海洋地质专业虚拟仿真实验教学平台建设

王 睿，李 琦，姜正龙，柳长峰

（中国地质大学（北京）海洋学院，北京 100083）

虚拟仿真实验教学是信息技术与专业实验教学的深度融合，是高等教育信息化建设的重要内容，也是实验教学改进和发展的方向[1-4]。2018 年4 月，教育部《关于实施卓越教师培养计划2.0 的意见》指出，要充分利用虚拟现实、增强现实和混合现实等，建设开发一批交互性、情境化的教师教育课程资源。虚拟仿真实验教学可以突破传统实验教学成本高、安全系数低、效率低下等缺点，使实验教学更加直观化、系统化。目前，国内许多高校围绕医药工程、化学化工、环境工程、土木工程、安全工程等不同专业积极进行虚拟仿真实验教学平台建设[5-7]，促进了教学方式创新和教学方法变革。

海洋地质学是大陆地质学在海洋中的发展，利用虚拟仿真方法可以真实地模拟海岸与海底地形地貌、海洋沉积物、海底构造、海洋矿产以及海洋地质调查技术工作的实施过程。采用虚拟现实、动画视频、文字图片、三维互动等多种形式，能够充分实现海洋地质的三维立体仿真环境，使学生在涉海虚拟环境中开展操作实验，从而达到良好的教学效果。

1 海洋地质专业实验教学现状

海洋地质是地质学与海洋学之间的交叉学科，从事海洋地质研究以及与之相关的资源勘查工作，需要具备深厚的地质学、海洋地质学及海洋学基础理论，同时又必须掌握海洋、海底和海域沉积盆地地质资源的调查、勘察等的技术和方法。因此，海洋地质实践教学十分必要[8]。但是一直以来，受地域、空间和实验装备等多方面的制约，海洋地质实验教学在海洋科学、海洋地质与资源等方向上的实践教学，始终无法面向真正的大海进入大洋深处探密。以海洋地质调查为例，由于调查对象被海水覆盖，海洋地质调查必须依靠运载工具即海上工作平台（海洋地质调查船），其调查内容、使用的仪器设备乃至研究方法等也具有鲜明的区别于陆地地质工作的特点[9-10]。因此，在日常教学过程中，很难像陆地地质教学实习那样，开展实地现场教学，图片、课件等则很难达到理想的教学效果。

因此，海洋地质专业虚拟仿真实验教学平台的建设，对于海洋地质专业的发展具有重要意义。海洋地质专业虚拟仿真实验教学平台建设，要以教学实验室为基础，在现有海洋地质专业理论知识的基础上，结合虚拟仿真实验教学，研发海洋地质专业类虚拟仿真内容，以虚补实，为实现海洋地质专业人才培养目标提供有力支撑。

2 实验室教学平台建设思路

总体来说，要立足国家海洋强国战略目标，以教育部《示范性虚拟仿真实验教学项目》精神为指导，坚持问题导向和需求导向，紧密结合经济社会发展对海洋科学高层次人才培养的需求，紧密结合海洋专业特色和海洋科学研究领域最新成果，以学校“特色+精品”的发展理念及学科强校战略为依托，以实验室开放和共享为宗旨，以“两创”（创业精神和创新能力）人才培养为目标，围绕“海洋科学”“海洋资源与环境”两个专业，以海洋地质学、海洋矿产资源、海洋环境与生物、海洋地球物理技术等学科为交叉，将海洋地质和海洋地质资源的实践教学作为一个整体，采用现代信息技术，以虚拟仿真实验课程建设为主，进行模拟实验资源、虚拟实验资源及配套教学资源展示平台的综合建设[11-12]。具体应体现在以下方面。

（1）以学生为中心的教学理念。从学生需求出发，结合学生学习实际，利用虚拟仿真交互形式调动学生的积极性和主动性，注重学生能力提升及对相关知识点的理解与掌握。

（2）准确适宜的教学内容。以问题、需求为导向，以“本科+研究生”人才培养为目标，体现必要性、适用性，针对海洋地质专业学生所学部分知识无法真实观察及体验的问题，定制研发虚拟仿真内容，以虚补实。

