海洋地球科学虚拟仿真实验教学系统建设及应用

林 霖,刘 明,韩宗珠,徐秀刚

(中国海洋大学 海洋地球科学学院，山东 青岛 266100)

0 引 言

实践教学是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，是培养具有创新意识和实践能力的高素质人才的重要环节，也是满足当前社会对人才知识结构需求的重要手段[1]。对于海洋地球科学相关专业来说，实践教学更是本科教学体系的重要组成部分。但是由于教学体系不完善、教学设施不健全，尤其对于一些成本高、周期长，不可逆等实践教学难以开展，只能“纸上谈兵”，难以达到理想的教学效果[2-4]。

随着信息化技术的不断发展和深入，教育信息化受到了国家的高度重视，教育部提出开展建设虚拟仿真实验教学建设具有重大意义[5]。2013年起教育部在全国启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，极大地推动了实验教学示范中心内涵建设的提升和可持续发展[6]。虚拟实验室的概念是1989年由美国弗吉尼亚大学William Wolf提出的， 是除理论与实验之外的第3种设计手段和形式[7]。实验者可以模拟真实实验环境，完成各种预定的实验项目，能够获得直观真实的实验效果，展现不可视的结构或原理，从而快速响应教学实验的需求。虚拟实验具有成本低、效率高、可扩展性强、操作安全、高度开放和资源共享等特点。虚拟仿真实验教学有利于培养学生自我训练及创新意识，实现实验教学中虚实互补，因而成为目前实验室建设的一个重要发展方向[8-10]。

根据海洋地球科学实践教学的需要，我校海洋地球科学学院利用虚拟现实、人机交互等信息化手段，构建了海洋地球科学虚拟仿真实验教学体系，建设了海洋地球科学虚拟仿真实验教学共享平台，并于2015年教育部批准为海洋地球科学国家级虚拟仿真实验教学中心。这一体系的应用，很好地弥补了真实实验的不足，拓展了实验教学内容，扩大了大型仪器设备对本科教学的开放[11-12]，同时也使学生足不出户就能完成相关实验的学习和操作，使得昂贵的、不可逆实验以及微观实验等的实践教学，实现了理论教学和真正野外实践教学的良好衔接和过渡。虚拟仿真教学打破时间与空间的限制，使得难以实现的实验教学变得简单、直观而且切实可行[13-14]，且实验绿色、安全，可以任意进行探索性操作[15]，取得了良好的教学效果。

1 海洋地球科学虚拟仿真教学系统建设思路

我校海洋地球科学学院目前拥有包括地质学(海洋地质方向)、勘查技术与工程(海洋地球物理方向)、地球信息科学与技术(地球信息科学与技术和海洋测绘与地理信息系统两个方向)等3个本科专业，3个专业的人才培养均有显著的海洋特色。目前在实践教学中存在着如下问题：①实验空间条件有限，海上实践教学存在风险；②教学成本高，部分实验内容在真实实验平台难以开展、不可逆、周期长等；③微观、抽象的实验难以让学生达到全面的认识等。上述问题导致实践教学难以全面开展，基于现有的条件难以达到理想的教学效果。

针对以上问题，学院按照“立足专业教学、注重学科交叉、突出海洋特色、着眼学科发展”的建设思路，以全面提升学生的创新精神和实践能力为目标，利用虚拟现实、人机交互等信息化技术，以拓展实践教学领域、丰富实践教学内容、开展绿色实验教学为目的，遵循虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，结合学院教学与科研成果，构建海洋地球科学虚拟仿真实验教学体系，建设海洋地球科学虚拟仿真实验教学共享平台。

2 海洋地球科学虚拟仿真教学平台资源简介

通过自主研发、联合攻关、持续投入等方式，利用虚拟现实、多媒体交互、Web、3D可视化等信息化技术，构建了结构化、系统化、高度仿真的虚拟实验环境和实验教学资源。现有虚拟实验教学中，包括高成本、高消耗的实验项目，如各种海底探测设备的虚拟操作实验；真实实验平台难以开展、不可逆、周期长的实验项目，如海底热液、冷泉的观测实验；以及虚实结合、相互补充的实验项目，如虚拟野外实习、结晶学与矿物学虚拟实验等。这些虚拟实验的开展很好地弥补了真实实验的不足。目前该体系包含了海底探测技术、地球科学野外实习、特色课程实验等3个虚拟仿真实验教学平台，共15个虚拟仿真实验教学模块(见图1)。

