虚拟仿真技术在空间科学实验教学中的应用

于向前， 郭艳军， 张 媛

（北京大学a.地球与空间科学学院，地球科学国家级实验教学示范中心，地球科学国家级虚拟仿真实验教学中心；b.实验设备部，北京100871）

0 引 言

信息技术尤其是虚拟仿真技术的迅猛发展对传统的空间科学实验教学模式产生了巨大影响。虚拟仿真技术以其低成本、可重复性、可视化的特征，成为一种非常适合应用在空间科学实验教学中的技术手段。虚拟仿真技术在空间科学实验教学中的应用适应新时代高等教育资源共享、开放办学的变革要求，为学生开展创新性学习和自主实验提供了先进的技术手段［1-3］。

虚拟仿真教学是目前国际先进的教学模式和教学理念，它应用虚拟现实技术为学生提供一个生动、逼真、可视化和可互动性的学习和实验环境，成为国内外近些年来的发展趋势和研究热点之一［4-9］。国内高校也出现了比较先进的虚拟仿真实验案例。例如，“地球科学国家级虚拟仿真实验教学中心”，该中心深耕于地球科学领域某几个方面开展研究［1］。作为“北京大学地球科学国家级虚拟仿真实验教学中心”重要的组成部分，空间科学虚拟仿真实验教学也构建了空间科学虚拟仿真教学体系。空间科学实验教学中的许多内容是“不可视”或者“不可及”的，虚拟仿真技术可以构建出逼真的实验环境，实现虚实有机结合，为实验教学提供全新的教学方法［1］。

1 虚拟仿真技术在空间科学实验教学中应用的必要性

空间科学是一门综合性很强的学科，其实验教学的内容主要涉及的领域包括太阳物理、行星际空间、磁层物理、电离层物理、行星物理和空间探测技术。空间科学内容抽象，覆盖的空间区域和时间尺度都很大，大部分实验教学在现实环境中都无法实现和重现。虚拟仿真技术可以使空间科学实验教学中抽象的内容具体化，并涵盖其包含的空间区域和时间尺度，成为一种非常必要应用在空间科学实验教学中的技术手段。

（1）空间科学相关物理现象一般都具有较大的空间尺度和时间尺度。所涉及的空间物理过程在空间和时间上跨度都很大，空间上可以小到几十km，大到整个宇宙空间，时间上可以小到秒量级，大到亿年的时间尺度。巨大的空间和时间尺度已经远远超出人类可直接感知的范围。在目前人类的技术条件下，很多空间物理过程在空间和时间尺度上在真实实验环境中都是“不可及”或者“不可视”的［10-15］。传统的空间科学理论教学和单纯的外场观测实验或者地面模拟实验都无法实现空间物理过程的再现与分析。将虚拟仿真技术应用于空间科学实验教学，构建虚拟空间实验系统，可以使学生对整个空间系统内部若干物理过程进行重复性的观察和模拟，可大大提高学生这些空间物理过程的认识，从而提高教学效率［3］。例如，对于一个太阳系尺度上的太阳风与行星际磁场的相互作用的空间物理过程，可以基于目前人类的认识，设定若干关键的区域和时间节点，为学生直观的呈现出这一现象产生、发展和结束的全过程。学生还可以通过调节太阳风模型的参数或者行星际磁场的模型参数来改变这一物理现象的发展路径和方向，可能会得到完全不同的结果，这样可以加深学生对这一空间物理过程的认识和理解。

（2）空间科学除了研究对象的空间尺度和时间尺度跨度大之外，还会涉及一些抽象的物理过程，例如星球磁场和电场等空间物理场的分布，带电粒子在磁层中的捕获和逃逸过程，带电粒子与卫星及其部件的相互作用过程即空间环境效应等等。这些抽象的空间物理过程，通过传统的课堂讲授是很难理解的，但是可以通过“虚拟仿真技术”和“地面空间模拟实验”相结合来完美地解决这一难题。通过“虚拟仿真技术”让学生了解这些空间物理现象，使抽象的空间物理过程形象化、可视化，再通过“地面空间模拟实验”，例如真空舱系统、高性能电子源、离子源系统和空间磁场模拟探测系统，加深并强化学生对这些空间物理现象及其效果的理解和认识。

（3）传统的空间科学实验教学主要以教师讲授和演示为主。受空间和时间上的限制，教师往往不能完整地展示整个空间物理过程和现象。利用虚拟仿真技术进行空间科学实验教学，可以使学生在虚拟空间环境下进行空间科学实验和数据观测，既可以根据既定实验方案进行练习，还可以验证自己的假象，进行参数和某些实验条件的反复变化，从而得到不同的实验结果，而不必考虑实验危险或实验耗材费用。虚拟现实技术还可以把空间科学中的理论教学部分转化为丰富的动手实践活动，提高学生学习兴趣，更好地实现实践教学功能，建立更加完善的空间科学实验教学体系。

