地质类理论课程教学中虚拟仿真技术的应用

高成 刘明忱 郭向国 籍进柱 孙辉

摘 要：目前理论课不能走出课堂，必须在室内进行，同时地学课程又是一门以地球为研究对象，对地球复杂问题进行研究的课程。故在地质类课程的课堂理论教学内引进一种新的教学技术，通过对地表进行重构，仅在普通教室，不使用VR眼镜就能在大屏幕上生成地表形态和景观信息，使学生能够直观地观察地质体或地质现象，从而使理论教学中加入野外实践才能观察到的信息，提高教学质量。

关键词：地质类课程；理论课程教学；虚拟仿真；地表重构

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是通过计算机进行虚拟环境的模拟，从而依靠特殊的显示设备给人以环境沉浸的体验感。随着科学技术的不断发展，VR技术也取得了巨大进步，同时VR技术也在地学类专业中的应用取得了极大的进展。目前，该技术主要被应用到野外实习、实验课、博物馆和理论授课当中。在野外实习中，VR技术主要用在搭建野外实习的辅助平台，通过使用三维地理信息技术、无人机三维倾斜测量技术、LBS空间定位技术结合已存在的实习基地及其地质资料来模拟实习场所与实习环境［15］。在实验课和博物馆中，VR技术的使用方式比较相似，主要用于模拟地下的地层构造关系或者地质演化变化过程，并通过VR眼镜来进行观察［69］。在理论课中，VR也是主要用来模拟地下的构造或者地球的演化规律，并通过屏幕来播放动画，使学生有一个更直观的印象［10］。基于前人的主要工作，本文主要探讨如何将三维地表建模和VR技术结合起来在理论课中进行应用。

三维虚拟现实就是将三维动画与VR技术相结合，三维动画与VR技术都是新型数字化技术的分支，具有程序化、虚拟化和多样化等特征。三维动画与VR技术能够随着计算机程序开发逐步深入，从而使三维动画与VR技术的社会应用越来越广泛。

一、目前理论教学中存在的问题

地学研究的对象是整个地球，它所用到的各种基础知识包括数学、物理、化学、生物学、地理学，并由此发展出数字地质、地球物理、地球化学、古生物学、地貌学等多个学科方向及课程。面对涉及知识如此复杂而研究对象为地球的学科，最好的教学方法就是走出去，进行野外教学——“广阔天地大有作为”。

野外教学形式必然同课堂教学形式有冲突，目前存在的问题包括：

（一）在课堂上无法见到野外实际情况

目前，教学过程设置相对固定，由于理论课的知识内容只在课堂讲解，

没有走出课堂。虽然有实习，但一般在理论教学完成之后，两者之间存在时间差，有些地质专业学生只是通过文字和图片进行理解，印象和理解程度并不深。地学教学本身应是理论与实践相交叉的过程。理论课和实践（实习）人为地割裂了两者。地学课程不像部分理工科课程，可以将实物模型带到课堂上。即使能在课上使用沙盘模型，一节课内也会用到多种不同类型的沙盘模型。没有实物模型就只能在脑中想象，仅仅通过文字描述并不形象，对于单一图片的构图、比例尺，学生由平面图通过大脑转化为立体图都会产生信息接收的偏差。很多学生可能到大学毕业，部分地质现象都没有见到过，全靠书本上的文字进行理解。

（二）野外安全问题

如果能够进行野外教学，最重要的一个问题就是安全。对于学校和教师而言，学生的安全是重中之重，而野外教学必然要上高山、下河谷、靠近断裂、进森林，这就存在很大的风险。

（三）野外经费问题

经费不足也限制了野外教学的活动范围和教学时间。大多数的学校都不会像“双一流”高校有大量的教学和科研经费，尤其普通学校大学四年的实习经费并不多，经费的多少极大地限制了野外教学实践活动。

（四）野外教学过程的局限性

野外教学也存在着一定的局限性。（1）有些区域是无法到达的，比如可能出现高原反应的高原地带。（2）野外某个局部可能只能显示某一种地质状况，相近的可对比的地质状况可能相离较远无法到达。（3）在野外，人是在地表上行进的，视角相对比较低，无法看到整个地质体的全貌，使用无人机也要有人到达地质目标体附近才能拍摄。

