向世明，王傳雷，張學(xué)強

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074

計算機(jī)虛擬技術(shù)在物探仿真實驗教學(xué)中的應(yīng)用及教學(xué)實踐

向世明，王傳雷，張學(xué)強

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074

由于物探儀器價位普遍昂貴，受教育經(jīng)費的限制，相關(guān)專業(yè)難以做到配備與學(xué)生人數(shù)相適應(yīng)的儀器，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生的實驗和實習(xí)需求。這一狀況不僅影響教學(xué)，而且還影響了學(xué)生對儀器的操控能力，不利于學(xué)生實踐能力的提高。我們運用虛擬技術(shù)和計算機(jī)編程，完成了物探儀器仿真模擬操作訓(xùn)練軟件系統(tǒng)。該軟件具有逼真的界面和實驗過程，試驗的可操作性強，實現(xiàn)了可視化的實時交互，可以脫離物探儀器實體進(jìn)行儀器的操作訓(xùn)練。這一研究為虛擬技術(shù)在計算機(jī)輔助地質(zhì)教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用做出了有益的嘗試。

計算機(jī)虛擬技術(shù)；計算機(jī)輔助教學(xué)；物探儀器；仿真實驗

計算機(jī)仿真技術(shù)是一門利用計算機(jī)軟件模擬實際環(huán)境進(jìn)行科學(xué)實驗的技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)、可靠、實用、安全、靈活、可多次重復(fù)使用的優(yōu)點，已經(jīng)成為對許多復(fù)雜系統(tǒng)(工程的、非工程的)進(jìn)行分析、設(shè)計、試驗、評估的必不可少的手段。隨著計算機(jī)硬件平臺的不斷普及，由計算機(jī)仿真技術(shù)開發(fā)的仿真模擬實驗軟件作為突破物質(zhì)條件限制的補充教學(xué)手段，將會進(jìn)入到許多高校的物探教學(xué)實習(xí)中。

一、當(dāng)前物探實習(xí)教學(xué)中遇到的困難

地球物理的許多工作都是對儀器的操作，地下地質(zhì)體的發(fā)現(xiàn)、反演和正演都必須以儀器的操作為基礎(chǔ)，并受儀器的檢驗。對于高等學(xué)校的學(xué)生來說，能有充足的時間、空間和必要的設(shè)備在課內(nèi)外進(jìn)行各種類別、層次的物探儀器教學(xué)實習(xí)，對將來從事物探工作的能力培養(yǎng)非常有利。但是大量的學(xué)生給物探儀器的教學(xué)實習(xí)質(zhì)量不斷帶來壓力，或因?qū)嶒炇覉龅氐南拗?，或因?qū)嶒瀮x器短缺，很多院校的物探教學(xué)實習(xí)捉襟見肘，甚至多個學(xué)生只能分配到一套儀器，大大影響了教學(xué)效果。而現(xiàn)有的物探儀器更新速度較慢，“超齡服役”的儀器占有相當(dāng)比例，這些老設(shè)備普遍存在不同程度的耗損，學(xué)生在實驗時經(jīng)常出問題。定期更新老舊設(shè)施或者添加新的項目則需要強大的財力支撐。尤其一些是物探儀器設(shè)備價格昂貴，除了少量財力雄厚的高校，鮮有大量配置，即使勉強開設(shè)了一些實習(xí)項目，多數(shù)學(xué)生也沒有機(jī)會深入研究相關(guān)實習(xí)內(nèi)容。另外，很少有學(xué)校的實習(xí)基地能夠長時間對學(xué)生開放，這就凸顯出學(xué)生實習(xí)時間不充裕，實習(xí)儀器短缺的問題。學(xué)生在排定的實習(xí)期內(nèi)才有可能進(jìn)實習(xí)站，實習(xí)期本來很短，還需要花費一定的時間熟悉、調(diào)整實習(xí)儀器，因而實驗匆忙，難以在短時間內(nèi)對實習(xí)儀器原理、使用方法、實驗設(shè)計方案進(jìn)行消化，對實驗中遇到的問題也沒有機(jī)會深入研究。

