戴夢雪

（東華理工大學 地球物理與測控技術(shù)學院，江西 南昌 330013）

引言

“互聯(lián)網(wǎng)+”教育這種以學習者為中心，利用信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)平臺的教學模式被越來越多地推廣和應(yīng)用［1］。如今大學生的學習需求日益豐富，并向著多樣化、個性化的趨勢發(fā)展［2］。在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，協(xié)調(diào)線下和線上學習模式，突破空間和時間的限制，形成更優(yōu)化、更適應(yīng)時代發(fā)展的創(chuàng)新型學習方式，可以促進創(chuàng)新型人才培養(yǎng)、支持創(chuàng)新型國家建設(shè)［3］。

VR技術(shù)（Virtual Reality），即虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是利用計算機技術(shù)來生成特定的虛擬環(huán)境，讓使用者產(chǎn)生身臨其境的體驗和感受［4］。VR可以實現(xiàn)實體行為系統(tǒng)以及三維動態(tài)視景的仿真，讓使用者沉浸在模擬環(huán)境中，使用戶和互聯(lián)網(wǎng)之間能夠進行深度的溝通和互動［5］。

AR技術(shù)（Augmented Reality），即增強現(xiàn)實技術(shù)，可以利用計算機技術(shù)將虛擬的信息疊加到真實世界［6］，使得虛擬的物體和真實的環(huán)境實時融合到同一個畫面中［7］。VR/AR技術(shù)以其自主性、存在感、多感知、交互性等優(yōu)勢在教學輔助中具有非常重要的地位［8］。

“地球物理學”課程強調(diào)實際應(yīng)用，工程能力、科研能力和創(chuàng)新能力是地球物理學專業(yè)人才能力培養(yǎng)的核心。目前許多教師對本專業(yè)課程采用的都是理論課知識講解與校內(nèi)實踐相結(jié)合的教學模式，旨在培養(yǎng)學生理論基礎(chǔ)與實踐操作融會貫通的能力。但在實際教學過程中，往往會出現(xiàn)學生對抽象概念認知不充分、實踐操作受限較多、學習的自主性不強等問題。

針對地球物理專業(yè)課程具有的理論性較強、內(nèi)容較多、實踐性要求高、學生需求不均衡等特點，本文擬利用VR/AR技術(shù)，構(gòu)建出自主學習的環(huán)境，由傳統(tǒng)上“以教促學”的學習方式，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生通過自身與信息環(huán)境的交互作用來得到知識與技能的新型學習方式，提高學生的創(chuàng)新能力、工程能力和科研能力，為“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下普通本科院校工科專業(yè)的人才培養(yǎng)探索出符合我國基本國情的有效教學模式。

一、基于VR/AR的互動式教學

VR/AR技術(shù)在教學中具備其專屬特點和優(yōu)勢。在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，通過在地球物理專業(yè)課程教學中采用VR/AR技術(shù)，能夠為教師提供全新的工具。傳統(tǒng)方式傳遞的地球物理專業(yè)知識大多以繁雜的公式推導、晦澀的文字和圖片的形式進行表達，而基于VR/AR的地球物理課程設(shè)計可將知識以更加直觀、通俗的場景或游戲、卡通的方式展現(xiàn)，更容易讓學生理解接受，激發(fā)學生對知識的興趣。

VR/AR虛擬視角下地球物理課程教學的目標是在特定活動中鼓勵、激勵學生，教學設(shè)計與VR/AR技術(shù)之間的協(xié)調(diào)性起到關(guān)鍵性作用，比如課件編寫、場景設(shè)置、多媒體制作等都至關(guān)重要。

