多學科交叉融合的虛擬仿真實驗探索與實踐

作者簡介：劉明忱（1987—），男，博士，工程師，研究方向為虛擬仿真技術、地震數據處理與解釋。

王典（1978—），女，博士，教授， 研究方向為虛擬仿真技術、地震勘探技術。

基金項目：吉林大學2021年實驗技術項目（SYXM2021a013）。

摘" 要：根據地學類專業新工科在人才培養中遇到的多學科交叉深度融合的實際情況，有效提高野外實習的教學效果，解決特定實習路線上典型巖石信息回看、采樣難、檢測成本高等問題，以興城典型巖石綜合觀測教學系統為例，基于Unity3D開發虛擬現實實驗環境，采用雷達互動投影技術，與投影顯示用戶界面相結合，實現了野外實習路線典型巖石多要素、全方位的認識與分析。學生可基于該系統與界面進行互動反饋，有利于加深多學科知識的綜合理解與運用。同時，開發的移動版本可在野外實習時也能反復對照查看，培養學生通過多種手段綜合解決實際問題的能力。

關鍵詞：虛擬仿真 多學科交叉 互動投影 地學綜合實驗

中圖分類號：G642.0

Abstract：This paper aims to effectively improve the teaching effectiveness of field practice， and solve the problems of the information review， difficult sampling and high testing cost of typical rocks on specific practice routes according to the actual situation of interdisciplinary deep integration encountered in the talent cultivation of new engineering in geoscience majors. Taking the teaching system for the comprehensive observation of typical rocks in Xingcheng as an example， this paper develops the experimental environment of virtual reality based on Unity3D， and uses radar interactive projection technology to achieve the multi-element and all-round understanding and analysis of typical rocks in field practice routes in combination with the projection display user interface. Students can interact with the interface for feedback based on the system， which is beneficial for deepening the comprehensive understanding and application of multidisciplinary knowledge. At the same time， the developed mobile version can be repeatedly referred and viewed during field pratice to cultivate students' ability to comprehensively solve practical problems through a variety of means.

Key Words：Virtual simulation； Interdisciplinarity；Interactive projection；Comprehensive geoscience experiment

2013年，教育部發布關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設的通知，此后全國分批次共建設了300個具有示范和引領作用的國家級虛擬仿真實驗教學中心。從2017年開始，教育部開展示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設，至2018年，共認定401個虛擬仿真實驗教學項目，旨在彌補教學資源不足、實現現代虛擬仿真技術與高等實驗教學的深度融合。2019年，教育部“雙萬計劃”擬建設1 500門左右的國家虛擬仿真實驗教學一流課程。自此由虛擬仿真實驗教學項目建設轉變為虛擬仿真實驗教學一流課程建設上來，進一步強化課程建設，截至2023年，教育部已建設1 200門虛擬仿真實驗教學一流課程（原認定的國家虛擬仿真實驗教學項目自動轉變為虛擬仿真實驗教學一流課程），虛擬仿真實驗教學體系建設進入快車道。2023年，教育部發布通知進行職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設。虛仿基地要有效運用虛擬現實、數字孿生等新一代信息技術，有效服務專業實訓和社會培訓等。到2025年建成200個左右全國示范性虛仿基地，帶動各地1 000個左右區域示范性虛仿基地建設，推動職業院校技術技能人才實訓教學模式創新[1]。

吉林大學地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心（以下簡稱“中心”）是首批獲準建設的國家級虛擬仿真實驗教學中心[2]。中心以地質資源與地質工程、測繪科學與技術、地質學等多學科交叉融合，聚焦于石油、天然氣、礦產等地質資源，同時與創新型企業合作，利用先進儀器設備和軟件，聯合進行實驗室和虛擬仿真課程建設，在學生實習實踐過程中全程參與，推進產學研深度融合，致力于地學類專業多學科交叉融合發展。中心開發的《興城典型巖石綜合觀測教學系統》《透明地球數字孿生實驗》等多個虛擬仿真實驗課程，均是多學科交叉融合的實驗課程。中心結合地質實習實際情況，基于激光雷達投影人機交互系統原理[3]，通過多學科交叉融合，開發了《興城典型巖石綜合觀測教學系統》，本文分析了新工科背景下地學類專業虛擬仿真實驗課程建設的意義，以《興城典型巖石綜合觀測教學系統》為例，就多學科交叉融合虛擬仿真實驗課程的開發進行了探索與實踐。

1 虛擬仿真實驗教學體系建設

虛擬仿真實驗教學體系實體基地發展從國家級虛擬仿真實驗教學中心建設示范輻射到職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設，再輻射到區域性虛擬仿真基地建設。虛擬仿真實驗教學體系內涵建設從示范性虛擬仿真實驗教學項目建設到國家虛擬仿真實驗教學一流課程建設。在虛擬仿真教學體系發展的道路上，經歷了“由點到線”，再“由線到面”的示范性建設輻射效應，大大加強了各地區共建共享共用的虛擬仿真優質資源的建設和利用。高校提高人才培養質量和提升科學研究水平的重要途徑是學科交叉融合。在實踐中，科教融合和學科交叉不僅需要教育機構和科研機構的合作，還需要政府、企業和社會各方面的支持和參與，只有形成合力，才能更好地實現立德樹人的根本任務，培養出更多的優秀人才，也是推動當代大學制度創新的一個重要方向[4，5]。新工科建設也依賴于這種學科交叉融合的實施路徑[6]。

