高成 劉明忱 郭向國 籍進柱 孫輝

摘?要：目前理論課不能走出課堂，必須在室內(nèi)進行，同時地學課程又是一門以地球為研究對象，對地球復(fù)雜問題進行研究的課程。故在地質(zhì)類課程的課堂理論教學內(nèi)引進一種新的教學技術(shù)，通過對地表進行重構(gòu)，僅在普通教室，不使用VR眼鏡就能在大屏幕上生成地表形態(tài)和景觀信息，使學生能夠直觀地觀察地質(zhì)體或地質(zhì)現(xiàn)象，從而使理論教學中加入野外實踐才能觀察到的信息，提高教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)類課程；理論課程教學；虛擬仿真；地表重構(gòu)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual?Reality，VR）是通過計算機進行虛擬環(huán)境的模擬，從而依靠特殊的顯示設(shè)備給人以環(huán)境沉浸的體驗感。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，VR技術(shù)也取得了巨大進步，同時VR技術(shù)也在地學類專業(yè)中的應(yīng)用取得了極大的進展。目前，該技術(shù)主要被應(yīng)用到野外實習、實驗課、博物館和理論授課當中。在野外實習中，VR技術(shù)主要用在搭建野外實習的輔助平臺，通過使用三維地理信息技術(shù)、無人機三維傾斜測量技術(shù)、LBS空間定位技術(shù)結(jié)合已存在的實習基地及其地質(zhì)資料來模擬實習場所與實習環(huán)境［15］。在實驗課和博物館中，VR技術(shù)的使用方式比較相似，主要用于模擬地下的地層構(gòu)造關(guān)系或者地質(zhì)演化變化過程，并通過VR眼鏡來進行觀察［69］。在理論課中，VR也是主要用來模擬地下的構(gòu)造或者地球的演化規(guī)律，并通過屏幕來播放動畫，使學生有一個更直觀的印象［10］。基于前人的主要工作，本文主要探討如何將三維地表建模和VR技術(shù)結(jié)合起來在理論課中進行應(yīng)用。

三維虛擬現(xiàn)實就是將三維動畫與VR技術(shù)相結(jié)合，三維動畫與VR技術(shù)都是新型數(shù)字化技術(shù)的分支，具有程序化、虛擬化和多樣化等特征。三維動畫與VR技術(shù)能夠隨著計算機程序開發(fā)逐步深入，從而使三維動畫與VR技術(shù)的社會應(yīng)用越來越廣泛。

一、目前理論教學中存在的問題

地學研究的對象是整個地球，它所用到的各種基礎(chǔ)知識包括數(shù)學、物理、化學、生物學、地理學，并由此發(fā)展出數(shù)字地質(zhì)、地球物理、地球化學、古生物學、地貌學等多個學科方向及課程。面對涉及知識如此復(fù)雜而研究對象為地球的學科，最好的教學方法就是走出去，進行野外教學——“廣闊天地大有作為”。

野外教學形式必然同課堂教學形式有沖突，目前存在的問題包括：

（一）在課堂上無法見到野外實際情況

目前，教學過程設(shè)置相對固定，由于理論課的知識內(nèi)容只在課堂講解，

沒有走出課堂。雖然有實習，但一般在理論教學完成之后，兩者之間存在時間差，有些地質(zhì)專業(yè)學生只是通過文字和圖片進行理解，印象和理解程度并不深。地學教學本身應(yīng)是理論與實踐相交叉的過程。理論課和實踐（實習）人為地割裂了兩者。地學課程不像部分理工科課程，可以將實物模型帶到課堂上。即使能在課上使用沙盤模型，一節(jié)課內(nèi)也會用到多種不同類型的沙盤模型。沒有實物模型就只能在腦中想象，僅僅通過文字描述并不形象，對于單一圖片的構(gòu)圖、比例尺，學生由平面圖通過大腦轉(zhuǎn)化為立體圖都會產(chǎn)生信息接收的偏差。很多學生可能到大學畢業(yè)，部分地質(zhì)現(xiàn)象都沒有見到過，全靠書本上的文字進行理解。

（二）野外安全問題

如果能夠進行野外教學，最重要的一個問題就是安全。對于學校和教師而言，學生的安全是重中之重，而野外教學必然要上高山、下河谷、靠近斷裂、進森林，這就存在很大的風險。

（三）野外經(jīng)費問題

經(jīng)費不足也限制了野外教學的活動范圍和教學時間。大多數(shù)的學校都不會像“雙一流”高校有大量的教學和科研經(jīng)費，尤其普通學校大學四年的實習經(jīng)費并不多，經(jīng)費的多少極大地限制了野外教學實踐活動。

