王海超

摘 要：文章分析了虛擬現實技術在普通地質學教學中的應用優(yōu)勢，并從實踐教學的具體案例出發(fā)，討論了虛擬現實技術是如何通過視覺、聽覺上的實時交互來促進學生對課程知識的理解，提高學生的學習興趣，并最終提升普通地質學的實踐教學效果的。

關鍵詞：普通地質學；虛擬現實技術；實踐教學；實時交互；學習效率

中圖分類號：G642.3；P54 文獻標識碼：A 收稿日期：2019-10-12 文章編號：1674-120X（2020）14-0045-02

一、引言

普通地質學是地礦類學科的專業(yè)基礎課程，是資源勘查工程、地質工程、地球物理、地球化學、水文與水資源工程等專業(yè)學生進行專業(yè)課學習的基礎，屬于必修課程。普通地質學課程內容豐富，信息量大，覆蓋面廣，其研究內容主要包括地球的物質組成、結構構造、地球的形成與演化歷史、地球表層的各種作用、各種現象及其成因等，學好普通地質學對人們利用各類資源、抵御自然災害、保障生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等具有非常重要的意義。

隨著行業(yè)發(fā)展，用人單位對學生的技術要求也不斷提高。如何有效地啟蒙學生，讓學生完成各項能力目標、知識目標、素質目標，以及讓學生學有所得、得有所用成了教師教學的重點。此外，教師還要激發(fā)學生的專業(yè)興趣，提高學生解決問題的能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

理論與實踐相結合是提高學生學習普通地質學效果的最有效策略。雖然大自然是最好的實驗室、實訓室，但由于部分野外學習內容限制因素較多，如巖漿活動、板塊運動、地震現象、動物活動等，其發(fā)生受不定時間、不定空間的限制，且部分地質現象極具危險性，導致意圖通過野外實踐來升華學生對該部分內容理論知識理解的可能性幾乎為零。虛擬現實（VR）技術是對無法開展野外實踐活動的內容進行補充的非常有效的手段，即利用現代化手段復現或模擬仿真野外的自然場景，能促使課程教學質量最優(yōu)化、學生興趣最大化、知識掌握最大化。

二、虛擬現實技術背景

虛擬現實（Virtual Reality）技術，簡稱VR，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。

虛擬現實技術具有多感知性、存在感、交互性、自主性的特征。在現代科技的發(fā)展下，此技術在軍事、旅游、建筑等領域被廣泛應用；并且隨著其基礎構建逐步完善，在教育、科研領域也有了很多應用。

三、虛擬現實技術在普通地質學中的應用優(yōu)勢

普通地質學的研究對象為大自然，因此最好的教學模式應以大自然為講臺，由教師引導、講解，學生探究、實驗、實訓。地質事件的發(fā)生具有超大的時間、空間跨度，虛擬現實技術可以有效地降低地質教學的時空局限性，其應用于普通地質學教學的具體優(yōu)勢如下：

（1）不受時間、空間、資金、危險因素等限制。虛擬現實技術讓學生在三維立體的虛擬環(huán)境中短時間地、近距離地、逼真地體驗和感受現代或地質歷史時期的地貌奇觀以及地質歷史時期發(fā)生的地質現象（可以是一個固定環(huán)境或是一個連續(xù)的場景），這將使教學過程更為直觀，降低學生學習較為抽象內容（如板塊運動等）的難度，激發(fā)學生的學習興趣。

（2）可以實現同時期、多場景復現，便于對比學習。利用計算機、傳感器將地質現象、地質剖面根據用戶需求瞬時復現多個觸手可及的三維環(huán)境，能刺激學生感官，幫助學生對比學習，極大地提高其學習效率。

（3）人機交互，可實現超真實模擬地質作業(yè)。借助三維建模逼真地模擬地上、地下環(huán)境，讓學生能夠進行模擬實訓。例如，通過對某地區(qū)大量地質數據進行分析，來確定其地質構造、繪制地質圖、建立三維地質模型等。超真實模擬地質作業(yè)能幫助學生提高學習的主觀能動性，養(yǎng)成協作探索的習慣，從而解決實際問題。

（4）學習時間靈活。在虛擬現實基礎設施構建完備的情況下，教師可通過網絡平臺獲取普通地質學虛擬現實技術的相關數據，并將獲得的數據虛擬復建地質模型，給學生提供能夠實時交互操作的機會，讓學生隨時隨地能夠“身臨其境”。

四、虛擬現實技術在普通地質學中的應用案例分析

（1）針對普通地質學教學過程中巖漿作用不具備實踐條件這一難點，傳統的教學方法是利用資料視頻、照片或人工繪制動畫、圖片進行講解。由于巖漿作用的發(fā)生伴隨著較大危險性，因此實況記錄視頻較少，多為地表遠景資料，它可以展示巖漿作用的地下情況，但缺乏生動性?；趯Υ罅繋r漿活動相關資料的整理，建立巖漿形成、運動、冷凝成巖的地學模型，并體現巖漿作用與地震、海嘯等地質災害之間的可能關系，并通過虛擬現實技術有效地解決傳統教學方法下巖漿作用教學效果的不足，能讓學生在虛擬現實環(huán)境中近距離觀察、感受巖漿的形成、運動、冷凝成巖的過程，并與巖漿作用環(huán)境實現交互，將大大調動學生的感官，從而提高教學效果。