二、仿真實驗軟件的功能特點

開展真實的物探教學(xué)實習(xí)遇到的客觀困難，短時間內(nèi)無法有效解決，于是我們將對硬件依賴較小的仿真物理實驗作為替代方案逐漸在物探實習(xí)教學(xué)中占據(jù)一席之地。近幾年來，隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是計算機(jī)的普及，仿真實驗才真正得到了推廣發(fā)展的機(jī)遇。我校地空學(xué)院支持開發(fā)的仿真物探儀器實習(xí)系統(tǒng)，在物探儀器教學(xué)實習(xí)中得到了廣泛的應(yīng)用，師生反應(yīng)良好。這套實驗系統(tǒng)包括近6個仿真實驗內(nèi)容（圖1、圖2），從磁力儀到重、磁、電、震、測井的常見儀器實習(xí)，涵蓋了應(yīng)用地球物理學(xué)的各個層面。最新開發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)版軟件可以支持學(xué)生通過連接互聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)登錄服務(wù)器后進(jìn)行實驗的操作，并且集成了討論區(qū)、資料下載、在線提交實驗報告乃至學(xué)生信息管理等功能。每項具體實驗的內(nèi)容也非常豐富，實驗前可選擇查看圖文并茂的實驗原理、實驗步驟、注意事項（圖3），學(xué)生可以對照著儀器邊看邊學(xué)。預(yù)習(xí)完畢還有一些與實驗相關(guān)的練習(xí)題供學(xué)生自測能力。開始實驗時還配有語音指導(dǎo)和提示。可以利用鼠標(biāo)按鍵對仿真儀器進(jìn)行各種調(diào)節(jié)。需要記錄儀器數(shù)據(jù)也非常方便，只需按一個按鈕將測量結(jié)果導(dǎo)入電子表格內(nèi)，甚至可以自動讀數(shù)并進(jìn)行記錄處理，生成圖或線。仿真實驗解決了實驗室?guī)熧Y與學(xué)生規(guī)模失調(diào)的問題。提供給了學(xué)生充足的實驗時間。仿真實驗不受實驗課時的限制，只要仿真實驗服務(wù)器在運行，學(xué)生可在任何配有計算機(jī)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的地方，學(xué)生不論什么時間、什么地點，都可以進(jìn)行實驗。仿真實驗可操作性強、重復(fù)性好。實驗軟件運行結(jié)果穩(wěn)定，與實驗次數(shù)無關(guān)，而真實實驗則受到天氣、地形和時間等因素的影響。隨著儀器使用時間的增長，性能就會衰退，靈敏度會下降，會造成實驗結(jié)果偏差越來越大，增加了學(xué)生的挫折感。仿真實驗可以很好地解決這些問題而且避免了一些實驗帶來的安全風(fēng)險。一些實驗如果操作不當(dāng)可能會造成重大損失，而仿真實驗則完全沒有這方面的擔(dān)憂。

三、仿真實驗與真實實驗的有機(jī)結(jié)合

在實踐中我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)該著重把仿真實驗作為預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)實驗的途徑，而主要的學(xué)習(xí)過程還是采用傳統(tǒng)的實驗室教學(xué)效果較好。這樣學(xué)生在進(jìn)行實習(xí)前，通過仿真實驗預(yù)演，已經(jīng)可以對實驗的過程步驟、儀器的外觀結(jié)構(gòu)有了一定層次的了解，防止盲目操作損壞設(shè)備。教師在實驗課上就可以把教學(xué)重點放在實驗技巧、實驗現(xiàn)象和實驗意義等較高層次的知識面上。而課后學(xué)生也可以利用仿真實驗軟件進(jìn)一步領(lǐng)悟所學(xué)知識，有時間補充測量額外的數(shù)據(jù)，加以分析，加深對實驗的理解。

圖1 GSM-19T 磁力儀仿真軟件界面

圖2 CG-5 磁力儀仿真軟件界面

圖3 VB調(diào)用WORD

四、結(jié)束語

由于仿真模擬軟件的實時交互、人機(jī)互動功能明顯優(yōu)越，以及物探專業(yè)對計算機(jī)的依賴，使得仿真模擬軟件可以和一些物探數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)合，這就給仿真軟件在物探教學(xué)中的應(yīng)用增加了有利條件。而各種虛擬技術(shù)在仿真軟件的運用，更增加了仿真教學(xué)系統(tǒng)的可操作性以及和真實場景高度模擬。仿真物探儀器實習(xí)系統(tǒng)在實際應(yīng)用中得到了學(xué)生和老師的一致好評，取得了良好的教學(xué)效果，為輔助地質(zhì)教學(xué)做出了突出的貢獻(xiàn)。

[1]徐瑋瑋.仿真實驗在教學(xué)中的應(yīng)用及其意義[J].科技信息，2009，（34）：352-353.

[2]龔小剛.計算機(jī)仿真技術(shù)及其應(yīng)用[J].硅谷，2008，(16)：69.

Virtual Computer Simulation Technology in the Teaching of Geophysical Applications and Teaching Practice

XIANG Shi-ming, WANG Chuan-lei, ZHANG Xue-qiang
China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

Generally expensive price of geophysical equipment, limited funds for education, relevant specialties in universities are difficult to achieve the number of basic con figuration corresponding to the number of students. Instrument con figuration can not meet the students' experiments requirement, which not only affects teaching, but also affects students'ability to control the instrument, thus not conducive to improving students' practical abilities. The authors use virtual technology and computer programming to complete a simulative training software for geophysical instrument operation. This paper describes the software interface, which has a realistic experiment, and can implement a real-time interactive visualization, which can carry out geophysical instrument operation training.This study is a good attempt for virtual technology to be used in computer-aided geological field.

computer virtualization; computer-aided teaching; geophysical equipment; simulation experiment

G642

A

1006-9372 （2011）04-0048-03

2011-09-11。

向世明，男，2009級本科生，應(yīng)用地球物理學(xué)專業(yè)。