王海超

摘 要：文章分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在普通地質(zhì)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并從實(shí)踐教學(xué)的具體案例出發(fā)，討論了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是如何通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)上的實(shí)時(shí)交互來(lái)促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并最終提升普通地質(zhì)學(xué)的實(shí)踐教學(xué)效果的。

關(guān)鍵詞：普通地質(zhì)學(xué)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)；實(shí)時(shí)交互；學(xué)習(xí)效率

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3；P54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 收稿日期：2019-10-12 文章編號(hào)：1674-120X（2020）14-0045-02

一、引言

普通地質(zhì)學(xué)是地礦類(lèi)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，是資源勘查工程、地質(zhì)工程、地球物理、地球化學(xué)、水文與水資源工程等專(zhuān)業(yè)學(xué)生進(jìn)行專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，屬于必修課程。普通地質(zhì)學(xué)課程內(nèi)容豐富，信息量大，覆蓋面廣，其研究?jī)?nèi)容主要包括地球的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地球的形成與演化歷史、地球表層的各種作用、各種現(xiàn)象及其成因等，學(xué)好普通地質(zhì)學(xué)對(duì)人們利用各類(lèi)資源、抵御自然災(zāi)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(duì)學(xué)生的技術(shù)要求也不斷提高。如何有效地啟蒙學(xué)生，讓學(xué)生完成各項(xiàng)能力目標(biāo)、知識(shí)目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)，以及讓學(xué)生學(xué)有所得、得有所用成了教師教學(xué)的重點(diǎn)。此外，教師還要激發(fā)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)興趣，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

理論與實(shí)踐相結(jié)合是提高學(xué)生學(xué)習(xí)普通地質(zhì)學(xué)效果的最有效策略。雖然大自然是最好的實(shí)驗(yàn)室、實(shí)訓(xùn)室，但由于部分野外學(xué)習(xí)內(nèi)容限制因素較多，如巖漿活動(dòng)、板塊運(yùn)動(dòng)、地震現(xiàn)象、動(dòng)物活動(dòng)等，其發(fā)生受不定時(shí)間、不定空間的限制，且部分地質(zhì)現(xiàn)象極具危險(xiǎn)性，導(dǎo)致意圖通過(guò)野外實(shí)踐來(lái)升華學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容理論知識(shí)理解的可能性幾乎為零。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)是對(duì)無(wú)法開(kāi)展野外實(shí)踐活動(dòng)的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充的非常有效的手段，即利用現(xiàn)代化手段復(fù)現(xiàn)或模擬仿真野外的自然場(chǎng)景，能促使課程教學(xué)質(zhì)量最優(yōu)化、學(xué)生興趣最大化、知識(shí)掌握最大化。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)背景

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)VR，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶(hù)沉浸到該環(huán)境中。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多感知性、存在感、交互性、自主性的特征。在現(xiàn)代科技的發(fā)展下，此技術(shù)在軍事、旅游、建筑等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用；并且隨著其基礎(chǔ)構(gòu)建逐步完善，在教育、科研領(lǐng)域也有了很多應(yīng)用。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在普通地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

普通地質(zhì)學(xué)的研究對(duì)象為大自然，因此最好的教學(xué)模式應(yīng)以大自然為講臺(tái)，由教師引導(dǎo)、講解，學(xué)生探究、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)。地質(zhì)事件的發(fā)生具有超大的時(shí)間、空間跨度，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以有效地降低地質(zhì)教學(xué)的時(shí)空局限性，其應(yīng)用于普通地質(zhì)學(xué)教學(xué)的具體優(yōu)勢(shì)如下：

（1）不受時(shí)間、空間、資金、危險(xiǎn)因素等限制。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓學(xué)生在三維立體的虛擬環(huán)境中短時(shí)間地、近距離地、逼真地體驗(yàn)和感受現(xiàn)代或地質(zhì)歷史時(shí)期的地貌奇觀以及地質(zhì)歷史時(shí)期發(fā)生的地質(zhì)現(xiàn)象（可以是一個(gè)固定環(huán)境或是一個(gè)連續(xù)的場(chǎng)景），這將使教學(xué)過(guò)程更為直觀，降低學(xué)生學(xué)習(xí)較為抽象內(nèi)容（如板塊運(yùn)動(dòng)等）的難度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)期、多場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)，便于對(duì)比學(xué)習(xí)。利用計(jì)算機(jī)、傳感器將地質(zhì)現(xiàn)象、地質(zhì)剖面根據(jù)用戶(hù)需求瞬時(shí)復(fù)現(xiàn)多個(gè)觸手可及的三維環(huán)境，能刺激學(xué)生感官，幫助學(xué)生對(duì)比學(xué)習(xí)，極大地提高其學(xué)習(xí)效率。