（4）信息技术的发展大大改进了空间科学研究方法和手段。高校培养的空间科学领域人才也需要顺应这一趋势和潮流。空间科学领域学生不仅能使用计算机查阅文献和撰写报告，还能主动应用信息技术来发现和解决空间科学领域的问题。而将虚拟仿真技术应用于空间科学实验教学，充分实现空间科学和信息技术的有机融合，是培养学生信息化能力的最佳途径。

2 空间科学虚拟仿真教学建设内容

空间科学虚拟仿真实验教学实现了真实实验难以完成或不具备的教学功能，在存在“不可及”的操作，高成本、高消耗等情况时，提供了可靠、和低成本的实验项目。空间科学虚拟仿真实验教学需要建设以下几个方面的内容：

（1）构建空间科学虚拟仿真实验教学系统。根据空间科学实验教学的学科特色，将空间科学虚拟仿真实验教学划分为全虚型（大时间空间尺度等）和虚实结合型（可以用地面磁场探测系统、真空仓系统、电子源和离子源系统等来模拟部分空间环境和物理过程）进行实验课程方案设计。

（2）开发空间科学实验教学虚拟仿真教学案例。根据空间科学实验教学的学科特点，空间科学虚拟仿真实验教学可选择虚拟仿真技术包括沉浸式虚拟仿真技术和增强现实技术。应用虚拟仿真技术，结合空间科学课程教学内容，设计若干案例，例如，通过虚拟仿真技术构建地球磁层的形成过程及带电粒子在磁层中的捕获和逃逸过程；再例如，通过粒子与物质的相互作用软件GEANT4模拟空间粒子与卫星及其部件的相互作用，即空间环境效应，然后通过地面的高性能电子源和离子源系统开展地面模拟实验，虚实相结合。

随着科学技术和信息技术的发展，国外已经出现了一些新的空间科学实验教学理念，可以引进这些教学理念，结合我国空间科学实验教学的实际情况，开展空间科学实验教学改革。例如，美国华盛顿大学，在大三或者大四的时候开设《走向太空》课程，该课程有5个学分，由2个教授和4～5位工程师或者助教组成教师团队。课程分为理论部分和实验部分，理论教学部分与实验教学部分的课时数各占一半。理论教学包括科学部分和工程部分，科学部分由1名教授讲述从太阳到地球空间的基础知识，包括空间环境组成及其动力学过程，工程部分由1名教授讲述传感器技术、电路技术和通信等相关知识。实验教学部分以一次热气球空间探测计划为主线，主要由助教和工程师负责。将学生分成5～6个团队，每个团队4～5人。每个团队负责一个空间探测项目，例如太阳X射线、温度等随地球高度的变化。每个团队从制定科学探测目标开始，制定探测方案，电路设计，电路PCB布线，电路调试，最后还要经过工程化，做电路的各种高低温试验，以便使研制的仪器能够适应高空的低温环境。最后将各个团队研制的空间探测器放置在热气球上进行空间探测计划。另外，还要对热气球上的仪器进行回收，提取科实验数据，进行分析。该课程很好地模拟了一个空间探测计划的全过程，为学生未来从事空间科学研究打下了坚实的基础。

（3）建设空间科学虚拟仿真仪器。空间探测技术是空间科学领域非常重要的组成部分，它是空间科学研究的基础，是获取空间科学数据最重要和最直接的手段。了解并熟悉空间探测仪器是培养空间科学领域复合型人才的重要组成部分。目前高校用于空间探测教学实验的设备存在设备贵、数量少、运行成本高等问题，例如一套空间粒子辐射探测器系统高达上百万，目前国内高校限于财力无法大规模开展。在这种情况下，很难达到每一个学生都能亲自操作的需求，在多数情况下只能通过演示实验进行了解，造成学生学习兴趣低下、学习效果不佳等后果。而空间探测虚拟仿真仪器系统可重复使用，可大大节约实验环节的教学经费，解决空间探测仪器的稀少、昂贵和学生需求之间的矛盾［16］。另外，大型空间探测教学实验仪器的操作需要一定的原理知识和工程经验，否则容易造成这些设备的损坏。因此需要学生事先对空间探测虚拟仿真仪器系统进行学习和模拟操作，构建虚拟的实验对象，同时独立设计实验方案，调整各种实验参数。学生在对空间探测虚拟仿真仪器进行模拟实验时，也需要对设备原理和应用环境进行分析，可满足学生从理论到实践的学习要求［4］。此外，学生可通过动手操作，更直观地了解空间探测仪器的结构组成、工作原理，为更好地进行实验奠定基础。然后在现实实验室中进行观摩实验，虚实有机结合，提高学习效果。