（3）创新多样的教学方法。利用各种可提升教学效果的方式方法，如互动体验式、探究式等，倡导学生进行自主式、体验式、探究式学习。

（4）先进可靠的实验研发技术。结合学科特点和教学目标，利用虚拟仿真技术研发三维可交互、三维可视化的教学资源，帮助学生理解和掌握那些靠传统教学难以讲明白的知识点。

3 实验室教学平台建设内容

海洋地质教学平台建设主要针对海洋科学、海洋资源与环境（海洋地质资源方向）专业进行，包括教学资源建设、教学终端建设、教学资源管理平台建设和教学环境平台建设四方面内容。

3.1 教学资源建设

教学资源建设是指以下四个方面的建设：海上三维可视化水平井地质导向模拟仿真展示系统（见图1）、海洋陆架含油气系统演化及油气运移过程仿真模拟（见图2）、海洋陆架地质地层构造变形数值仿真模拟（见图3）和深海三维可视化天然气水合物模拟开采仿真教学实验（见图4）。这些建设内容将用于“海洋 地质”“海洋地质资源”“海上油气地质”“油气测井及地下地质分析”等实验课程，满足海洋科学、海洋地质与资源等方向的实践教学。

图1 海上三维可视化水平井地质导向模拟仿真展示系统

图2 海洋陆架含油气系统演化及油气运移过程仿真模拟

图3 海洋陆架地质地层构造变形数值仿真模拟

图4 深海三维可视化天然气水合物模拟开采仿真教学实验

3.2 教学终端建设

虚拟实验是基于虚拟环境、虚拟仪器、虚拟物料等要素设计实验任务的，可以通过鼠标、键盘等操作实验要素进行模拟实验。我们采用三维互动、三维漫游、三维动画及平面元素等来构建虚拟仿真实验教学内容。系统具有碰撞检测功能，可实现多参数调节、非线性实时处理等操作。通过软件实现了每个实验课程的三维模型及三维动画原理仿真模拟，以丰富的可操作性交互仿真模拟实验的诸多内容，如对于难以观察到的天然气水合物，学生可以通过虚拟仿真软件进行观察，还可以通过其微观结构和全球分布情况的三维模拟作进一步探究，也可以通过软件交互模拟操作天然气水合物的整个开采流程。定制开发软件可以清晰展示三维模型场景及可交互操作界面，通过三维动画、三维模型、交互操作等可视化的形式，对每个知识点进行情景再现，使所涉及的教学知识点具象化，提高学生兴趣，弥补现有教学条件的不足，提高学生学习效果和教师教学效果。

3.3 教学资源管理平台建设

平台所存储的数据不涉及学生学籍等重要信息，信息系统安全等级保护暂定为一级。服务器硬件部署在实验室核心机房，有专人管理，符合物理安全要求。网络和应用层由学校信息中心负责维护，符合相关要求。数据采取定期备份方式以保证数据安全，整体符合信息系统安全等级保护要求。

3.4 教学环境平台建设

实验室应可容纳多人同时上课，并且具有展示功能。教学资源展示中心一期建设已基本完成并可投入日常教学使用，后续将逐步完成信息化升级，提升教学资源展示中心的整体信息化管理水平，提升对实验教学资源的管理水平，实现更流畅的信息共享，完善整体教学效果。另外，可对平台建设的载体实验室进行改造，除了满足日常教学需求外增加虚拟现实演示环境，为探究性实验提供更自然的交互体验。

4 结语

海洋地质专业虚拟仿真实验教学平台的建设，突破了传统海洋地质实验教学地域、空间和实验装备等多方面制约，建立起生动、三维立体、互动的信息化教学新模式，激发了学生的实验兴趣，提高了实验教学效果，使教学观念从以“教师为中心”变为以“学生为中心”，实行了个性化教学、合作化教学，推进了实验教学信息化建设，推动了实验教学的改革与创新。