王 睿，李 琦，姜正龍，柳長峰

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院，北京 100083）

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息技術(shù)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)和發(fā)展的方向[1-4]。2018 年4 月，教育部《關(guān)于實(shí)施卓越教師培養(yǎng)計(jì)劃2.0 的意見》指出，要充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)等，建設(shè)開發(fā)一批交互性、情境化的教師教育課程資源。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、安全系數(shù)低、效率低下等缺點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加直觀化、系統(tǒng)化。目前，國內(nèi)許多高校圍繞醫(yī)藥工程、化學(xué)化工、環(huán)境工程、土木工程、安全工程等不同專業(yè)積極進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)[5-7]，促進(jìn)了教學(xué)方式創(chuàng)新和教學(xué)方法變革。

海洋地質(zhì)學(xué)是大陸地質(zhì)學(xué)在海洋中的發(fā)展，利用虛擬仿真方法可以真實(shí)地模擬海岸與海底地形地貌、海洋沉積物、海底構(gòu)造、海洋礦產(chǎn)以及海洋地質(zhì)調(diào)查技術(shù)工作的實(shí)施過程。采用虛擬現(xiàn)實(shí)、動(dòng)畫視頻、文字圖片、三維互動(dòng)等多種形式，能夠充分實(shí)現(xiàn)海洋地質(zhì)的三維立體仿真環(huán)境，使學(xué)生在涉海虛擬環(huán)境中開展操作實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

1 海洋地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

海洋地質(zhì)是地質(zhì)學(xué)與海洋學(xué)之間的交叉學(xué)科，從事海洋地質(zhì)研究以及與之相關(guān)的資源勘查工作，需要具備深厚的地質(zhì)學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)及海洋學(xué)基礎(chǔ)理論，同時(shí)又必須掌握海洋、海底和海域沉積盆地地質(zhì)資源的調(diào)查、勘察等的技術(shù)和方法。因此，海洋地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)十分必要[8]。但是一直以來，受地域、空間和實(shí)驗(yàn)裝備等多方面的制約，海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在海洋科學(xué)、海洋地質(zhì)與資源等方向上的實(shí)踐教學(xué)，始終無法面向真正的大海進(jìn)入大洋深處探密。以海洋地質(zhì)調(diào)查為例，由于調(diào)查對象被海水覆蓋，海洋地質(zhì)調(diào)查必須依靠運(yùn)載工具即海上工作平臺（海洋地質(zhì)調(diào)查船），其調(diào)查內(nèi)容、使用的儀器設(shè)備乃至研究方法等也具有鮮明的區(qū)別于陸地地質(zhì)工作的特點(diǎn)[9-10]。因此，在日常教學(xué)過程中，很難像陸地地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)那樣，開展實(shí)地現(xiàn)場教學(xué)，圖片、課件等則很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。

因此，海洋地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)，對于海洋地質(zhì)專業(yè)的發(fā)展具有重要意義。海洋地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)，要以教學(xué)實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有海洋地質(zhì)專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，研發(fā)海洋地質(zhì)專業(yè)類虛擬仿真內(nèi)容，以虛補(bǔ)實(shí)，為實(shí)現(xiàn)海洋地質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)提供有力支撐。

2 實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺建設(shè)思路

總體來說，要立足國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)，以教育部《示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目》精神為指導(dǎo)，堅(jiān)持問題導(dǎo)向和需求導(dǎo)向，緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對海洋科學(xué)高層次人才培養(yǎng)的需求，緊密結(jié)合海洋專業(yè)特色和海洋科學(xué)研究領(lǐng)域最新成果，以學(xué)?！疤厣?精品”的發(fā)展理念及學(xué)科強(qiáng)校戰(zhàn)略為依托，以實(shí)驗(yàn)室開放和共享為宗旨，以“兩創(chuàng)”（創(chuàng)業(yè)精神和創(chuàng)新能力）人才培養(yǎng)為目標(biāo)，圍繞“海洋科學(xué)”“海洋資源與環(huán)境”兩個(gè)專業(yè)，以海洋地質(zhì)學(xué)、海洋礦產(chǎn)資源、海洋環(huán)境與生物、海洋地球物理技術(shù)等學(xué)科為交叉，將海洋地質(zhì)和海洋地質(zhì)資源的實(shí)踐教學(xué)作為一個(gè)整體，采用現(xiàn)代信息技術(shù)，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)為主，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)資源、虛擬實(shí)驗(yàn)資源及配套教學(xué)資源展示平臺的綜合建設(shè)[11-12]。具體應(yīng)體現(xiàn)在以下方面。

（1）以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。從學(xué)生需求出發(fā)，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)際，利用虛擬仿真交互形式調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，注重學(xué)生能力提升及對相關(guān)知識點(diǎn)的理解與掌握。

（2）準(zhǔn)確適宜的教學(xué)內(nèi)容。以問題、需求為導(dǎo)向，以“本科+研究生”人才培養(yǎng)為目標(biāo)，體現(xiàn)必要性、適用性，針對海洋地質(zhì)專業(yè)學(xué)生所學(xué)部分知識無法真實(shí)觀察及體驗(yàn)的問題，定制研發(fā)虛擬仿真內(nèi)容，以虛補(bǔ)實(shí)。