基于VR/AR的互動式教學作為一種新型教學模式，可從以下三個方面改進教學質(zhì)量：（1）課程重點可視化、教學難點形象化：VR/AR技術(shù)仿真和交互的特性，能將地球物理學專業(yè)課程中抽象、晦澀難懂的知識以更生動、直觀、全面的方式呈現(xiàn)，用沉浸式體驗增強學生的代入感。（2）學習環(huán)境多樣化、知識運用情景化：移動VR/AR系統(tǒng)能夠基于真實環(huán)境中的虛擬物體幫助下，使無處不在的合作式和情境式學習得到加強，現(xiàn)實生活中的一切都能成為VR/AR學習的道具，實現(xiàn)情境性、交互性、連通性、便捷性和個性化。VR/AR系統(tǒng)能夠檢測到學生的當前位置和活動狀態(tài)，從而及時發(fā)出提醒和待選選項以集中學生的注意力。（3）提升學生存在感、增強學生專注度：VR/AR提供一個虛擬的學習空間，讓學生感覺與其他人或事物同處一個位置。這種存在感可加強學生對地球物理專業(yè)知識的認知。所以，VR/AR在培養(yǎng)學習者直覺方面有巨大潛力，這種感覺也是學習者在綜合而真實的體驗中所擁有的主觀感受。

二、基于VR/AR的“地球物理學”課程教學應(yīng)用架構(gòu)

地球物理學專業(yè)某些特定的課程，如放射性勘探、地震勘探、電磁勘探等進行知識傳達時，僅基于課本知識達不到預(yù)期效果，而現(xiàn)場考察學習又存在一定的危險系數(shù)。采用結(jié)合VR/AR 虛擬視角的交互式授課方式，可以精確模擬真實環(huán)境，采用傳感器模擬視覺、聽覺、力量、觸感等，達到與高?，F(xiàn)場一致的體驗，完成授課目標。充分利用VR/AR技術(shù)等信息化手段和數(shù)字化資源，探索VR/AR 技術(shù)在地球物理專業(yè)課程中的適用場景，以解決傳統(tǒng)地球物理專業(yè)教學中的“痛點”問題。從VR/AR技術(shù)與“地球物理學”理論教學的融合、VR/AR技術(shù)在“地球物理學”實踐教學中的應(yīng)用及教學評價方式這三個方面展開討論，具體內(nèi)容如下。

（一）VR/AR技術(shù)與地球物理學理論教學的融合

1.抽象概念的可視化闡釋。“地球物理學”課程中，涉及的許多基本概念都是抽象而不可直接觀察的。如地磁場的磁力線、電法勘探中電流的分布、地震波在介質(zhì)中的傳播等。傳統(tǒng)教學中，對于這些概念采用語言文字描述以及畫示意圖的方式來闡釋，不夠形象生動，造成學生學習抽象概念時理解困難。利用VR/AR技術(shù)，可以將磁力線等抽象的概念可視化，讓學生看到這些實際存在、卻在現(xiàn)實生活中無法直接觀察到的事物，化抽象為具體，極大地降低理解和掌握的難度。

2.物理模擬的多視角展示。在傳統(tǒng)的地球物理學專業(yè)課程教學中，經(jīng)常涉及一些物理模擬的展示和研究，在以往的教學環(huán)境中主要采取這樣一些方法：（1）圖片展示。這種方式只能提供有限的幾個視角，學生無法看到圖片以外的視角。（2）實物展示。這種方式受成本和場地的限制較多，且由于同學所處的位置不同，同一實物，在不同學生眼中的視角也不同，且后排的學生容易看不清楚。（3）利用3D動畫，建立實物模型，并旋轉(zhuǎn)展示各個視角。這種方式相對較理想，但由于這是一個由教師預(yù)設(shè)好的過程，學生無法按照自己的意愿選擇視角。

將VR/AR與地球物理學專業(yè)課程相融合，通過VR/AR技術(shù)，可以建立實物模型，讓學生自主選擇視角觀察，使得觀摩學習的成本大大降低，靈活度和自主性大大提高。

3.三維空間的全景式觀察。地球物理學的一個重要研究內(nèi)容就是探明三維地下空間的形態(tài)，并識別出特殊的地質(zhì)構(gòu)造。在以往的教學中，采用截取多個剖面的方式來顯示三維的地下構(gòu)造，學生根據(jù)一系列剖面，通過想象建立對三維空間的整體認知，這種方式不夠具體直觀。借助VR/AR技術(shù)，可以對三維地下空間進行建模，讓學生與三維空間發(fā)生交互，自主尋找角度和方向，直觀地識別出地下構(gòu)造。