（4）实践空间科学虚拟仿真实验教学案例。空间科学虚拟仿真实验教学案例应该建立一个完善的“使用—评价—反馈—改进—再使用”机制。让参与实验的教师和学生对实验案例进行实际使用和评价。根据评价结果、实际教学效果来改进和调整实验案例。

3 空间科学虚拟仿真教学实例

作为“北京大学地球科学国家级虚拟仿真实验教学中心”重要的组成部分，空间科学虚拟仿真实验教学构建了空间科学虚拟仿真教学体系，该教学体系已经被应用到以实验为主的课程《空间探测信息可视化处理》中。该实验教学案例将“虚拟仿真技术”和“地面空间模拟实验”有机结合在一起，较好地实现了空间科学教学实验虚实相结合。该教学体系首先通过“虚拟太阳系与空间探测课堂”让学生对整个空间科学的研究对象—太阳系以及其探测技术有一个整体和形象认识，同时让学生了解一些重要的空间物理现象和过程，例如地球磁层形成过程及卫星运行轨道和空间探测等。第2步通过粒子与物质的相互作用仿真软件GEANT4模拟空间粒子辐射探测器探测空间粒子的过程以及卫星及其部件受到粒子作用产生空间环境效应的过程，使学生们对空间粒子探测技术和空间环境效应有一个整体和形象的学习和认识。第3步利用高性能电子源、离子源系统，配合真空舱系统，构建“地面空间模拟实验”，开展地面空间粒子探测技术和空间环境效应模拟实验；利用空间磁场探测实验室的“零磁”空间和空间磁场产生和探测系统，开展地面模拟空间磁场的分布及其探测原理和过程。整个空间科学虚拟仿真教学体系，虚实有机结合，加深并强化了学生对空间科学所学知识及其效果的理解和认识。表1为空间科学虚拟仿真实验教学部分案例设计。

以表1中实验1的“地球磁层形成过程及空间探测计划仿真试验”为例进行讲解。

地球磁层是指在太阳风和行星际磁场的作用下，地球原来磁场的磁力线被压缩在一个有限的空间，位于地球周围、被太阳风和行星际磁场包围并受地磁场控制的等离子体区域。图1所示为磁层结构的二维结构示意图。

磁层中还存在着高能带电粒子，其相对密度较大的聚集区域称为地球辐射带。地球辐射带分为内辐射带（核心在1～2Re）和外辐射带（核心在3～4Re）。内辐射带主要由能量为几～几十MeV的高能质子组成，外辐射带主要由能量为几十～几百keV的高能电子组成。辐射带高能粒子的通量较大，是引起航天器的一些材料、器件和人体辐射损伤的主要原因。带电粒子在磁层中主要由3种运动：环绕磁力线的回旋运动，南北极之间的弹跳运动和沿赤道方向漂移运动，如图2所示。

表1 北京大学空间科学虚拟仿真实验教学部分案例

图1 地球磁层结构

图2 带电粒子在磁层中的3种运动

磁场与带电粒子的相互作用是磁层中最重要的物理过程。目前针对地球磁层有很多探测计划。现模拟运行于地球同步轨道（GEO）和太阳同步轨道（SSO）的卫星，卫星上携带磁场探测器和高能粒子辐射探测器，对磁层中的磁场和带电粒子进行探测，如图3所示。

图3 针对地球磁层的探测卫星

该实验仿真教学案例可以帮助学生更好地理解各种空间物理和空间探测现象，主要包括：

（1）卫星在轨运行的各个轨道（例如地球同步轨道GEO和太阳同步轨道SSO轨道）以及其轨道的带电粒子和磁场等物理场的特征；

（2）太阳风与地球磁场的相互作用过程即地球磁层的形成过程；

（3）带电粒子在地球磁层中的三种运动过程以及其在地球磁层中被捕获和逃逸的过程；

（4）卫星上的带电粒子探测器和磁场探测器安装位置和朝向对粒子探测和磁场探测数据的影响。

4 结 语

信息技术尤其是虚拟仿真技术的迅猛发展对传统的空间科学实验教学方式方法产生了巨大的影响。将虚拟仿真技术应用于空间科学实验教学是空间科学教学的重要发展方向之一。从事空间科学的教师应该充分发挥聪明才智，通过建立空间科学虚拟仿真实验和实际的空间科学地面模拟实验来模拟空间科学的现象、过程，虚实有机结合。不断提升空间科学专业学生的实践与创新能力，必将开创现代空间科学实验教学的新未来。

感谢2019年春季学期选修《空间探测信息可视化处理》的同学们为本文提供了图片。