摘要：虛擬仿真技術(shù)作為輔助教學(xué)手段業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。不同于虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的早期階段，得益于當(dāng)前空前強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)性能和硬件設(shè)備，高沉浸感、高仿真度的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)得以展開。地球科學(xué)教學(xué)中的許多課程的教學(xué)內(nèi)容是“不可及、不可逆”的，虛擬仿真所包含的各種技術(shù)手段可以輕松構(gòu)建出逼真的教學(xué)環(huán)境，為教師提供全新的教學(xué)手段，也創(chuàng)造出全新的教學(xué)模式。

　　關(guān)鍵詞：虛擬仿真；地球科學(xué)；教學(xué)模式改革

　　0引言

　　信息技術(shù)的迅猛發(fā)展對(duì)地球科學(xué)教育的教學(xué)方法和教學(xué)模式產(chǎn)生了巨大的影響。虛擬仿真技術(shù)以其強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)沉浸體驗(yàn)和人機(jī)互動(dòng)能力，成為一種非常適合應(yīng)用在教育教學(xué)中的技術(shù)手段。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)適應(yīng)信息時(shí)代高等教育開放辦學(xué)、資源共享的變革要求，為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐提供了先進(jìn)手段、開放平臺(tái)和優(yōu)質(zhì)資源[1]。近年來在國(guó)家持續(xù)投入和高校不斷建設(shè)的背景下，涌現(xiàn)了一批成熟的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例。以國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心為例，地球科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域已獲得批準(zhǔn)的國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心有：北京大學(xué)的“地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”（2013），吉林大學(xué)的“地質(zhì)資源立體探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”（2013），南京師范大學(xué)的“虛擬地理環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”（2013），中國(guó)海洋大學(xué)的“海洋地球科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”（2014），成都理工大學(xué)的“地質(zhì)與巖土工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”（2014）。這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托本校特色的教學(xué)資源，深耕于地球科學(xué)領(lǐng)域某個(gè)或某幾個(gè)方面。

　　1虛擬仿真技術(shù)在地球科學(xué)教育中應(yīng)用必要性

　　地學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的特性以及地質(zhì)、資源、環(huán)境、災(zāi)害等涉及高�；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作、大范圍、大數(shù)量、抽象化以及高成本、高消耗的大型綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，需要通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來完成教學(xué)過程，提升學(xué)生的能力。具體來講，其必要性主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：（1）不同于其他學(xué)科，在地球科學(xué)領(lǐng)域中，相關(guān)現(xiàn)象一般具有較大范圍的空間分布。學(xué)生在進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)時(shí)，需要運(yùn)用空間想象等認(rèn)知能力來掌握全局概況，這對(duì)于初學(xué)者來說難度頗大。以地質(zhì)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)為例，雖然學(xué)生可以觀察局部某一個(gè)點(diǎn)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(diǎn)的情況串聯(lián)起來，形成對(duì)這一地區(qū)的綜合認(rèn)識(shí)。但如果在此之前，學(xué)生通過“三維地層仿真環(huán)境”對(duì)實(shí)習(xí)區(qū)域進(jìn)行了全方位的觀察，便可以獲得更為全面、深刻的認(rèn)識(shí)。（2）地球科學(xué)除了研究地表的各種地物，還深入地殼，進(jìn)入海洋。另外，現(xiàn)在更有很多輔助地學(xué)研究的工具設(shè)備進(jìn)入了高空、深空，如對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，這些位置都是“不可及”的。因此，對(duì)于這部分知識(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)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(rèn)識(shí)。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的沉浸式環(huán)境可以讓學(xué)生仿佛身臨其境，并且通過交互式的操作遨游其間，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果是枯燥的理論介紹所不能比擬的。（3）地球科學(xué)研究的現(xiàn)象，從發(fā)生、發(fā)展，到形成最終的結(jié)果一般需要漫長(zhǎng)的時(shí)間，而且其過程一般是“不可逆”的，因此很難通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)來復(fù)現(xiàn)這個(gè)過程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以完美的解決這個(gè)問題。對(duì)于一個(gè)經(jīng)過漫長(zhǎng)時(shí)間發(fā)育的地學(xué)現(xiàn)象，可以為它在若干關(guān)鍵的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，基于現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)、知識(shí)構(gòu)建模型，從而為學(xué)生直觀的呈現(xiàn)出這一現(xiàn)象發(fā)展的全過程。學(xué)生甚至還可以通過調(diào)節(jié)模型的參數(shù)來改變這個(gè)過程的發(fā)展路徑、方向，得到完全不同的結(jié)果，從而更加深刻的掌握和理解相關(guān)地學(xué)原理。（4）信息技術(shù)的發(fā)展極大的改進(jìn)了地球科學(xué)的研究方法和手段。高校培養(yǎng)的地學(xué)領(lǐng)域人才也需要順應(yīng)這一趨勢(shì)和潮流，學(xué)生不僅僅能使用計(jì)算機(jī)查閱文獻(xiàn)、撰寫報(bào)告，還能夠具備信息科學(xué)的思維能力，主動(dòng)應(yīng)用信息技術(shù)來發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。充分結(jié)合信息技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，是培養(yǎng)學(xué)生信息化能力的最佳途徑。（5）隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在地球科學(xué)研究中，出現(xiàn)很多先進(jìn)的工具、設(shè)備，如手持光譜儀、無人機(jī)、地學(xué)物聯(lián)網(wǎng)傳感器。掌握這些設(shè)備的操作方法已成為今后從事地學(xué)領(lǐng)域相關(guān)事業(yè)學(xué)生的必備知識(shí)。但是這些設(shè)備或者價(jià)格高企，或者難以部署，高校限于財(cái)力無法大規(guī)模購(gòu)置這些設(shè)備，學(xué)生在使用過程中的誤操作也可能帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以解決這個(gè)問題：對(duì)于那些難以部署的設(shè)備，如地學(xué)物聯(lián)網(wǎng)傳感器，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中部署，并觀察傳感器的工作過程；對(duì)于那些昂貴的設(shè)備，如無人機(jī)等，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作練習(xí)，達(dá)到熟練操作的程度以后再開展無人機(jī)測(cè)量等真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

　　相關(guān)推薦：

小升初試題、期中期末題、小學(xué)奧數(shù)題

盡在奧數(shù)網(wǎng)公眾號(hào)

　　 歡迎使用手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備訪問幼教網(wǎng)，幼兒教育我們一路陪伴同行！>>點(diǎn)擊查看