4.虛擬情境的沉浸式體驗。作為一門在空間尺度上“上天入地”、時間尺度上“滄海桑田”的學科，地球物理學包含了很多瑰麗壯闊的場景，例如太陽系的行星運動、地震來臨時的山崩地裂、板塊的漂移等。傳統(tǒng)的演示只是固定的、平面的且單一感官的體驗，而基于VR/AR技術(shù)，學生可以置身于虛擬情境之中，體會太空中的失重感，在地震中擇路而逃，獲得沉浸式的體驗，提升學生的存在感、直覺和專注度，激發(fā)學習的興趣和創(chuàng)新熱情。

（二）VR/AR技術(shù)在“地球物理學”實踐教學中的應(yīng)用

1.精密儀器的實驗補充手段。由于教學的條件限制，地球物理學專業(yè)課程中的一些精密實驗儀器在實際教學過程中無法達到預(yù)期的教學目的。基于VR/AR技術(shù)，學生可以在虛擬實驗室中，互動式地操作虛擬儀器，并獲得和現(xiàn)實中一樣的反饋，節(jié)省成本，且不受環(huán)境限制，可反復操作練習。

2.復雜環(huán)境的實踐替代措施。受區(qū)域地質(zhì)、地形地貌條件的制約，在地球物理學專業(yè)課程實踐教學過程中，一些實驗場所在實際中無法達到，如深海大洋等特殊實驗環(huán)境等?；赩R/AR技術(shù)，學生可以在虛擬實驗室中，沉浸式、趣味性地參與到復雜地質(zhì)環(huán)境的研究中。

3.危險實驗的安全體驗方式。地球物理實踐教學中，一些危險性較高的實驗，例如放射性實驗、使用炸藥震源的實驗等，在傳統(tǒng)的教學中是不進行的。利用VR/AR技術(shù)可以建立虛擬實驗室，學生能夠以沉浸的方式操作虛擬儀器進行實驗。即使學習者因錯誤操作而未完成實驗，也不會造成實際的生命和財產(chǎn)損失，是一種安全的訓練方法。

（三）教學評價方式

在VR/AR教學環(huán)境下，教師可以通過學生的交互活動，由VR/AR教學系統(tǒng)自動實現(xiàn)對學生的個體評價。如在地震剖面解釋的學習中，可以設(shè)置對三維地下結(jié)構(gòu)識別的測試題，根據(jù)學生的結(jié)構(gòu)識別結(jié)果，系統(tǒng)自動判斷正誤，實現(xiàn)對學生知識掌握情況的測試。此測試可以同時對所有學生進行，解決了傳統(tǒng)課堂中教師提問學生受時間限制的問題。

教學評價是雙向的，除了教師考評學生，學生也可以及時反饋教師的教學成果，以便教師清楚地了解學生對知識的掌握情況，調(diào)整教學的側(cè)重點，從而提升教學效果。

三、基于VR/AR虛擬視角的地球物理學課程體系構(gòu)建

針對VR/AR技術(shù)與“地球物理學”理論教學的融合、VR/AR視角下地球物理專業(yè)課程剖析、VR/AR技術(shù)在“地球物理學”實踐教學中的應(yīng)用等研究內(nèi)容，梳理地球物理學專業(yè)課程中重、磁、電、震、放等課程模塊教學內(nèi)容，細化海洋地球物理、海洋聲學探測技術(shù)、鉆井地球物理、環(huán)境與工程地球物理等課程模塊重要知識點，強化野外地質(zhì)教學實習、地球物理勘探綜合實習、畢業(yè)實習、畢業(yè)論文等教學環(huán)節(jié)。通過模擬情境、虛實融合、過程監(jiān)測等方法，利用VR/AR軟件，進行“地球物理學”課程體系構(gòu)建。構(gòu)建過程中，考慮學生前期已有高等數(shù)學、大學物理、編程語言等基礎(chǔ)數(shù)理知識的儲備，對地球物理學專業(yè)基礎(chǔ)課程（普通地質(zhì)學、構(gòu)造地質(zhì)學、場論、彈性波動力學、巖石物理學）已經(jīng)掌握，在VR/AR過程體驗中可以針對性地進行方法性體驗、技能性體驗、知識性體驗及啟發(fā)性體驗等環(huán)節(jié)，對虛擬環(huán)境進行行為建模、物理實現(xiàn)，增強學生在虛擬教學中的教學體驗。

