虛擬現實技術在地球物理學專業課程教學中的應用前景展望
—— 訪長安大學地質工程與測繪學院劉致水博士

◎ 文/段海望

虛擬現實（簡稱VR）技術是用計算機技術來創造一種沉浸式環境以模擬真實世界或者想象中世界的技術。隨著VR 技術的日漸成熟，它在教學中的應用前景如何？近日，我們就此采訪了長安大學地質工程與測繪學院的劉致水博士。他認為，基于VR 技術的虛擬教學理念和應用優勢，可以補充地球物理傳統教學的不足，豐富學生的認知，提高學生的學習積極性及學習效率，不過，其在地球物理學專業課程教學中的應用，目前還存在一些技術瓶頸亟待攻克。

虛擬現實技術已開始應用于教學

由于經費、物理、安全等因素的限制，在教學工作中教師往往不能將學生帶到現場進行實地學習，例如遙遠的地方（不同的國家/地區）、過去（歷史上的地點）或無法訪問的地方（地球內部、海底或其他行星），而只能采取文字、圖畫、講解的方式進行授課，這不利于學生進行直觀的認識和理解。

劉致水介紹，針對這個問題，不同時代的教師采取了各種方法來模擬實物，以利于學生理解、學習知識，比如醫學中的模具、標本，地理學的地球儀等。20 世紀90 年代后期，隨著計算機技術及電子游戲技術的發展，課堂教學中開始出現不同名稱的虛擬仿真技術，這些技術為學生提供了基于桌面的虛擬學習環境。21 世紀初期，基于VR 的模擬游戲快速發展，可以通過復雜過程/機制建模而進行交互式游戲。VR 技術的發展過程中，一些教育工作者即認識到這種技術在教學中的前景，并很快的將其應用于高等教育理論和實踐教學中，在教學過程中學生可借用特定的設備，選用適宜的方式與虛擬世界里的人、物進行交流，體驗到身臨其境的感受，從而準確的認識事物的特性。

地球物理學教學模式已落后于現代科技進步

曾融生院士在《固體地球物理學導論》一書中如此定義地球物理學：“地球物理學用物理學的原理和方法，對地球的各種物理場分布及其變化進行觀測，探索地球本體及近地空間的介質結構、物質組成、形成和演化，研究與其相關的各種自然現象及其變化規律。”在此基礎上為探測地球內部結構與構造、尋找能源、資源和環境監測提供理論、方法和技術，為災害預報提供重要依據。

地球物理學所使用的工具是能夠反映研究對象物理特征的抽象的物理場，例如電磁場、波場等，并在此基礎上產生了多種有效的技術手段。

地球物理學專業的傳統教學有何特征？

劉致水介紹，地球物理學所研究的對象與所使用的理論工具都是人類無法直接用肉眼進行觀測與感知的，已故著名地球物理學家趙九章先生是這樣形容地球物理學的——“上窮碧落下黃泉、兩處茫茫都不見”。有資料顯示，“目前地球物理學專業的課堂教學中最常用的是多媒體課件或者視頻、圖片等平面的方式，文字、圖片、視頻等載體的信息承載量相對小”，課堂中互動性、情境性不強，這些缺點阻礙了絕大多數學生對知識的真正理解和接受，使得學習效果不理想。此外，由于學科的特殊性、儀器的昂貴性，使得很多的地球物理實驗內容較為陳舊，教學模式落后于現代科學技術進步的步伐，很多的演示實驗也是因設備和器件的陳舊而無法更好地開展。所以，本科學生的課程設計中的實驗，只能多以驗證性實驗出現，不利于培養學生的創新能力，同時也不能很好的發揮學生的主觀能動性。而地球物理學科的實踐教學，往往也因為經費和安全問題，變成認知性質的學習，使學生在技能的練習上缺乏機會。

VR技術的應用可提升地球物理學教學效果

劉致水指出，VR 技術的應用可發揮以下積極作用。

提高學生學習研究的積極性。VR 技術可以為課堂教學構建一個高仿真的學習環境，這個環境不受硬件場地的限制，能夠增強學生的直觀感受。只要帶上VR 設備，學生就可以完全投入到模擬的可視化教學實景中，課程中涉及的知識點以更加直觀的形式展現在學生面前，不僅讓學生在虛擬的環境中與教學內容互動，解決傳統課堂中互動性、情境性不強等問題，還可以用于學習情境的創設，增強學生學習體驗，充分調動學生的學習興趣和積極性，使學習更加主動（參見李志軍等《科研實驗室參與本科人才培養的探索與實踐》一文）。

