河北砂鍋店地區喀斯特地貌發育過程的線上教學設計研究

王澤龍 郭曉龍 王澤 張津滔 陶巖

摘要：本文選擇河北砂鍋店地區喀斯特地貌發育過程的虛擬教學為研究對象，從教學的內容設置，教學過程的介紹，學生活動和技術支持等方面對課程設置進行解析，對虛擬教學的流程和環節加以分析，為線上教學，尤其是利用虛擬技術實現漫長地貌發育方式甚至地理過程的教學走向虛擬和網絡的結合有著一定的推廣價值。

關鍵詞：喀斯特地貌教學;河北砂鍋店;虛擬技術;線上教學

傳統課堂教學尤其是面對面的班級授課方式雖然能夠現場直接把握學生的學習情況，并且根據教學效果對講授內容進行必要的調整[1-3]。但是一言堂和僅憑語言進行傳授顯然已經不適應現代網絡化教學的新形式[4-6]，所以充分利用網絡平臺，以虛擬現實手段恢復教學過程[7-9]。將漫長的地貌發育歷程進行動態模擬與還原，直觀呈現地理過程，使學生在虛擬現實的直觀感悟下進行沉浸式體驗，改變傳統教學模式相對僅憑語言進行教學的枯燥方式，達到事半功倍的教學效果。對于課堂教學模式的改革，對于現代化，信息化技術在課堂教學中的應用策略有一定的借鑒價值，對于在新形勢下的課堂教學改革的深入推進有一定的應用價值[10-11]。

在江西師范大學地理與環境學院的土壤課教學中教師通過虛擬仿真技術，引導學生思考土壤的功能，培養學生的綜合思維能力，引導學生自主學習并分析成因，總結治理方法的形式，啟發學生思考，既加強了學生的區域認知能力，更在解決實際問題的過程中強化了地理實踐力[12]。在太原理工大學通過虛擬仿真技術給教學提供逼真的應用場景和數據環境，學生可以全身心地投入學習和體驗，激發學習興趣，學以致用，提高課程的實用性。加深對無源感知定位的理解，同時也提高學生的實踐能力[13]。吉林師范大學教學時發現虛擬技術能夠實現按照時間的推移和空間位置的變化，分析地理過程的環節、運動規律，甚至進行簡單科學預測趨勢的教學內容。培養學生的空間想象能力與空間觀念。給學生直觀的展示和突出了地理事物和現象的時空動態變化的特征，培養學生主動綜合時間和空間、動態分析地理事物和問題的思維能力[14]。

這些研究都涉及虛擬技術的實際應用，或多或少都進行網絡線上教學的嘗試，取得較好的教學效果，但是應用深度顯得略淺，只是將虛擬技術進行簡單的應用，沒有貫穿所有的教學過程，因此將虛擬技術應用于所有教學流程，形成一個可以借鑒的完整教學方式急需建立和提升。因此本文以河北砂鍋店地區喀斯特地貌形成過程的教學為案例，通過虛擬仿真技術實現線上教學，發揮虛擬技術的優勢，建立線上教學模式，為地理教學改革提供可以借鑒的案例。

1教學內容簡介

以溫帶砂鍋店地區喀斯特地貌發育過程為例進行虛擬仿真設計，使學生全面掌握認識喀斯特地貌的發育歷程和條件，直觀呈現地貌發育情景，形成直觀與抽象概念融合的教學方式。本項目依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展學習，達到教學目的。項目建設應充分體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則，實現真實教學不具備或難以完成的教學功能。

2 動態仿真模擬的流程

2.1石灰巖形成

砂鍋店地區在奧陶紀為淺海（情景為海邊），石灰巖在淺海里發育形成，累積加厚，一直延續到燕山運動（這是這是恐龍滅絕時期），地面抬升，海水退去，石灰巖出露。

2.2斷層形成

當石灰巖出露后在此地發育一個斷層，一側下陷，另一側抬升，形成一個正斷層。

2.3花崗巖墻形成

當斷層形成后地下巖漿順著斷層線涌出填滿空隙，冷凝后形成一個狹長形的花崗巖，由于花崗巖抗侵蝕能力比石灰巖強，最后這段花崗巖出露形成巖墻。

2.4喀斯特地貌發育

在巖墻的阻擋下水流沿著地勢從巖墻向一側流動，形成石灰巖地貌（地貌類型為發育初期的石牙，溶溝和2個X溶溝相交形成的一個落水洞;這種地貌發育條件為溫帶地區，溫度季節變化大（模擬四季變化），降水相對不是很多，所以喀斯特發育只在初級階段）。