综上所述，我们需要一种能够在教室进行教学，同时能够让学生身临其境的教学工具或教学手段，提高学生对理论的认识与理解。

二、虚拟仿真技术在理论课中使用思路

由于只能在教室内进行授课，为了提高教学质量，就必须给学生制造一个身临其境的环境，来还原野外的真实情况。目前使用的相对比较广泛的方法是使用VR虚拟现实技术，建设虚拟仿真实验室，同时给学生配备VR眼镜来进行观察，由于需要特定的实验教室，还需要VR眼镜，因此实施起来并不方便，难以满足课容量较大时的上课需求。

在不添加任何设备的情况下，能够在普通教室使用的，就是通过VR虚拟现实技术，对地质体或者地质现象进行模拟和重构。多数的地质体和地质现象在野外都是在地表上进行观察的，而且地质类专业中多数的基础理论课都很注重通过地表的形态来阐述地质问题。例如，在“普通地质学”课程中包含了大量地质作用的相关内容，而地貌恰恰是由地质作用所产生的，且有些地质作用会产生特定的地貌；在“构造地质学”课程中，不同的构造会在地表上展示不同地貌，可以通过不同地貌来推断地下的构造；“地貌学”更是研究地表的形态特征，以及地貌的成因和分布的课程。所以在教學中，很多的教学内容都需要对地表进行重构建立虚拟模型。需要注意的一点就是在实际的野外实习时，学生是站在地面上进行观察的，不能观察到整个地质体或者地质现象的全貌，而地表重构之后，则可以设立一个较高的观察视角来摆脱这种束缚，从而从整体上来观察地质体和地质现象，使学生得到一个更为直观和清晰的认识。

进行地表重构的方法很多，一般都是基于高分辨率卫星图像、卫星高程数据、地物影像的时间关系提供数据、通过电磁波场射线追踪、地表贴体网格、人造卫星轨迹的重力场下延拓等地球物理与遥感等方法来进行地表重构。目前比较简单方法就是通过高分辨率的卫星图像和卫星高程数据进行地表建模重构，重现野外地表形态和景观信息。以“普通地质学”课程中《河流及其地质作用》一章的河流峡谷地貌的地表重建为例，使用ASTER GDEM 30M分辨率的卫星高程数据可以构建起伏地形模型，通过河流峡谷地貌的卫星图像（图1），在Unity3D下对得到的地形模型进行渲染，得到河流峡谷地貌的重构效果（图2）。

重构的地表形态依然是静止图像，可以在Unity3D内调整视角，创建活动轨迹，这样就可以产生类似航拍的动态效果，并录制视频。让学生在课堂内可以通过大屏幕观察到整个河流峡谷的全貌，并通过整个视频将河流峡谷中的所有能见到的地质状况和地质知识串联起来，使学生产生身临其境，等同野外实习的感觉。

三、理论课中虚拟仿真技术应用问题的讨论

有了具体的视频，才仅仅具备了上课的基础条件。理论课需要给学生构建具体的知识框架，在学生学习过程中为其明确知识体系。这时候就需要对教学过程重新进行设计和编排，使视频同课程内容有机地结合起来。如果脱离了系统的理论教学，仅通过视频展示知识点，或者随着视频出现什么知识点讲什么知识点，那么这种技术手段就简单地退化为室内实习，没有达到“知识一提一串，书越读越薄”的效果。

在播放视频的过程中，教师要随时针对视频中出现的地质问题或者地质现象暂停视频，同时加入自己的讲解，让学生理解地质问题或者地质现象出现的原因以及涉及的相关知识点。课堂教学始终是以学生接受和理解知识内容，具备分析和解决问题的能力为目标，教师的讲解依然是课堂上的主体，虚拟仿真做出的视频仅是课堂上的工具，一定要分清是讲课为主、视频为辅。加上课程中暂停视频时讲解的时间，整个视频的相关用时可能会达到二三十分钟甚至更长的时间，以涵盖一个章节所对应的教学内容。所以一般视频不易制作得过长，几分钟为益。