2 地學類專業虛擬仿真實驗課程建設的意義

2.1 多學科交叉融合下地學類專業虛擬仿真實驗課程建設的必要性

目前，我國在地球科學領域的整體科技實力僅次于美國，排名世界第二，并在一些科研方向上處于領先或與美國持平的態勢。然而，地質高等教育的整體水平和質量還有待進一步提高，以更好地支撐行業產業的發展。特別是在自然資源行業，新形勢和未來發展方向對人才提出了全新要求。需要具備更高的素質、更廣的知識面和更綜合的能力，同時還要具備國際視野和掌握學科前沿。自然資源領域的科技與產業形勢的變革，促使地學人才培養必須進行創新。地球科學高等教育正面臨前所未有的機遇和挑戰，而地學類專業虛擬仿真實驗課程的建設勢在必行，務必及時行動。

2.2 填補地學類專業本科課程虛擬仿真實驗教學空白

在地學類專業學生的地質實習課程體系建設中，基于多學科交叉的實驗課開課量極少。地質實習過程包括確定野外踏勘路線，認識實習區地質概況，沿途采集典型巖石標本，進行野薄記錄繪制信手地形剖面圖等步驟。野外采集的巖石標本，回到實驗室后可進行巖石元素分析、巖石物理參數測定、薄片鑒定、遙感光譜測量等儀器分析內容。但部分實驗儀器設備昂貴、精密，學校不會投入資金購買實驗器材，不具備設備使用條件；部分實驗巖石數據測定涉及的實驗儀器設備，對實驗人員的操作和使用均有一定要求，學生難以全面掌握；部分樣品檢測費用高昂，不適合反復練習和多樣品檢測?！杜d城典型巖石綜合觀測教學系統》是基于虛擬仿真技術開發的實驗教學課程，依托虛擬現實、雷達互動投影、數據通信、人機交互和網絡通訊等技術，學生通過在高度仿真的虛擬實驗環境中進行實驗，完成教學大綱所要求的教學效果。實驗的設計具有沉浸性、交互性和趣味性，克服專業實驗抽象、涉及知識面廣不易展現等問題，可填補地學類專業相關課程實驗教學的空白。該實驗能使學生在虛擬環境中反復進行實驗，提高實踐能力和創新思維能力。

2.3 線下、線上實習實踐教學相結合

線上、線下混合的教學模式越來越受到重視，學生學習過程方式方法更加靈活多樣。地學類專業學生實習實驗，線下實驗在教育和科學研究中扮演著至關重要的角色。作為教學的基石，線下實驗為學生提供了直接親身體驗和實踐的機會，有助于加深對理論知識的理解和掌握。通過實際操作，學生能夠培養解決問題和動手能力，提升實踐技能和實驗設計能力。線上實驗是線下實驗的有力補充，隨著網絡技術的發展，線上實驗逐漸成為教育和科研領域的重要組成部分。通過虛擬實驗平臺，學生可以在網絡上進行實驗操作和模擬實踐，提供了更加靈活的學習方式。并可對線下整個實驗過程建立宏觀認識，有利于進一步對課程專業理論的理解。線上教學打破了線下教學對時間、地點、人員等限定要素的壁壘，教師可遠程指導，學生可在線上反復進行實驗，加強對知識的反復消化理解。

3 多學科交叉融合的虛擬仿真實驗設計

3.1 雷達互動投影人機交互系統設計

《興城典型巖石綜合觀測教學系統》實驗設計采用先進的雷達互動投影系統實現，設計思路如圖1所示。雷達互動投影人機交互系統又稱雷達多點觸摸系統，是當下多媒體展廳中常見的一種展現方式。雷達互動投影人機交互系統采用的是紅外信號感應，不受光線的干擾，因此不管是在黑暗的環境還是明亮的環境都不受影響。雷達互動是利用雷達設備對參與者的動作進行捕捉，然后將捕捉到的動作上傳到相位系統分析，分析得到的數據再結合互動系統，最終產生互動效果使得參與者與墻面圖像進行互動。

雷達互動投影人機交互系統具有如下特點：（1）不依賴于顯示系統：雷達觸控可以獨立于現實系統存在，不依賴于現實系統的平臺；（2）不依賴于介質，擺脫了對觸摸設備的依賴，讓使用者體驗更加自然舒適；（3）觸摸范圍大；（4）支持多點觸控；（5）環境適應性強；（6）設備小巧便于安裝。