（一）課程體系的精細配置

為了幫助學生了解地球物理專業(yè)不同課程的發(fā)展概況，深入探索各課程之間相互聯(lián)系和互動式發(fā)展，拓寬視野，幫助他們建立合理、科學的知識結(jié)構(gòu)，需要建立科學、系統(tǒng)的課程體系。梳理地球物理學專業(yè)課程教學重點，細化課程知識點，基于VR/AR技術(shù)進行精細化教學設(shè)計，將地球物理專業(yè)課重要知識點進行情景化，構(gòu)建虛擬視角下地球物理課程體系。針對重、磁、電、震、放等不同的勘探方法，可對實際場景進行數(shù)據(jù)采集，然后通過后期制作，加上虛擬的教具（2D、3D模型）和交互性的人機操作，訓練學生熟練掌握VR/AR虛擬視角下地球物理專業(yè)相關(guān)的重、磁、電、震、放等知識和技術(shù)，為后期的實習奠定良好的基礎(chǔ)。

（二）教學團隊的合理建設(shè)

在課題實施過程中，教師是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，在進行課程體系構(gòu)建的同時，應(yīng)著力打造一支能夠為學生提供專業(yè)指導的教學團隊。本課題實施過程中，將首先加強實踐教學，根據(jù)專業(yè)課程的性質(zhì)和特點，調(diào)整課題組成員實踐課程教學任務(wù)，滿足大量實踐課程的需求；其次，調(diào)研企業(yè)需求，深入了解行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和前景，促進教學團隊的與時俱進；最后，以科研促教學，把在科研項目所研究的知識、技能帶入課堂教學。

（三）教學體驗的交互設(shè)計

虛擬視角下地球物理學專業(yè)課程交互設(shè)計體現(xiàn)了VR/AR教學體驗的沉浸性和交互性，對其設(shè)計應(yīng)考慮以下因素：（1）學習任務(wù)。VR/AR教學系統(tǒng)中應(yīng)該設(shè)置多樣化的學習任務(wù)，任務(wù)的難度級別是動態(tài)的，避免單一和無聊。既包括操縱物品、移動視角等基本動作，也包含解決問題、探索創(chuàng)新等復雜的任務(wù)，同時任務(wù)的設(shè)置要始終圍繞課程主線。（2）學習目標。當學生進入VR/AR教學系統(tǒng)時，應(yīng)盡快賦予其明確的地球物理專業(yè)知識模塊目標，或讓學生能夠自主創(chuàng)建可以被理解和評價的個人學習目標?？梢栽O(shè)置多重目標，讓學生有多樣化的完成策略。同時，目標的達成方式應(yīng)該是清晰且可操作的，避免學生被卡住。（3）體驗感。將VR/AR教學應(yīng)用到地球物理專業(yè)課程中的體驗要注重激勵學生主動思考、探索完成任務(wù)，在這個過程中獲得滿足感和成就感，建立起積極的自我評價。

結(jié)語

如今的學生被稱作“數(shù)字原住民”，他們喜歡動態(tài)的、立體的、好玩的東西，三維場景正好可以滿足這一代學習者的喜好。本文針對“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下地球物理學專業(yè)課程特色，利用VR/AR技術(shù)，構(gòu)建出自主學習的環(huán)境，由傳統(tǒng)上“以教促學”的學習方式，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生通過自身與信息環(huán)境的交互作用來得到知識與技能的新型學習方式。

把VR/AR技術(shù)納入地球物理學專業(yè)教育，允許其和傳統(tǒng)教育互為補充、相互促進，使學生能夠更加身臨其境地學習，更好地進行實踐，提高學生的創(chuàng)新能力和工程意識，可以為我國高等教育改革提供新的支持。