提高教學效率。地球物理專業的特點決定了學習的知識抽象，難以理解。對于抽象或不可視的現象和原理，借助VR 技術可以延伸和強化學生的認知，既能把微觀世界里用肉眼觀察不到的物質在保持其內在結構不變的基礎上加以放大，使學生能夠清晰看到和理解其結構的特性，也能把宏觀浩渺的天體虛擬成現實中的常規物體，便于學生從整體上去感知宏觀世界的博大與奇妙（參見田保慧等《虛擬現實技術(VR)在智能交通技術運用專業教學中的應用研究》一文）。學生置身于這個虛擬世界中，各種感覺會被同時激活起來，不僅增強了學生的直觀感受使其更好地認知世界，而且讓他們能夠獲得在學科世界中無法經歷的感受和體驗，使課堂教學內容更加形象生動。

彌補實踐教學的不足。傳統實踐教學中存在創新性實驗較少，實物設備少、陳舊，訓練內容難度大，學生對于設備不熟悉，不會用等問題，采用虛擬現實模擬來進行輔助實踐教學，可以減少現實教學中某些實訓操作的困難和危險。學生通過VR 進入到“真實”情境中，在教師的指導下參加各種實踐活動，通過親身經歷的活動學會多種技能、提高實踐能力（李志軍等，2016），提升學生學習的主動性和創新性，在呈現知識信息、輔助教學活動、加速和鞏固學習過程以及設計、優化學習內容和學習情境等方面，將發揮重要作用（參見上面兩文），對學生提高工程實踐能力具有重要意義。

培養學生的科研能力。據2016年教育部發布的“中國高等教育系列質量報告”中，明確提出“高等院校創新人才的培養力度不夠，創新創業教育仍是軟肋”。（參見張選中等《顛覆教育的虛擬現實技術(VR)探究——評〈VR+教育：可視化學習的未來〉一文》）在VR 實驗項目中可以融入最新的科研成果，基于學科前沿設計創新實踐項目，使學生了解專業的最新方向，新技能和新方法，培養學生的創新思維、決策能力和操作能力。利用虛擬技能實驗室的科研資源，鼓勵學生積極參與各類科學研究，培養學生的科研思路和運用專業知識分析問題、解決問題的能力，有利于創新思維和實踐應用能力的培養。

VR技術的應用還有一些現實問題需要解決

當前VR 技術迅速發展，在醫學、旅游、軍事等專業都有了比較成功的應用及發展，一些學校也建設了相關的綜合實驗室，但在地球物理學專業教學中的廣泛應用還面臨著一些現實的問題。

劉致水認為，主要可以概況為：（1）缺少綜合的地球物理學科硬件設備，在地球物理學科中VR 技術目前處于初級發展階段，技術問題還不能讓VR 技術全面應用于地球物理學專業的各個階段。VR 設備與以往的地球物理軟件需要轉換平臺，相關技術問題沒有解決。（2）缺少成規模的地球物理學科VR 技術整合優化教學資源，如要大規模使用，教師需要具備一定的VR 課程資源制作能力，能夠構建具有實時交互性，空間逼真的虛擬教學VR 系統平臺（參見張選中一文）；以及從課堂教學和實踐教學等角度，整合優化虛擬教學的課程案例，從而能夠將課程內容有效的融入虛擬教學系統的能力。（3）VR 技術仍處于技術研究發展中，硬件設備有待改進，長時間佩戴VR 設備，處于虛擬空間，會使人產生頭暈惡心的不適感（參見薛志婧等《VR虛擬技術在土壤地理學教學中的應用探索》一文）。

“整體來看，VR 技術是以人類認知特點組織和展示教學內容并構建知識結構，它可以體現知識信息的形式及內容的多樣性和復雜性，為學生提供動態、開放、自由的結構化認知形式，激發學生對新知識的渴望和追求。隨著科學技術的發展，未來VR 技術一定會突破技術障礙，融入地球物理學科教學的全部過程，發揮強大的技術潛力，讓學習和實踐更加直觀、更容易理解，讓該學科的教學理念和教學手段更加符合專業發展的要求。在未來，VR 技術將成為教學模式改革和提升人才培養的重要途徑。”劉致水說。