图1 海洋地球科学虚拟仿真实验教学体系图

(1) 海底探测技术虚拟仿真实验平台。该虚拟仿真实验平台包含单波束水深测量、多波束水深测量、侧扫声呐海底地貌探测、浅地层探测、海洋地震勘探等数10年快速发展起来的探测海底信息的技术。主要针对海洋特色海底探测技术课程，使学生能够在学习和掌握了海底声波探测技术的原理、方法与流程之后，通过本虚拟仿真实验系统了解和掌握海底声波探测技术的设备选型、作业流程、关键技术和质量控制方法。

该虚拟仿真实验系统采用三维动画、Flash等虚拟仿真技术完整地模拟讲解了海底声波探测技术的原理、设备组成与安装、海上测量的作业流程、关键环节和影响因素等(见图2)，并通过互动环节让学生能够仿真模拟海底探测的实验过程，达到虚拟实验教学的目的。

(2) 特色课程虚拟仿真实验平台——结晶学与矿物学为例。结晶学及矿物学课程是地质专业重要的专业基础课。通过本课程的学习，让学生掌握晶体宏观形态对称和晶体结构对称的基本概念、基本知识和基本理论；掌握矿物的化学成分、晶体形态、物理性质及地质成因条件的基本知识，以及鉴定和研究矿物的基本技能和方法；掌握常见矿物的鉴定特征；了解一些矿物的主要用途。

该课程是地质学等相关专业比较难的一门专业基础课。主要表现在①空间性、抽象性强。特别是结晶学部分，晶体的形态、对称、宏观与微观的对应等内容都要求较强的空间想象力、逻辑推导能力。②实践性强。晶体对称的空间概念需要通过实践中形象可视的晶体模型来建立；矿物的各种物理现象需要通过实践中对具体矿物标本的观察来认识。因此，将该课程中需要动画演示的部分内容运用到虚拟仿真课件中(见图3)，借助于课件，通过形象直观的模型来认识抽象的、理性的空间概念，收到了很好的效果。该课件既可供教师上课使用，也可供学生课后自学。

图2 海底探测技术虚拟仿真实验平台部分功能展示图

图3 结晶学及矿物学虚拟实验教学系统典型界面

(3) 野外实习基地虚拟仿真教学平台。为培养具有高专业素质的海洋地球科学人才，近年来，中心已经建立了比较完善的山东栖霞桃村实习基地、安徽巢湖实习基地、辽宁兴城地质实习基地和山东半岛沿岸海洋地质实习基地，基本满足了我校海洋地球科学相关本科专业的野外实践教学要求。

与此同时，在地质野外实习基地的建设中也遇到了一些新问题，主要表现在实习学生人数逐年增多，带队教师人数相对不足，专业学时数减少，实习地质露头人为破坏，教学效果难以有效保证等。另一方面，在信息化与全球化趋势下，学生希望了解的信息越来越多，传统的地质野外教学模式在满足学生全面了解实习区内容和满足地质学专业学生实习前对实习的好奇心上显得力不从心。随着现代通信技术和计算机技术的发展，实习虚拟基地-教学网站成为解决这一问题的有效方法。

“虚拟野外地质实习基地”可为学生和教师提供一个仿真环境，在该环境中学生可以开展进行“如何做”的实践活动，营造针对上述特点的互动的三维虚拟野外地质教学环境。通过网络开放，相关院校师生可以共同使用，实现教学资源共享。虚拟实践教学不受时间、地点等条件的限制，突破了以往野外地质实践教学只能在野外进行的传统观念，拓展了野外地质实践教学模式和方法。这对改变传统野外地质实习教学模式，加快地质学教育的信息化步伐、提高教学效果和效率具有重要意义。以山东烟台桃村、安徽巢湖实习基地作为试点，利用网络平台，初步建立教学实习虚拟基地，在不断完善的基础上，逐步推广到其他实习基地。