在教学过程中可以使用的教学流程包括但不限于以下两种：

（1）先播放视频，让学生在视频中发现问题，然后教师再进行讲解，给学生一种眼见为实的体验。在整个讲解完之后，对整个知识点进行梳理，从而达到知识体系的建立。

（2）先进行理论教学，然后再播放视频，通过视频的播放来印证理论教学的知识内容，加深学生对知识点的理解程度。在视频播放的时候也可以进行多种教学选择。①让学生通过手机来选择看到的地质现象或地质问题，并通过手机来回答问题。②分组进行讨论，视频结束后每组派代表发言，讲解一个在视频中观察到的地质现象或地质问题。③将视频分割，提取知识点所对应的视频片段，然后按照以往的讲授顺序来进行。

两种方法各有利弊，第一种的优点是视频出现在课程刚开始的时候，学生注意力更集中，同时该部分知识内容学生之前没有接触过，对知识内容更好奇、更感兴趣；缺点是学生知识点的接受顺序是按照视频中地质问题的出现顺序来的，视频讲解完后，知识体系需要重新搭建。第二种的优点是在播放视频前学生已经对整个的知识体系有了一定的了解，后面的内容相对更好掌握;缺点是学生的好奇程度和专注力会下降，需要对视频的伴随教学过程进行更好的设计。

四、结论与展望

通过应用虚拟仿真技术的“普通地质学”课程的教学，学生看到视频还是相对比较惊喜。之前有在課堂上插入过视频，但都是从网上下载的，完全能和所有知识点能够对应上的视频很少，基本都是只针对某个知识点。笔者能够感觉到在视频播放的过程中，以及针对视频的讲解中，学生的注意力很专注，对这种新鲜事物有一定的好奇，并且针对视频中的内容有自己的一些想法，反馈较好。

在教学准备和教学过程中也出现了很多问题。主要包括下面几个方面：（1）地表重构需要使用大量计算资源和时间，后期的调试、修饰也需要不少教师长时间通力合作，人力成本偏高。（2）技术方法和教学活动需要有机结合，合理进行教学设计，合理分配各部分的教学时长。

参考文献：

［1］彭余蕙.庐山地理野外实习辅助平台设计［D］.江西师范大学，2019.

［2］郑彦威.北京周口店地区三维地质综合信息平台研发与应用［D］.中国地质大学（北京），2016.

［3］谢磊.虚拟野外地质实习系统设计［D］.西南石油大学，2016.

［4］桑学佳，薛林福，冉祥金，等.基于摄影建模的虚拟野外地质教学系统研究［J］.中国地质教育，2020，29（02）：8387.

［5］王盛年，张鹏，陈

新民.工程地质野外实习虚拟仿真实验教学探索［J］.教育现代化，2019，6（91）：125126.

［6］张宝文，陈达银.虚拟现实互动技术在博物馆中的应用——以长安大学地质博物馆为例［J］.中国地质教育，2021，30（2）：107110.

［7］唐玄，刘飏，熊金玉，等.地下油气形成聚集地质过程虚拟仿真教学实验设计［J］.中国地质教育，2021，30（2）：9699.

［8］谭德军，刘满乾，王勇.720全景技术在地质公园科普中的应用研究［J］.新媒体研究，2020，6（20）：2830.

［9］侯佳鑫.沉浸环境下地下实验室数字模型可视化研究［D］.西南科技大学，2020.

［10］颜丹平，余晓，李涛，等.“地球科学概论”课程三维虚拟现实教学实践与意义［J］.中国地质教育，2020，29（03）：3941.

基金：2021年度内蒙古工业大学教学改革项目“基于地表重构的虚拟现实技术在《普通地质学》课程中的应用”（2021255）；2021年度内蒙古工业大学教学改革项目“结晶学与矿物学课程教学模式改革研究与实践”（2021257）；2021年度吉林大学实验技术项目重点项目“地震勘探仪器设备与采集实验VR演示”（SYXM2021a013）；2022年度内蒙古自然基金面上项目“基于波场能量动态增强的时间域高斯波束偏移研究”（2022MS04009）；2021年度中海石油（中国）有限公司海南分公司横向课题项目“底辟通道区精细速度模拟和地震成像研究”（CCL2021HNFN0250）

作者简介：高成（1986— ），男，汉族，内蒙古包头人，博士，副教授，主要从事地球物理学研究。

*通讯作者：刘明忱（1987— ），男，汉族，吉林长春人，博士，工程师，主要从事地震波传播理论和虚拟仿真技术研究。