（四）野外教學過程的局限性

野外教學也存在著一定的局限性。（1）有些區(qū)域是無法到達的，比如可能出現(xiàn)高原反應(yīng)的高原地帶。（2）野外某個局部可能只能顯示某一種地質(zhì)狀況，相近的可對比的地質(zhì)狀況可能相離較遠無法到達。（3）在野外，人是在地表上行進的，視角相對比較低，無法看到整個地質(zhì)體的全貌，使用無人機也要有人到達地質(zhì)目標體附近才能拍攝。

綜上所述，我們需要一種能夠在教室進行教學，同時能夠讓學生身臨其境的教學工具或教學手段，提高學生對理論的認識與理解。

二、虛擬仿真技術(shù)在理論課中使用思路

由于只能在教室內(nèi)進行授課，為了提高教學質(zhì)量，就必須給學生制造一個身臨其境的環(huán)境，來還原野外的真實情況。目前使用的相對比較廣泛的方法是使用VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建設(shè)虛擬仿真實驗室，同時給學生配備VR眼鏡來進行觀察，由于需要特定的實驗教室，還需要VR眼鏡，因此實施起來并不方便，難以滿足課容量較大時的上課需求。

在不添加任何設(shè)備的情況下，能夠在普通教室使用的，就是通過VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對地質(zhì)體或者地質(zhì)現(xiàn)象進行模擬和重構(gòu)。多數(shù)的地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象在野外都是在地表上進行觀察的，而且地質(zhì)類專業(yè)中多數(shù)的基礎(chǔ)理論課都很注重通過地表的形態(tài)來闡述地質(zhì)問題。例如，在“普通地質(zhì)學”課程中包含了大量地質(zhì)作用的相關(guān)內(nèi)容，而地貌恰恰是由地質(zhì)作用所產(chǎn)生的，且有些地質(zhì)作用會產(chǎn)生特定的地貌；在“構(gòu)造地質(zhì)學”課程中，不同的構(gòu)造會在地表上展示不同地貌，可以通過不同地貌來推斷地下的構(gòu)造；“地貌學”更是研究地表的形態(tài)特征，以及地貌的成因和分布的課程。所以在教學中，很多的教學內(nèi)容都需要對地表進行重構(gòu)建立虛擬模型。需要注意的一點就是在實際的野外實習時，學生是站在地面上進行觀察的，不能觀察到整個地質(zhì)體或者地質(zhì)現(xiàn)象的全貌，而地表重構(gòu)之后，則可以設(shè)立一個較高的觀察視角來擺脫這種束縛，從而從整體上來觀察地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象，使學生得到一個更為直觀和清晰的認識。

進行地表重構(gòu)的方法很多，一般都是基于高分辨率衛(wèi)星圖像、衛(wèi)星高程數(shù)據(jù)、地物影像的時間關(guān)系提供數(shù)據(jù)、通過電磁波場射線追蹤、地表貼體網(wǎng)格、人造衛(wèi)星軌跡的重力場下延拓等地球物理與遙感等方法來進行地表重構(gòu)。目前比較簡單方法就是通過高分辨率的衛(wèi)星圖像和衛(wèi)星高程數(shù)據(jù)進行地表建模重構(gòu)，重現(xiàn)野外地表形態(tài)和景觀信息。以“普通地質(zhì)學”課程中《河流及其地質(zhì)作用》一章的河流峽谷地貌的地表重建為例，使用ASTER?GDEM?30M分辨率的衛(wèi)星高程數(shù)據(jù)可以構(gòu)建起伏地形模型，通過河流峽谷地貌的衛(wèi)星圖像（圖1），在Unity3D下對得到的地形模型進行渲染，得到河流峽谷地貌的重構(gòu)效果（圖2）。

重構(gòu)的地表形態(tài)依然是靜止圖像，可以在Unity3D內(nèi)調(diào)整視角，創(chuàng)建活動軌跡，這樣就可以產(chǎn)生類似航拍的動態(tài)效果，并錄制視頻。讓學生在課堂內(nèi)可以通過大屏幕觀察到整個河流峽谷的全貌，并通過整個視頻將河流峽谷中的所有能見到的地質(zhì)狀況和地質(zhì)知識串聯(lián)起來，使學生產(chǎn)生身臨其境，等同野外實習的感覺。

