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因以及涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。課堂教學(xué)始終是以學(xué)生接受和理解知識(shí)內(nèi)容，具備分析和解決問題的能力為目標(biāo)，教師的講解依然是課堂上的主體，虛擬仿真做出的視頻僅是課堂上的工具，一定要分清是講課為主、視頻為輔。加上課程中暫停視頻時(shí)講解的時(shí)間，整個(gè)視頻的相關(guān)用時(shí)可能會(huì)達(dá)到二三十分鐘甚至更長的時(shí)間，以涵蓋一個(gè)章節(jié)所對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。所以一般視頻不易制作得過長，幾分鐘為益。

在教學(xué)過程中可以使用的教學(xué)流程包括但不限于以下兩種：

（1）先播放視頻，讓學(xué)生在視頻中發(fā)現(xiàn)問題，然后教師再進(jìn)行講解，給學(xué)生一種眼見為實(shí)的體驗(yàn)。在整個(gè)講解完之后，對整個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，從而達(dá)到知識(shí)體系的建立。

（2）先進(jìn)行理論教學(xué)，然后再播放視頻，通過視頻的播放來印證理論教學(xué)的知識(shí)內(nèi)容，加深學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的理解程度。在視頻播放的時(shí)候也可以進(jìn)行多種教學(xué)選擇。①讓學(xué)生通過手機(jī)來選擇看到的地質(zhì)現(xiàn)象或地質(zhì)問題，并通過手機(jī)來回答問題。②分組進(jìn)行討論，視頻結(jié)束后每組派代表發(fā)言，講解一個(gè)在視頻中觀察到的地質(zhì)現(xiàn)象或地質(zhì)問題。③將視頻分割，提取知識(shí)點(diǎn)所對應(yīng)的視頻片段，然后按照以往的講授順序來進(jìn)行。

兩種方法各有利弊，第一種的優(yōu)點(diǎn)是視頻出現(xiàn)在課程剛開始的時(shí)候，學(xué)生注意力更集中，同時(shí)該部分知識(shí)內(nèi)容學(xué)生之前沒有接觸過，對知識(shí)內(nèi)容更好奇、更感興趣；缺點(diǎn)是學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的接受順序是按照視頻中地質(zhì)問題的出現(xiàn)順序來的，視頻講解完后，知識(shí)體系需要重新搭建。第二種的優(yōu)點(diǎn)是在播放視頻前學(xué)生已經(jīng)對整個(gè)的知識(shí)體系有了一定的了解，后面的內(nèi)容相對更好掌握;缺點(diǎn)是學(xué)生的好奇程度和專注力會(huì)下降，需要對視頻的伴隨教學(xué)過程進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)。

四、結(jié)論與展望

通過應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的“普通地質(zhì)學(xué)”課程的教學(xué)，學(xué)生看到視頻還是相對比較驚喜。之前有在課堂上插入過視頻，但都是從網(wǎng)上下載的，完全能和所有知識(shí)點(diǎn)能夠?qū)?yīng)上的視頻很少，基本都是只針對某個(gè)知識(shí)點(diǎn)。筆者能夠感覺到在視頻播放的過程中，以及針對視頻的講解中，學(xué)生的注意力很專注，對這種新鮮事物有一定的好奇，并且針對視頻中的內(nèi)容有自己的一些想法，反饋較好。

在教學(xué)準(zhǔn)備和教學(xué)過程中也出現(xiàn)了很多問題。主要包括下面幾個(gè)方面：（1）地表重構(gòu)需要使用大量計(jì)算資源和時(shí)間，后期的調(diào)試、修飾也需要不少教師長時(shí)間通力合作，人力成本偏高。（2）技術(shù)方法和教學(xué)活動(dòng)需要有機(jī)結(jié)合，合理進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，合理分配各部分的教學(xué)時(shí)長。

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基金：2021年度內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“基于地表重構(gòu)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在《普通地質(zhì)學(xué)》課程中的應(yīng)用”（2021255）；2021年度內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)課程教學(xué)模式改革研究與實(shí)踐”（2021257）；2021年度吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目重點(diǎn)項(xiàng)目“地震勘探儀器設(shè)備與采集實(shí)驗(yàn)VR演示”（SYXM2021a013）；2022年度內(nèi)蒙古自然基金面上項(xiàng)目“基于波場能量動(dòng)態(tài)增強(qiáng)的時(shí)間域高斯波束偏移研究”（2022MS04009）；2021年度中海石油（中國）有限公司海南分公司橫向課題項(xiàng)目“底辟通道區(qū)精細(xì)速度模擬和地震成像研究”（CCL2021HNFN0250）

作者簡介：高成（1986—?），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭人，博士，副教授，主要從事地球物理學(xué)研究。

*通訊作者：劉明忱（1987—?），男，漢族，吉林長春人，博士，工程師，主要從事地震波傳播理論和虛擬仿真技術(shù)研究。