（3）創(chuàng)新多樣的教學(xué)方法。利用各種可提升教學(xué)效果的方式方法，如互動(dòng)體驗(yàn)式、探究式等，倡導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主式、體驗(yàn)式、探究式學(xué)習(xí)。

（4）先進(jìn)可靠的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)。結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，利用虛擬仿真技術(shù)研發(fā)三維可交互、三維可視化的教學(xué)資源，幫助學(xué)生理解和掌握那些靠傳統(tǒng)教學(xué)難以講明白的知識點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺建設(shè)內(nèi)容

海洋地質(zhì)教學(xué)平臺建設(shè)主要針對海洋科學(xué)、海洋資源與環(huán)境（海洋地質(zhì)資源方向）專業(yè)進(jìn)行，包括教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)終端建設(shè)、教學(xué)資源管理平臺建設(shè)和教學(xué)環(huán)境平臺建設(shè)四方面內(nèi)容。

3.1 教學(xué)資源建設(shè)

教學(xué)資源建設(shè)是指以下四個(gè)方面的建設(shè)：海上三維可視化水平井地質(zhì)導(dǎo)向模擬仿真展示系統(tǒng)（見圖1）、海洋陸架含油氣系統(tǒng)演化及油氣運(yùn)移過程仿真模擬（見圖2）、海洋陸架地質(zhì)地層構(gòu)造變形數(shù)值仿真模擬（見圖3）和深海三維可視化天然氣水合物模擬開采仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)（見圖4）。這些建設(shè)內(nèi)容將用于“海洋 地質(zhì)”“海洋地質(zhì)資源”“海上油氣地質(zhì)”“油氣測井及地下地質(zhì)分析”等實(shí)驗(yàn)課程，滿足海洋科學(xué)、海洋地質(zhì)與資源等方向的實(shí)踐教學(xué)。

圖1 海上三維可視化水平井地質(zhì)導(dǎo)向模擬仿真展示系統(tǒng)

圖2 海洋陸架含油氣系統(tǒng)演化及油氣運(yùn)移過程仿真模擬

圖3 海洋陸架地質(zhì)地層構(gòu)造變形數(shù)值仿真模擬

圖4 深海三維可視化天然氣水合物模擬開采仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)

3.2 教學(xué)終端建設(shè)

虛擬實(shí)驗(yàn)是基于虛擬環(huán)境、虛擬儀器、虛擬物料等要素設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的，可以通過鼠標(biāo)、鍵盤等操作實(shí)驗(yàn)要素進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。我們采用三維互動(dòng)、三維漫游、三維動(dòng)畫及平面元素等來構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。系統(tǒng)具有碰撞檢測功能，可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)調(diào)節(jié)、非線性實(shí)時(shí)處理等操作。通過軟件實(shí)現(xiàn)了每個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的三維模型及三維動(dòng)畫原理仿真模擬，以豐富的可操作性交互仿真模擬實(shí)驗(yàn)的諸多內(nèi)容，如對于難以觀察到的天然氣水合物，學(xué)生可以通過虛擬仿真軟件進(jìn)行觀察，還可以通過其微觀結(jié)構(gòu)和全球分布情況的三維模擬作進(jìn)一步探究，也可以通過軟件交互模擬操作天然氣水合物的整個(gè)開采流程。定制開發(fā)軟件可以清晰展示三維模型場景及可交互操作界面，通過三維動(dòng)畫、三維模型、交互操作等可視化的形式，對每個(gè)知識點(diǎn)進(jìn)行情景再現(xiàn)，使所涉及的教學(xué)知識點(diǎn)具象化，提高學(xué)生興趣，彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)條件的不足，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教師教學(xué)效果。

3.3 教學(xué)資源管理平臺建設(shè)

平臺所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不涉及學(xué)生學(xué)籍等重要信息，信息系統(tǒng)安全等級保護(hù)暫定為一級。服務(wù)器硬件部署在實(shí)驗(yàn)室核心機(jī)房，有專人管理，符合物理安全要求。網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層由學(xué)校信息中心負(fù)責(zé)維護(hù)，符合相關(guān)要求。數(shù)據(jù)采取定期備份方式以保證數(shù)據(jù)安全，整體符合信息系統(tǒng)安全等級保護(hù)要求。

3.4 教學(xué)環(huán)境平臺建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室應(yīng)可容納多人同時(shí)上課，并且具有展示功能。教學(xué)資源展示中心一期建設(shè)已基本完成并可投入日常教學(xué)使用，后續(xù)將逐步完成信息化升級，提升教學(xué)資源展示中心的整體信息化管理水平，提升對實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的管理水平，實(shí)現(xiàn)更流暢的信息共享，完善整體教學(xué)效果。另外，可對平臺建設(shè)的載體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造，除了滿足日常教學(xué)需求外增加虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境，為探究性實(shí)驗(yàn)提供更自然的交互體驗(yàn)。

4 結(jié)語

海洋地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)，突破了傳統(tǒng)海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)地域、空間和實(shí)驗(yàn)裝備等多方面制約，建立起生動(dòng)、三維立體、互動(dòng)的信息化教學(xué)新模式，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，使教學(xué)觀念從以“教師為中心”變?yōu)橐浴皩W(xué)生為中心”，實(shí)行了個(gè)性化教學(xué)、合作化教學(xué)，推進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。