（3）人機(jī)交互，可實(shí)現(xiàn)超真實(shí)模擬地質(zhì)作業(yè)。借助三維建模逼真地模擬地上、地下環(huán)境，讓學(xué)生能夠進(jìn)行模擬實(shí)訓(xùn)。例如，通過(guò)對(duì)某地區(qū)大量地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來(lái)確定其地質(zhì)構(gòu)造、繪制地質(zhì)圖、建立三維地質(zhì)模型等。超真實(shí)模擬地質(zhì)作業(yè)能幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，養(yǎng)成協(xié)作探索的習(xí)慣，從而解決實(shí)際問(wèn)題。

（4）學(xué)習(xí)時(shí)間靈活。在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建完備的情況下，教師可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)獲取普通地質(zhì)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將獲得的數(shù)據(jù)虛擬復(fù)建地質(zhì)模型，給學(xué)生提供能夠?qū)崟r(shí)交互操作的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生隨時(shí)隨地能夠“身臨其境”。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在普通地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用案例分析

（1）針對(duì)普通地質(zhì)學(xué)教學(xué)過(guò)程中巖漿作用不具備實(shí)踐條件這一難點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是利用資料視頻、照片或人工繪制動(dòng)畫(huà)、圖片進(jìn)行講解。由于巖漿作用的發(fā)生伴隨著較大危險(xiǎn)性，因此實(shí)況記錄視頻較少，多為地表遠(yuǎn)景資料，它可以展示巖漿作用的地下情況，但缺乏生動(dòng)性?；趯?duì)大量巖漿活動(dòng)相關(guān)資料的整理，建立巖漿形成、運(yùn)動(dòng)、冷凝成巖的地學(xué)模型，并體現(xiàn)巖漿作用與地震、海嘯等地質(zhì)災(zāi)害之間的可能關(guān)系，并通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有效地解決傳統(tǒng)教學(xué)方法下巖漿作用教學(xué)效果的不足，能讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中近距離觀察、感受巖漿的形成、運(yùn)動(dòng)、冷凝成巖的過(guò)程，并與巖漿作用環(huán)境實(shí)現(xiàn)交互，將大大調(diào)動(dòng)學(xué)生的感官，從而提高教學(xué)效果。

（2）在普通地質(zhì)學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)地震波縱波、橫波、面波特點(diǎn)難以直觀領(lǐng)會(huì)?，F(xiàn)代地震預(yù)警系統(tǒng)利用地震波與無(wú)線電波傳播的速度差，能提前若干秒在破壞性地震波到達(dá)之前給預(yù)警目標(biāo)發(fā)出警告，即準(zhǔn)確估計(jì)震級(jí)、震中位置及快速估計(jì)地震對(duì)預(yù)警目標(biāo)的影響，以減少地震災(zāi)害造成的一系列傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。地震波縱波、橫波、面波這一內(nèi)容的學(xué)習(xí)在普通地質(zhì)學(xué)中十分重要，但由于地震波并非實(shí)體，因此學(xué)習(xí)內(nèi)容較為抽象。地震這一地質(zhì)事件的發(fā)生具有危險(xiǎn)性、瞬時(shí)性及空間不確定性等特點(diǎn)，進(jìn)行野外實(shí)踐的可能性為零，故傳統(tǒng)的教學(xué)方法多為利用二維圖片或視頻進(jìn)行講授。

傳統(tǒng)教學(xué)模式無(wú)法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的感官、使學(xué)生切身地感受地震發(fā)生的全過(guò)程，進(jìn)而無(wú)法理解各種波的特點(diǎn)，難以順利完成教學(xué)目標(biāo)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在保障學(xué)生安全的前提下模擬地震發(fā)生的全過(guò)程，借助必要的設(shè)備（如VR眼鏡等）能使學(xué)生切身體會(huì)到地震預(yù)警的必要性，并有意識(shí)地主動(dòng)學(xué)習(xí)地震過(guò)程中各種波的特點(diǎn)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以模擬或虛擬復(fù)現(xiàn)地震的發(fā)生，還可以同時(shí)在三維空間中標(biāo)注各種無(wú)形的波，讓學(xué)生能夠清楚、直觀地辨析各種波的特點(diǎn)及其造成的危害，大大地提高了教學(xué)效率。

