海洋地質專業虛擬仿真實驗教學平臺建設

王 睿，李 琦，姜正龍，柳長峰

（中國地質大學（北京）海洋學院，北京 100083）

虛擬仿真實驗教學是信息技術與專業實驗教學的深度融合，是高等教育信息化建設的重要內容，也是實驗教學改進和發展的方向[1-4]。2018 年4 月，教育部《關于實施卓越教師培養計劃2.0 的意見》指出，要充分利用虛擬現實、增強現實和混合現實等，建設開發一批交互性、情境化的教師教育課程資源。虛擬仿真實驗教學可以突破傳統實驗教學成本高、安全系數低、效率低下等缺點，使實驗教學更加直觀化、系統化。目前，國內許多高校圍繞醫藥工程、化學化工、環境工程、土木工程、安全工程等不同專業積極進行虛擬仿真實驗教學平臺建設[5-7]，促進了教學方式創新和教學方法變革。

海洋地質學是大陸地質學在海洋中的發展，利用虛擬仿真方法可以真實地模擬海岸與海底地形地貌、海洋沉積物、海底構造、海洋礦產以及海洋地質調查技術工作的實施過程。采用虛擬現實、動畫視頻、文字圖片、三維互動等多種形式，能夠充分實現海洋地質的三維立體仿真環境，使學生在涉海虛擬環境中開展操作實驗，從而達到良好的教學效果。

1 海洋地質專業實驗教學現狀

海洋地質是地質學與海洋學之間的交叉學科，從事海洋地質研究以及與之相關的資源勘查工作，需要具備深厚的地質學、海洋地質學及海洋學基礎理論，同時又必須掌握海洋、海底和海域沉積盆地地質資源的調查、勘察等的技術和方法。因此，海洋地質實踐教學十分必要[8]。但是一直以來，受地域、空間和實驗裝備等多方面的制約，海洋地質實驗教學在海洋科學、海洋地質與資源等方向上的實踐教學，始終無法面向真正的大海進入大洋深處探密。以海洋地質調查為例，由于調查對象被海水覆蓋，海洋地質調查必須依靠運載工具即海上工作平臺（海洋地質調查船），其調查內容、使用的儀器設備乃至研究方法等也具有鮮明的區別于陸地地質工作的特點[9-10]。因此，在日常教學過程中，很難像陸地地質教學實習那樣，開展實地現場教學，圖片、課件等則很難達到理想的教學效果。

因此，海洋地質專業虛擬仿真實驗教學平臺的建設，對于海洋地質專業的發展具有重要意義。海洋地質專業虛擬仿真實驗教學平臺建設，要以教學實驗室為基礎，在現有海洋地質專業理論知識的基礎上，結合虛擬仿真實驗教學，研發海洋地質專業類虛擬仿真內容，以虛補實，為實現海洋地質專業人才培養目標提供有力支撐。

2 實驗室教學平臺建設思路

總體來說，要立足國家海洋強國戰略目標，以教育部《示范性虛擬仿真實驗教學項目》精神為指導，堅持問題導向和需求導向，緊密結合經濟社會發展對海洋科學高層次人才培養的需求，緊密結合海洋專業特色和海洋科學研究領域最新成果，以學?！疤厣?精品”的發展理念及學科強校戰略為依托，以實驗室開放和共享為宗旨，以“兩創”（創業精神和創新能力）人才培養為目標，圍繞“海洋科學”“海洋資源與環境”兩個專業，以海洋地質學、海洋礦產資源、海洋環境與生物、海洋地球物理技術等學科為交叉，將海洋地質和海洋地質資源的實踐教學作為一個整體，采用現代信息技術，以虛擬仿真實驗課程建設為主，進行模擬實驗資源、虛擬實驗資源及配套教學資源展示平臺的綜合建設[11-12]。具體應體現在以下方面。

（1）以學生為中心的教學理念。從學生需求出發，結合學生學習實際，利用虛擬仿真交互形式調動學生的積極性和主動性，注重學生能力提升及對相關知識點的理解與掌握。

（2）準確適宜的教學內容。以問題、需求為導向，以“本科+研究生”人才培養為目標，體現必要性、適用性，針對海洋地質專業學生所學部分知識無法真實觀察及體驗的問題，定制研發虛擬仿真內容，以虛補實。

