基于虛擬仿真的地理實驗教學體系構建

2018-12-14 06:44:54劉超

課程教育研究 2018年31期

【摘要】虛擬仿真地理實驗教學體系構建是地理類示范性虛擬仿真項目建設的根基，為提高高校地理實驗教學的整體水平，促進創新型、復合型人才的培養，需要針對部分傳統地理實驗中高危、高成本、完成時間極長或極短等問題，利用虛擬現實、混合現實等高新技術突破傳統模式的限制，構建涵蓋地理學基礎、應用和創新的“三層次六模塊”虛擬仿真地理實驗教學體系，最終實現虛擬仿真實驗教學的開放共享。

【關鍵詞】虛擬仿真實驗教學體系虛擬現實混合現實

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）31-0175-02

引言

長期以來，在地理實驗教學中，受多種因素制約，部分教學內容用常規實驗手段難以完成，例如：受地理時空限制，完成實驗的時間很長或極短，實驗對象在常規實驗中不易觀察（如天體的內部結構與動態變化）；某些實驗作為學生就業的必要技能但實驗的成本高、消耗大，對于普通高校來說遙不可及；而某些高危、極端、不可逆類實驗的對象有毒副作用或化學穩定性差，在實操過程中有安全風險（如土壤實驗）；還有一些貴重儀器設備的操作復雜度高，誤操作將造成儀器損毀。以上問題在一定程度上限制了地理實驗教學效果，不利于培養學生的綜合創新能力[1-3]。

虛擬仿真實驗是在虛擬現實、多媒體等技術背景下衍生和發展的一種新實驗模式，它以計算機為控制中心，利用軟件技術構建邏輯結構，協調相關硬件形成虛擬實驗系統，并通過網絡形成虛擬實驗系統網絡化，使學生通過模擬設備操作，到達甚至優于在真實環境中完成預定實驗項目的訓練效果[4-5]，而虛擬仿真實驗室是由虛擬實驗技術生成的若干適用于進行虛擬實驗的實驗系統，包括相應實驗室環境、儀器設備、實驗對象及實驗信息資源等[6-7]。

虛擬仿真地理實驗教學體系構建是地理類示范性虛擬仿真項目建設的根基，廣州大學資源環境與區域規劃實驗室經過多年探索，針對以上常規地理實驗教學中存在的問題，建設“3基礎+2平臺+1創新”的虛擬仿真地理實驗教學體系，供高校建設地理虛擬仿真實驗室和實驗項目借鑒之用[8-9]。

1.地理虛擬教學模塊設計

“3基礎”是指“自然地理虛擬實驗”、“人文地理虛擬實驗”、“地圖學與地理信息系統虛擬實驗”三大教學基礎模塊；“2平臺”是指“貴重儀器虛擬實操平臺”、“虛擬地理環境實訓平臺”兩大教學應用模塊；“1創新”是指“地理類實踐項目設計DIY”一大教學創新模塊。六大模塊涵蓋地理學基礎、應用和創新三個人才培養層面，能基本覆蓋地理學本科與研究生培養階段的主干實驗課程，兼顧教學與科研的基本需要。

1.1 地理基礎模塊以虛補實

地理基礎模塊的主要虛擬內容是實驗場景，它要解決的教學問題是地理實驗中有一部分是常規實驗不具備或難以實現或危險性高的，如“天體觀測”、“土壤測定”等。借助虛擬仿真技術，通過虛擬實驗場景來研究實驗對象，拓展實驗教學的時空維度。典型的實驗項目如：大氣環流虛擬仿真實驗、天體運動虛擬仿真實驗、土壤測定虛擬仿真實驗、地圖投影虛擬仿真實驗等。在常規實驗中，學生較少能接觸這些實驗對象或過程，所以，仿真實驗成為常規實驗的有效補充，使學生能便捷、系統地掌握專業基礎理論。

1.2 地理應用模塊以虛仿實

地理應用模塊的主要虛擬內容是實驗技術，它要解決的教學問題是地理實驗中有一部分實驗設備或耗材過于昂貴，開展常規實驗意味著持續地高投入、高消耗，所以該類實驗始終無法全面覆蓋本科教學，但這些實驗技能又是學生就業的關鍵儲備。因此利用虛擬仿真技術，模擬貴重儀器的實現原理和實操流程，使學生先在虛擬平臺反復練習，待正確熟練操作后再到真實設備上開展實驗，從而有效降低實驗室的設備購置和維護成本[10-11]。典型的實驗項目如：無人機的使用虛擬仿真實驗、南沙濕地植物調查與群落分析虛擬仿真實驗等。

1.3 地理創新模塊以虛代實

人才培養計劃與實驗教學大綱本質上是高校培養學生的規定動作、固化動作，即使每隔幾年會修訂新版，客觀上仍滯后于用人單位的需求與科技社會的發展。同時，實驗設備購置流程復雜冗長，這直接導致實驗與社會生產實踐之間存在一定程度的脫節。因此，以具體的地理類實踐項目為虛擬對象，利用虛擬仿真技術提供的基礎實驗組件、實驗參數與實驗情景，由學生自主設計實驗項目，以虛代實，能有效擴充實驗教學的內涵，豐富實踐教學成果，也有利于學生創新能力的培養和高質量就業。其中自主設計的代表性實驗項目有：城市三維建模與動態模擬、物流配送中心選址與網絡優化、生態空間動態監測及評價等。

2.地理虛擬實驗項目設計

虛擬仿真實驗從設計到實現的整個過程都會耗費高校大量的人力、物力和財力，所以其初衷應該是用來針對傳統實驗教學的瓶頸實現有效突破。所以，在設計中，必須堅持“能實不虛”和“虛實結合”的原則，將理論和實驗教學有機融合，突破傳統實驗在時空上的局限，并有效結合最新科技成果與學生學習習慣。同時，虛擬實驗項目內容應該完整、逼真、交互性強[12]。最后，虛擬實驗項目作為傳統實驗的仿真與回朔，在模擬實驗場景時還應給予學生相應的提醒、提示和提問，實現友好智能的人機交互。

結語

綜上所述，為了提高地理實驗教學水平，促進創新型人才培養，通過全面整合實驗室資源，設計統一開放的實驗教學模塊與平臺，并充分利用高科技信息化手段的后發優勢突破傳統教學范式的限制，構建涵蓋地理學基礎、應用和創新的“三層次六模塊”虛擬仿真地理實驗教學體系，最終實現虛擬仿真實驗教學資源的開放共享。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.教育部辦公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知（教高廳函（2017）4號）[Z].2017.

[2]中華人民共和國教育部.教育部辦公廳關于開展2017年度示范性虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知（教高廳函（2017）47號）[Z].2017.

[3]中華人民共和國教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知（教高司函（2013）94號）[Z].2013.

[4]許秀云，張玉梁.依托現代信息技術提高實驗教學質量[J].實驗室研究與探索，2011（5）：131-132.

[5]張敬南，張鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理，2011（3）：102-103.

[6]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013（11）：6-7.

[7]徐進.2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結及2014年申報建議[J].實驗室研究與探索，2014（8）：1-2.

[8]陳國輝，劉有才，劉士軍.虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J].實驗室研究與探索，2015（8）：170-171.

[9]王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013（12）：5-8.