山东栖霞桃村地质认识野外教学实习基地(见图4)是我院重要实习基地之一，经过我校几代人的多年建设, 已取得了显著成效。本次实习应对普通地质学室内教学中的基本理论、基础知识和基本技能，在理论联系实际的野外实践中加以巩固提高，并通过现场教学活动完成在室内不宜进行的教学内容。本次实习的要求是：必须使学生了解促成矿物岩石，地层构造、矿产形成、发展演化的地质作用及其相互关系，进一步理解其中某些基本理论和基本概念，掌握有关的基础知识，并初步学会观察记录描述一些常见地质现象的方法。

图4 山东桃村地质认识实习可视化典型界面

3 成果特色及创新

(1) 立足海洋学科优势，创建虚拟仿真实验教学体系。以海底探测和海洋地质调查为主要教学内容，重点开发高成本、高消耗的实验项目，如各种海底探测设备的虚拟操作实验；真实实验平台难以开展、不可逆、周期长的实验项目，如海底观测平台的投放与回收实验，海底热液、冷泉的观测实验。同时适当增加虚实结合、相互补充的实验项目，如地质学和地球物理学野外地质实习、结晶学与矿物学等。这些虚拟实验的开展很好地弥补了真实实验的不足，丰富了各专业教学内容，形成了较为完整的海洋地球科学虚拟仿真实验教学体系。

(2) 立足科研优势、以研促教，保障中心高水平可持续健康发展。海洋地球科学学院教师承担了大量的国家“973”“863”“908”、国家重大自然科学基金、面上基金项目和青年基金项目、大洋协会专项、国家科技重大专项、新世纪优秀人才专项和省部级科研课题，涉及大量海洋调查和海洋地质物理综合研究。通过将科研成果应用于虚拟仿真教学资源，有效地保证了教学资源的先进性，从而更好地培养与时俱进、具备较强实践能力与创新意识的人才。学院雄厚的科研力量为中心的虚拟仿真实验教学提供了坚实的技术支撑，保障了中心高水平、可持续健康发展。

(3) 以学生为中心，寓知识传授、实践能力培养、综合素质提高于一体，学生创新成果突出。虚拟仿真实验作为真实实验的有效补充，确保实验教学的高效进行，极大地提高了学生对知识的掌握水平，增强了学生的实践能力与创新意识，取得了丰硕的实验教学成果。近年来，毕业学生的就业率、在各类技能竞赛中获奖数量、大学生创新训练计划项目和校本科生科技发展计划项目数量等均有显著提高。

(4) 自主研发虚拟仿真软件，提高了实验室建设水平。在研制仿真软件的过程中，通过学生的毕业设计，推出了一批研究创新性实验项目，提高了学生创新意识与动手能力。中心还依据多年海洋地球科学仿真开发的实践经验，形成了完整的海上实验教学平台、野外实践教学平台和室内专业基础课程虚拟仿真实验教学平台，学生在校内即可实现对海上调查的过程和野外实习基地教学路线和教学内容的观察掌握，众多学生参与了这些软件的研制，使他们的利用计算机进行工程设计计算的技能得到了很大提高，促使学生的创新意识、动手能力和综合专业素质得到提高。

4 结 语

虚拟仿真实验教学建设工作顺应了高等教育的发展趋势，是高等学校实验教学信息化的最新举措，必将对我国高等教育质量的提高产生积极重要的作用[16-17]。近年来，不断加强高新技术和创新实验教学方法的应用在培养创新人才的重要作用，以培育地学创新人才为目标，立足海洋地球科学的学科优势与特色，构建了虚拟仿真实验教学体系，在海上调查实践和野外地质实践项目建设方面彰显了学院的办学特色和优势，对地学专业人才的培养发挥了重要作用。在教学手段上，以新技术促进实验教学方法的提升，在教学改革的实践中，海洋地球科学虚拟仿真实验教学中心教学理念先进，实验教学系统性强，改革思路清晰，围绕素质教育，构建了系统完整的实验教学体系。坚持教学与科研相结合，形成了实验教学与科研训练紧密结合、交叉进行、互相支持的新格局。