（3）在普通地質(zhì)學(xué)教學(xué)過(guò)程中，“褶皺的判識(shí)”是教學(xué)難點(diǎn)之一，研究褶皺類(lèi)型及其形成年代對(duì)了解、確定地球變形性質(zhì)，推斷原始地層構(gòu)造，對(duì)尋找油氣、礦產(chǎn)資源，確保工程質(zhì)量等都具有非常重要的意義，是學(xué)生需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)和掌握的知識(shí)點(diǎn)。由于地殼運(yùn)動(dòng)或地表剝蝕作用，使褶皺出現(xiàn)了一些表觀“假”顯示，這些“假”顯示使地質(zhì)初學(xué)者非常容易誤判，因此判識(shí)褶皺也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。

基于傳統(tǒng)教學(xué)方法，要在4～6課時(shí)內(nèi)完成褶皺的野外準(zhǔn)確辨別是較為困難的，有限區(qū)域的野外實(shí)訓(xùn)、褶皺類(lèi)型案例的不足會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果欠佳。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充是非常有效且可行的方案，實(shí)施過(guò)程如下：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以短時(shí)間內(nèi)在三維空間里展示更多褶皺類(lèi)型，甚至對(duì)地下部分也可以模擬復(fù)現(xiàn)，這一點(diǎn)對(duì)學(xué)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(xiàn)實(shí)技術(shù)的地質(zhì)環(huán)境復(fù)現(xiàn)辨識(shí)練習(xí)，配合學(xué)生野外實(shí)訓(xùn)，可在短期內(nèi)達(dá)到更好的教學(xué)效果。

（4）在普通地質(zhì)學(xué)教學(xué)過(guò)程中的地層接觸關(guān)系類(lèi)型及判別為另一難點(diǎn)，其中假整合接觸、不整合接觸關(guān)系形成過(guò)程較為復(fù)雜，要求學(xué)生準(zhǔn)確判斷各侵入接觸形成的先后關(guān)系及年代亦較為不易。地層接觸關(guān)系的形成過(guò)程較為漫長(zhǎng)，部分地層由于地殼運(yùn)動(dòng)被抬升至地表，地層被剝蝕后又發(fā)生沉積覆蓋，在教學(xué)過(guò)程中動(dòng)畫(huà)演示可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)各種接觸關(guān)系的形成過(guò)程進(jìn)行快速的理解，但是對(duì)實(shí)際復(fù)雜的地質(zhì)情況，簡(jiǎn)單動(dòng)畫(huà)所能提供的信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以復(fù)現(xiàn)有代表性的地質(zhì)區(qū)域，模擬地質(zhì)剖面并形成動(dòng)畫(huà)演示，其人機(jī)交互功能可以使學(xué)生在三維模擬環(huán)境中調(diào)取該地翔實(shí)的地質(zhì)資料，學(xué)生可在學(xué)習(xí)過(guò)程中完成模擬，并判別各地層接觸關(guān)系且推斷地質(zhì)年代，模擬實(shí)訓(xùn)結(jié)果可記入數(shù)據(jù)庫(kù)，方便師生互評(píng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可對(duì)普通地質(zhì)學(xué)教學(xué)中不便實(shí)訓(xùn)的環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬實(shí)訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做一體化，以提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

五、結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前已在多個(gè)領(lǐng)域取得了較為廣泛的應(yīng)用，基于近年來(lái)國(guó)家虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的推動(dòng)，我國(guó)已在生物、醫(yī)藥、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、機(jī)械、采礦等多個(gè)領(lǐng)域取得了初步應(yīng)用成果。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于普通地質(zhì)學(xué)的教學(xué)中，具有較強(qiáng)的可操作性和實(shí)踐意義。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于普通地質(zhì)學(xué)的教學(xué)過(guò)程，首先，需要大量的前期數(shù)據(jù)整理和建模工作；其次，需要進(jìn)行較為完善的硬件設(shè)備配置，包括體感控制器、3D視覺(jué)系統(tǒng)等，因此硬件投資和后期維護(hù)成本較高。

從地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域課程教學(xué)方法看，未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還具有非常廣闊的應(yīng)用空間，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以非常直觀地展現(xiàn)各類(lèi)地質(zhì)過(guò)程，并與學(xué)生產(chǎn)生雙向互動(dòng)，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率的有效手段。

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