三、理論課中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用問題的討論

有了具體的視頻，才僅僅具備了上課的基礎(chǔ)條件。理論課需要給學生構(gòu)建具體的知識框架，在學生學習過程中為其明確知識體系。這時候就需要對教學過程重新進行設(shè)計和編排，使視頻同課程內(nèi)容有機地結(jié)合起來。如果脫離了系統(tǒng)的理論教學，僅通過視頻展示知識點，或者隨著視頻出現(xiàn)什么知識點講什么知識點，那么這種技術(shù)手段就簡單地退化為室內(nèi)實習，沒有達到“知識一提一串，書越讀越薄”的效果。

在播放視頻的過程中，教師要隨時針對視頻中出現(xiàn)的地質(zhì)問題或者地質(zhì)現(xiàn)象暫停視頻，同時加入自己的講解，讓學生理解地質(zhì)問題或者地質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因以及涉及的相關(guān)知識點。課堂教學始終是以學生接受和理解知識內(nèi)容，具備分析和解決問題的能力為目標，教師的講解依然是課堂上的主體，虛擬仿真做出的視頻僅是課堂上的工具，一定要分清是講課為主、視頻為輔。加上課程中暫停視頻時講解的時間，整個視頻的相關(guān)用時可能會達到二三十分鐘甚至更長的時間，以涵蓋一個章節(jié)所對應(yīng)的教學內(nèi)容。所以一般視頻不易制作得過長，幾分鐘為益。

在教學過程中可以使用的教學流程包括但不限于以下兩種：

（1）先播放視頻，讓學生在視頻中發(fā)現(xiàn)問題，然后教師再進行講解，給學生一種眼見為實的體驗。在整個講解完之后，對整個知識點進行梳理，從而達到知識體系的建立。

（2）先進行理論教學，然后再播放視頻，通過視頻的播放來印證理論教學的知識內(nèi)容，加深學生對知識點的理解程度。在視頻播放的時候也可以進行多種教學選擇。①讓學生通過手機來選擇看到的地質(zhì)現(xiàn)象或地質(zhì)問題，并通過手機來回答問題。②分組進行討論，視頻結(jié)束后每組派代表發(fā)言，講解一個在視頻中觀察到的地質(zhì)現(xiàn)象或地質(zhì)問題。③將視頻分割，提取知識點所對應(yīng)的視頻片段，然后按照以往的講授順序來進行。

兩種方法各有利弊，第一種的優(yōu)點是視頻出現(xiàn)在課程剛開始的時候，學生注意力更集中，同時該部分知識內(nèi)容學生之前沒有接觸過，對知識內(nèi)容更好奇、更感興趣；缺點是學生知識點的接受順序是按照視頻中地質(zhì)問題的出現(xiàn)順序來的，視頻講解完后，知識體系需要重新搭建。第二種的優(yōu)點是在播放視頻前學生已經(jīng)對整個的知識體系有了一定的了解，后面的內(nèi)容相對更好掌握;缺點是學生的好奇程度和專注力會下降，需要對視頻的伴隨教學過程進行更好的設(shè)計。

四、結(jié)論與展望

通過應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的“普通地質(zhì)學”課程的教學，學生看到視頻還是相對比較驚喜。之前有在課堂上插入過視頻，但都是從網(wǎng)上下載的，完全能和所有知識點能夠?qū)?yīng)上的視頻很少，基本都是只針對某個知識點。筆者能夠感覺到在視頻播放的過程中，以及針對視頻的講解中，學生的注意力很專注，對這種新鮮事物有一定的好奇，并且針對視頻中的內(nèi)容有自己的一些想法，反饋較好。

在教學準備和教學過程中也出現(xiàn)了很多問題。主要包括下面幾個方面：（1）地表重構(gòu)需要使用大量計算資源和時間，后期的調(diào)試、修飾也需要不少教師長時間通力合作，人力成本偏高。（2）技術(shù)方法和教學活動需要有機結(jié)合，合理進行教學設(shè)計，合理分配各部分的教學時長。

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作者簡介：高成（1986—?），男，漢族，內(nèi)蒙古包頭人，博士，副教授，主要從事地球物理學研究。

*通訊作者：劉明忱（1987—?），男，漢族，吉林長春人，博士，工程師，主要從事地震波傳播理論和虛擬仿真技術(shù)研究。