（2）在普通地質學的教學過程中，學生對地震波縱波、橫波、面波特點難以直觀領會?，F代地震預警系統利用地震波與無線電波傳播的速度差，能提前若干秒在破壞性地震波到達之前給預警目標發(fā)出警告，即準確估計震級、震中位置及快速估計地震對預警目標的影響，以減少地震災害造成的一系列傷亡及財產損失。地震波縱波、橫波、面波這一內容的學習在普通地質學中十分重要，但由于地震波并非實體，因此學習內容較為抽象。地震這一地質事件的發(fā)生具有危險性、瞬時性及空間不確定性等特點，進行野外實踐的可能性為零，故傳統的教學方法多為利用二維圖片或視頻進行講授。

傳統教學模式無法充分調動學生的感官、使學生切身地感受地震發(fā)生的全過程，進而無法理解各種波的特點，難以順利完成教學目標。虛擬現實技術可以在保障學生安全的前提下模擬地震發(fā)生的全過程，借助必要的設備（如VR眼鏡等）能使學生切身體會到地震預警的必要性，并有意識地主動學習地震過程中各種波的特點；虛擬現實技術不僅可以模擬或虛擬復現地震的發(fā)生，還可以同時在三維空間中標注各種無形的波，讓學生能夠清楚、直觀地辨析各種波的特點及其造成的危害，大大地提高了教學效率。

（3）在普通地質學教學過程中，“褶皺的判識”是教學難點之一，研究褶皺類型及其形成年代對了解、確定地球變形性質，推斷原始地層構造，對尋找油氣、礦產資源，確保工程質量等都具有非常重要的意義，是學生需要重點學習和掌握的知識點。由于地殼運動或地表剝蝕作用，使褶皺出現了一些表觀“假”顯示，這些“假”顯示使地質初學者非常容易誤判，因此判識褶皺也是學生學習的難點。

基于傳統教學方法，要在4～6課時內完成褶皺的野外準確辨別是較為困難的，有限區(qū)域的野外實訓、褶皺類型案例的不足會導致學生學習效果欠佳。利用虛擬現實技術對實踐教學進行補充是非常有效且可行的方案，實施過程如下：虛擬現實技術可以短時間內在三維空間里展示更多褶皺類型，甚至對地下部分也可以模擬復現，這一點對學生理解褶皺的特殊情況（如單斜山、單面山、豬背嶺等）的形成非常有利?；谔摂M現實技術的地質環(huán)境復現辨識練習，配合學生野外實訓，可在短期內達到更好的教學效果。

（4）在普通地質學教學過程中的地層接觸關系類型及判別為另一難點，其中假整合接觸、不整合接觸關系形成過程較為復雜，要求學生準確判斷各侵入接觸形成的先后關系及年代亦較為不易。地層接觸關系的形成過程較為漫長，部分地層由于地殼運動被抬升至地表，地層被剝蝕后又發(fā)生沉積覆蓋，在教學過程中動畫演示可以促進學生對各種接觸關系的形成過程進行快速的理解，但是對實際復雜的地質情況，簡單動畫所能提供的信息是遠遠不夠的。

虛擬現實技術可以復現有代表性的地質區(qū)域，模擬地質剖面并形成動畫演示，其人機交互功能可以使學生在三維模擬環(huán)境中調取該地翔實的地質資料，學生可在學習過程中完成模擬，并判別各地層接觸關系且推斷地質年代，模擬實訓結果可記入數據庫，方便師生互評。虛擬現實技術可對普通地質學教學中不便實訓的環(huán)節(jié)進行模擬實訓，實現教、學、做一體化，以提高學生解決實際問題的能力。

五、結語

虛擬現實技術目前已在多個領域取得了較為廣泛的應用，基于近年來國家虛擬仿真實踐教學項目的推動，我國已在生物、醫(yī)藥、環(huán)境、農業(yè)、機械、采礦等多個領域取得了初步應用成果。將虛擬現實技術應用于普通地質學的教學中，具有較強的可操作性和實踐意義。

虛擬現實技術應用于普通地質學的教學過程，首先，需要大量的前期數據整理和建模工作；其次，需要進行較為完善的硬件設備配置，包括體感控制器、3D視覺系統等，因此硬件投資和后期維護成本較高。

從地質學領域課程教學方法看，未來虛擬現實和增強現實技術還具有非常廣闊的應用空間，借助虛擬現實技術可以非常直觀地展現各類地質過程，并與學生產生雙向互動，是激發(fā)學生學習興趣、提升學生學習效率的有效手段。

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