該實驗通過虛擬現實軟件Unity3D等軟件完成程序設計，實驗主體框架包括野外實習路線地質概況介紹、野外實習路線地質調查信手剖面圖、典型巖石三維模型、巖石實驗測量數據采集與分析等部分組成。人機交互過程如圖2所示，實驗軟件通過計算機運行，學生觸碰激光雷達活動控制區域交互點后，激光雷達通過紅外信號感應捕捉學生的肢體動作并將動作反饋給計算機，投影儀將實驗內容展示到墻面上，墻面的投影將動作反饋呈現出來，特定的音效通過音響系統播放，通過視覺、聽覺、觸覺、人機互動共同構筑了無限廣闊的視聽空間和豐富多彩的視聽形象。形成了實景教學、引導訓練、實體觀察、數據分析、評價總結的實驗鏈條，通過教師與學生的教學互動和學生與雷達人機交互系統的互動，可將多學科知識點融會貫通，讓學生在理解上受益良多。

3.2 虛擬仿真實驗教學系統設計使用調查分析

每年暑期，吉林大學地學部學生均會到吉林大學興城教學基地進行地質認識實習、地球物理專業生產實習等野外實習活動，野外實習有著成本高、時間緊、任務重的特點，學生往往存在物品準備不齊、對野外環境艱苦認識不足、思想準備不充分等情況，在野外實習過程中疲于應付教師授課，走馬觀花，嚴重影響野外實習的教學效果。另外，有許多實驗和參數測定，無法在野外實習過程中完成，需要到學校實驗室或特定的測試中心進行樣本測試。在日常教學中，樣品測試成本較高，無法做到人人都進行測試，類似內容多以PPT講解的形式進行，概念抽象，學生難以理解。

《興城典型巖石綜合觀測教學系統》針對典型巖石標本識別，具有現場采集難度高、過程繁瑣、巖石薄片鑒定分析難、巖石物性參數難以獲取等特點，例如若是測定巖石的物性參數，那么需要對所取巖樣的大小、形狀等都有嚴格要求，學生在實驗過程中難以完成。本實驗通過對特定實習路線中典型巖石的三維模型重建和收集實驗數據（圖3），學生可以更快更便利的實現學習的目的。同時開發了移動版本，可通過手機對巖石進行細致觀察并觀看巖石實驗數據。該實驗結合地表地質調查、巖石物理測量、遙感光譜、測繪科學、薄片鑒定、地球化學元素分析等多個學科交叉融合，教師在授課時，可令學生對巖石的多學科相關知識進行全方位的認識。特制的移動版本可以使學生在野外實習時也能輕松回看實習路線上的典型巖石信息，回想上課時教師的講解，進一步與現實相互印證，加深知識理解。

3.3 虛擬仿真實驗教學系統設計的評價體系和應用的效果

3.3.1 實驗教學評價

在實驗教學評價中，引入動態評價機制，降低考試所占學生評價的比例，增加資料整理歸納、文獻查閱、實驗設計和完成等比重。建立實驗項目過程留痕評價機制，在學生完成實驗的過程中，分模塊、分步驟進行評價，對學生進行個性化培養，擺脫傳統“一考定乾坤”的功利性考試模式，激勵學生發揮自主意識，強化實踐創新能力。

同時，學生可對教師進行反饋評價。傳統教學中以教師板書和多媒體教學結合為主，然而，虛擬仿真實驗教學的實驗形式、內容和評價機制與傳統教學大相徑庭。學生可通過系統對教師的虛擬仿真實驗教學水平進行評價，并可對實驗課程的教學內容、難易程度、實驗設計和教學方式等方面提出建議。

3.3.2 開放利用評價

《興城典型巖石綜合觀測教學系統》的建設起源于教學，但其價值超越了教學本身。通過調整中心對外開放機制，擴大開放時間和范圍，盡可能的滿足全校師生在日常課程學系、開放性實驗、大創實驗、畢業論文設計等需求。同時，作為校企合作開發的虛擬仿真實驗課程，通過該項目的建設與企業建立長期合作關系，提高資源利用率，發揮中心輻射虛擬仿真平臺建設的示范性作用。

3.3.3 應用的效果

本實驗能夠有效的提高學習效率，學生可以在理解理論知識的同時掌握多學科交叉的知識和實驗技巧，節省了準備實驗設備和材料的時間和成本。實驗的安全性高，一些有風險或成本高的實驗，通過本實驗可以避免實際操作中可能出現的安全問題。同時，實驗靈活性高。學生可以在任何有網絡的地方進行本實驗，不受時間和地點的限制，提高了學習的便利性。能夠對學生進行多學科交叉融合培養，提升學生綜合創新能力。

4 結語

《興城典型巖石綜合觀測教學系統》是針對多學科交叉融合的積極探索與實踐，力求填補地質類專業虛擬仿真實驗教學的空白，通過產學研結合，整合校企資源，開拓學生視野，提高學生的學習興趣，發揮學生的主觀能動性。打破當前地表地質調查和地下勘查分屬于不同專業的現狀，融合遙感科學、地表地質調查、測繪科學、地球物理勘探、元素化學分析等多學科知識體系交叉融合，改變學生知識結構單薄，實踐體系不完善的現狀，為地學類專業新工科的復合型、創新型人才培養提供新的模式和理念。

參考文獻

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