（3）創新多樣的教學方法。利用各種可提升教學效果的方式方法，如互動體驗式、探究式等，倡導學生進行自主式、體驗式、探究式學習。

（4）先進可靠的實驗研發技術。結合學科特點和教學目標，利用虛擬仿真技術研發三維可交互、三維可視化的教學資源，幫助學生理解和掌握那些靠傳統教學難以講明白的知識點。

3 實驗室教學平臺建設內容

海洋地質教學平臺建設主要針對海洋科學、海洋資源與環境（海洋地質資源方向）專業進行，包括教學資源建設、教學終端建設、教學資源管理平臺建設和教學環境平臺建設四方面內容。

3.1 教學資源建設

教學資源建設是指以下四個方面的建設：海上三維可視化水平井地質導向模擬仿真展示系統（見圖1）、海洋陸架含油氣系統演化及油氣運移過程仿真模擬（見圖2）、海洋陸架地質地層構造變形數值仿真模擬（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實驗（見圖4）。這些建設內容將用于“海洋 地質”“海洋地質資源”“海上油氣地質”“油氣測井及地下地質分析”等實驗課程，滿足海洋科學、海洋地質與資源等方向的實踐教學。

圖1 海上三維可視化水平井地質導向模擬仿真展示系統

圖2 海洋陸架含油氣系統演化及油氣運移過程仿真模擬

圖3 海洋陸架地質地層構造變形數值仿真模擬

圖4 深海三維可視化天然氣水合物模擬開采仿真教學實驗

3.2 教學終端建設

虛擬實驗是基于虛擬環境、虛擬儀器、虛擬物料等要素設計實驗任務的，可以通過鼠標、鍵盤等操作實驗要素進行模擬實驗。我們采用三維互動、三維漫游、三維動畫及平面元素等來構建虛擬仿真實驗教學內容。系統具有碰撞檢測功能，可實現多參數調節、非線性實時處理等操作。通過軟件實現了每個實驗課程的三維模型及三維動畫原理仿真模擬，以豐富的可操作性交互仿真模擬實驗的諸多內容，如對于難以觀察到的天然氣水合物，學生可以通過虛擬仿真軟件進行觀察，還可以通過其微觀結構和全球分布情況的三維模擬作進一步探究，也可以通過軟件交互模擬操作天然氣水合物的整個開采流程。定制開發軟件可以清晰展示三維模型場景及可交互操作界面，通過三維動畫、三維模型、交互操作等可視化的形式，對每個知識點進行情景再現，使所涉及的教學知識點具象化，提高學生興趣，彌補現有教學條件的不足，提高學生學習效果和教師教學效果。

3.3 教學資源管理平臺建設

平臺所存儲的數據不涉及學生學籍等重要信息，信息系統安全等級保護暫定為一級。服務器硬件部署在實驗室核心機房，有專人管理，符合物理安全要求。網絡和應用層由學校信息中心負責維護，符合相關要求。數據采取定期備份方式以保證數據安全，整體符合信息系統安全等級保護要求。

3.4 教學環境平臺建設

實驗室應可容納多人同時上課，并且具有展示功能。教學資源展示中心一期建設已基本完成并可投入日常教學使用，后續將逐步完成信息化升級，提升教學資源展示中心的整體信息化管理水平，提升對實驗教學資源的管理水平，實現更流暢的信息共享，完善整體教學效果。另外，可對平臺建設的載體實驗室進行改造，除了滿足日常教學需求外增加虛擬現實演示環境，為探究性實驗提供更自然的交互體驗。

4 結語

海洋地質專業虛擬仿真實驗教學平臺的建設，突破了傳統海洋地質實驗教學地域、空間和實驗裝備等多方面制約，建立起生動、三維立體、互動的信息化教學新模式，激發了學生的實驗興趣，提高了實驗教學效果，使教學觀念從以“教師為中心”變為以“學生為中心”，實行了個性化教學、合作化教學，推進了實驗教學信息化建設，推動了實驗教學的改革與創新。