摘要：虛擬仿真技術作為輔助教學手段業已得到廣泛應用。不同于虛擬仿真技術在教學實驗中應用的早期階段，得益于當前空前強大的計算機性能和硬件設備，高沉浸感、高仿真度的虛擬仿真教學實驗得以展開。地球科學教學中的許多課程的教學內容是“不可及、不可逆”的，虛擬仿真所包含的各種技術手段可以輕松構建出逼真的教學環境，為教師提供全新的教學手段，也創造出全新的教學模式。

　　關鍵詞：虛擬仿真；地球科學；教學模式改革

　　0引言

　　信息技術的迅猛發展對地球科學教育的教學方法和教學模式產生了巨大的影響。虛擬仿真技術以其強大的現場沉浸體驗和人機互動能力，成為一種非常適合應用在教育教學中的技術手段。虛擬仿真實驗教學適應信息時代高等教育開放辦學、資源共享的變革要求，為學生開展探究性學習、自主實驗和創新實踐提供了先進手段、開放平臺和優質資源[1]。近年來在國家持續投入和高校不斷建設的背景下，涌現了一批成熟的虛擬仿真實驗案例。以國家級虛擬仿真教學實驗中心為例，地球科學相關領域已獲得批準的國家級虛擬仿真教學實驗中心有：北京大學的“地球科學虛擬仿真實驗教學中心”（2013），吉林大學的“地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心”（2013），南京師范大學的“虛擬地理環境實驗教學中心”（2013），中國海洋大學的“海洋地球科學虛擬仿真實驗教學中心”（2014），成都理工大學的“地質與巖土工程虛擬仿真實驗教學中心”（2014）。這些虛擬仿真實驗教學中心依托本校特色的教學資源，深耕于地球科學領域某個或某幾個方面。

　　1虛擬仿真技術在地球科學教育中應用必要性

　　地學實驗教學內容的特性以及地質、資源、環境、災害等涉及高危或極端環境、不可及或不可逆的操作、大范圍、大數量、抽象化以及高成本、高消耗的大型綜合性實驗項目，需要通過虛擬仿真實驗來完成教學過程，提升學生的能力。具體來講，其必要性主要體現在以下五個方面：（1）不同于其他學科，在地球科學領域中，相關現象一般具有較大范圍的空間分布。學生在進行野外實驗、實習時，需要運用空間想象等認知能力來掌握全局概況，這對于初學者來說難度頗大。以地質認識實習為例，雖然學生可以觀察局部某一個點上出露地表地層的巖性，分析其年代特征，卻難以將各觀察點的情況串聯起來，形成對這一地區的綜合認識。但如果在此之前，學生通過“三維地層仿真環境”對實習區域進行了全方位的觀察，便可以獲得更為全面、深刻的認識。（2）地球科學除了研究地表的各種地物，還深入地殼，進入海洋。另外，現在更有很多輔助地學研究的工具設備進入了高空、深空，如對地觀測衛星。在當前的技術條件下，這些位置都是“不可及”的。因此，對于這部分知識，傳統教學方法以課堂的原理講授為主，以示意圖表作為輔助說明，很難建立直觀認識。而虛擬仿真實驗教學的沉浸式環境可以讓學生仿佛身臨其境，并且通過交互式的操作遨游其間，這種實驗教學的效果是枯燥的理論介紹所不能比擬的。（3）地球科學研究的現象，從發生、發展，到形成最終的結果一般需要漫長的時間，而且其過程一般是“不可逆”的，因此很難通過真實實驗來復現這個過程。虛擬仿真實驗可以完美的解決這個問題。對于一個經過漫長時間發育的地學現象，可以為它在若干關鍵的時間節點上，基于現有的發現、知識構建模型，從而為學生直觀的呈現出這一現象發展的全過程。學生甚至還可以通過調節模型的參數來改變這個過程的發展路徑、方向，得到完全不同的結果，從而更加深刻的掌握和理解相關地學原理。（4）信息技術的發展極大的改進了地球科學的研究方法和手段。高校培養的地學領域人才也需要順應這一趨勢和潮流，學生不僅僅能使用計算機查閱文獻、撰寫報告，還能夠具備信息科學的思維能力，主動應用信息技術來發現問題、解決問題。充分結合信息技術的虛擬仿真實驗，是培養學生信息化能力的最佳途徑。（5）隨著科學技術的進步，在地球科學研究中，出現很多先進的工具、設備，如手持光譜儀、無人機、地學物聯網傳感器。掌握這些設備的操作方法已成為今后從事地學領域相關事業學生的必備知識。但是這些設備或者價格高企，或者難以部署，高校限于財力無法大規模購置這些設備，學生在使用過程中的誤操作也可能帶來較大的經濟損失。開設虛擬仿真實驗可以解決這個問題：對于那些難以部署的設備，如地學物聯網傳感器，學生可以在虛擬環境中部署，并觀察傳感器的工作過程；對于那些昂貴的設備，如無人機等，學生可以在虛擬環境中進行操作練習，達到熟練操作的程度以后再開展無人機測量等真實實驗。

　　相關推薦：

小升初試題、期中期末題、小學奧數題

盡在奧數網公眾號

　　 歡迎使用手機、平板等移動設備訪問幼教網，幼兒教育我們一路陪伴同行！>>點擊查看