3學生交互性操作步驟

為了使學生能夠在學習觀看仿真結束后進行必要練習以鞏固掌握所學知識，進行必要的操作。

3.1啟動階段

情景練習啟動-控制按鈕為喀斯特地貌發育。

3.2 仿真重現

按照發育階段輸入各個階段的名稱進行開啟各個階段的仿真重現（紅色字體為啟動按鈕，輸入名稱）

（1）石灰巖形成階段，進入初始階段，在淺海階段，石灰巖形成

（2）燕山運動階段，進入海水退去，陸地形成

（3）斷層形成階段，進入這個階段的情景仿真

（4）花崗巖墻形成階段，進入這個階段的情景仿真

（5）喀斯特地貌發育階段，進入這個階段的情景仿真

3.3 輸入條件

輸入各個階段主要類型和發育條件

（1）石灰巖階段，地質基礎為淺海

（2）燕山運動階段，海退陸升

（3）斷層形成階段，斷層類型-正斷層

（4）花崗巖墻形成階段，巖漿涌入，侵蝕速度出現差異

（5）喀斯特地貌發育階段，輸入發育條件，為溫帶地區—氣溫變化大，降水不多

3.4形成脈絡

最后形成一個脈絡，將各個階段名稱按照一定順序填入完成操作。

4技術架構

教學內容與技術本身將支撐項目運行的平臺及項目運行的架構共分為五層，每一層都為其上層提供服務，直到完成喀斯特地貌虛擬實驗教學環境的構建。下面將按照從下至上的順序分別闡述各層的具體功能。

4.1數據層

仿真模擬虛擬仿真實驗項目涉及到多種類型虛擬實驗組件及數據，這里分別設置虛擬實驗的基礎元件庫、實驗課程庫、典型實驗庫、標準答案庫、規則庫、實驗數據、用戶信息等來實現對相應數據的存放和管理。

4.2支撐層

支撐層是虛擬仿真實驗教學與開放共享平臺的核心框架，是實驗項目正常開放運行的基礎，負責整個基礎系統的運行、維護和管理。支撐平臺包括以下幾個功能子系統：安全管理、服務容器、數據管理、資源管理與監控、域管理、域間信息服務等。

4.3通用服務層

通用服務層即開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺，提供虛擬實驗教學環境的一些通用支持組件，以便用戶能夠快速在虛擬實驗環境完成虛擬仿真實驗。通用服務包括：實驗教務管理、實驗教學管理、理論知識學習、實驗資源管理、互動交流、實驗結果自動批改、實驗報告管理、教學效果評、項目開放與共等，同時提供相應集成接口工具，以便該平臺能夠方便集成虛擬實驗軟件進入統一管理。

4.4仿真層

仿真層主要針對該項目進行相應的器材建模、實驗場景構建、虛擬儀器開發、提供通用的仿真器，最后為上層提供實驗結果數據的格式化輸出。

4.5應用層

基于底層的服務，最終喀斯特地貌發育過程動態仿真模擬虛擬仿真項目教學與開放共享。該框架的應用層具有良好的擴展性，實驗教師可根據教學需要，利用服務層提供的各種工具和仿真層提供的相應的器材模型，設計各種典型實驗實例，最后面向網絡上進行開放。

5 教學反思

利用虛擬技術實現網上教學，充分發揮網絡直觀教學的優勢，在實際虛擬激素應用調試過程中發現一些基本優勢，最大的優勢是能將漫長的喀斯特地貌發育歷程直觀動態呈現出來，激發學生學習的興趣，特別是課后問題的設置能夠具體反映學生的學習效果，在實際運行中也發現有一些問題需要改進，如實際教學中過于死板，無法依據教學實際進行反饋和調整，無法實現面對面的交流，問題答案相對唯一，沒有達到靈活調整，限制學生自主思考和開放式答案探索的思維，需要在實踐中逐步完善。

6 結論

利用虛擬教學進行喀斯特地貌形成歷程的教學能夠直觀呈現地貌發育過程的線上教學，能夠激發學生熱情，在實際教學中完成石灰巖形成、斷層形成、巖墻形成和喀斯特地貌發育等所有教學內容，能夠將引課，講解內容，課上訓練和反思等環節利用虛擬技術得到實現。進一步實現師生互動，學生參與操作流程，讓學生充分進行自主學習，另外技術架構包括數據層、支撐層、服務層、仿真層和應用層等不同層級逐漸推進形成一個有效的支持。

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[[基金項目]吉林省科技發展計劃項目（20190201018JC）;大學生創新創業訓練計劃項目（基于虛擬現實技術的喀斯特地貌發育過程和影響因素線上教學方式研究）。

[作者簡介]王澤龍（2000-），男，吉林長春人，東北師范大學地理科學學院學生，從事地理教學方法研究。

[通訊作者]陶巖（1984-），男，吉林長春人，博士，副教授，碩士生導師，從事植物生態學和地理教法研究

注： 本研究為大學生創新創業訓練計劃項目。項目負責人：王澤龍;組員：郭曉龍，王澤，張津濤，張天祿;指導教師： 陶巖。