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虚拟现实技术对地学类课程教学的影响展望
2015年11月19日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:任拥军 邱隆伟 
    单位:中国石油大学(山东 东营)

    [摘要] 作为一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统,虚拟现实技术在地质类课程教学中的应用,将促使教学过程角色的变化,显著改善和提高学习环境和学习条件,满足不同层次学生的学习需要,更加全面和有效地培养学生掌握和应用专业知识的能力,从而对教学质量的提高作出积极贡献。

    虚拟现实技术是仅次于互联网的改变世界未来的重要技术,它不但将改变人类从事科学研究、技术设计和生产实践的方式,而且为促进人的认识能力全面发展提供了新工具。虚拟现实技术已经在诸如航空航天、军事训练、体育训练、医学实习、建筑设计以及游戏娱乐等众多领域得到了广泛应用。

    由计算机可视化实现的临境性及交互性,可以使地学类的许多课程的教学内容得到更为具体和有效的展示,使学生在虚拟环境中得到身临其境的全方位感觉和操作实践。

虚拟现实技术地质仿真图(来源于互联网)

    一、虚拟现实技术与地学类课程教学的结合点

    虚拟现实的概念提出于 20 世纪 70 年代,90年代初开始受到广泛重视,并得到了快速发展,目前已经发展成涉及计算机图形学、人机接口技术、传感技术及人工智能技术、心理学、人类工程学等学科领域的一项综合技术。虚拟现实系统具有三个主要特性,即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和构想性(Imagenation)。

    通过使用者与虚拟环境的各种对象的相互作用,产生如同现实世界一样的真实感。在虚拟现实环境中,使用者不仅能获得身临其境的感觉和体会,还可以通过某些手段影响和改变虚拟环境,把虚拟现实系统作为设计工具进行产品设计、产品性能检验和设计参数的修改,从而大大提高了设计或规划的质量与效率。

    地学类课程具有现实性与抽象性的统一、宏观性与微观性的统一、整体性与分异性的统一、时间的漫长性与瞬间性的统一、自然过程的复杂性与有序性的统一等特点,这就决定了在课程教学中涉及的课程内容多、实践性强。在具体的教学过程中主要表现如下特征:

    (1)地学类的许多课程都必须使用大量的实物教具和模型,如岩矿标本、化石标本。模型方面更是大到如行星构成、地球结构,小到晶体单形、晶体结构以至原子及分子结构微观结构模型等。

    (2)地学类课程的教学涉及空间场景和动态内容多,其教学内容涵盖了从宏观到微观各个层次的空间场景,而且许多内容属动态过程,如构造运动等。

    (3)地学类课程要求配套的实践教学条件较高,几乎所有课程都需要配套的实验室,以及成套的实验教学仪器设备,有的课程几乎需要全部在野外教学基地完成,因而实践教学的经费投入非常大。

    在目前的实际教学中,有的教具模型可以在课堂上展示,但也有相当部分受场地空间的限制无法有效利用。部分空间场景可以通过影视和简单的三维动画展示,但对于地质作用涉及的大部分空间场景而言,要么过于宏观,要么过于微观而难于身临其境,而绝大部分的动态内容则是无法实际观察的。

    这样原本生动的教学内容,就只能通过呆板的讲解代替,学生的学习兴趣和对内容的理解就受到了很大的限制。虚拟现实技术的出现与发展给地质类课程的教学提供了很好的手段,无论是教具模型、空间场景还是动态过程都可能实现向虚拟现实的转化。而且实践教学的虚拟化不仅可以节约大量实践教学设备的投入,而且可以满足教学的个性化需求。


    二、虚拟现实技术在地学类课程教学中的应用前景

    虚拟现实技术尽管兴起已有几十年,但是真正应用于教学实践则方兴未艾,地学类课程所具有的特点,决定了应用虚拟现实技术在教学中具有良好的应用前景。虚拟现实技术由计算机可视化实现的临境性及交互性,可以使地学类许多课程的教学内容得到更为具体和有效的展示,并为学生的学习提供更好的学习环境。该项技术可以应用到课堂教学、实验教学、学生自学、远程教育等实际教学过程中。

    1.教学素材的虚拟现实

    地学类课程的许多教学内容,必须结合实物进行教学。或者受实物大小和视角等因素的影响,或者是不易直接进行考察的野外景观,或者是超出人们肉眼直接观察能力的宏观及微观现象等,只能通过标本和模型进行代替。但受实际教学场景限制,其效果大打折扣。把相应的照片编制到课件中,照片所展示的也只是个别侧面,而不是整体的特征。

    使用 3D 电子模型,只能像电影一样播放,缺乏真正的交互性,表现形式单调。而虚拟现实模型很好地解决了这些问题,它可以使模型任意放大和缩小、从任意角度来进行观察,而且模型的调用非常方便,使教学过程变得更加灵活和生动。受实验条件以及学生本身时间条件等的制约,学生在实验室进行标本和模型观察和描述的时间是非常有限的,通过虚拟现实技术可以在网络上构建虚拟实验室,这样学生有时间和兴趣的话,就可以随时上网进行浏览和操作。

    因此虚拟现实模型的使用可以极大改善教学环境和教学条件。尤其是对于地学类课程所需的各类标本和模型,通过建立虚拟数字博物馆,丰富教学资源,实现校际共享,节约投资,而且可以使教师的教学和学生的学习使用获得最大的便利。

    2.课堂教学实验化

    地学类课程理论教学和实践教学从理论上说是不能分开的,但是我国许多大学学生较多,在实际的教学实践中,理论教学与实践教学是在不同的教室进行的,在理论教学中不可回避的实验内容只得通过一些模型和图片进行展示,而到实验教学时又需要从新回顾涉及的理论知识,这样既浪费时间,教学效果也不是很理想。通过引入虚拟现实技术将常规实验内容编制于课件之中可以很好地解决这一问题,将理论教学和实践教学结合在一起,实现课堂教学实验化。使学生获得真正置身于现场的感觉。

    虚拟现实技术引入课堂,也对教师提出了更高的要求,教师需要在课下收集各类相关的知识,根据教学需要编制相应的教学软件,并根据教学对象、教学内容等对课件进行不断改进和优化。在虚拟教学环境中,教师的主要职能由通过传统方法传授知识转向引导更多的专业训练、兼顾引导学生制定学习策略、引导学生应用本课程知识体系和基本技能提出问题和解决问题,以及对学生学习效果的监督上来。

    3.实验内容开放化

    对于地质学及相关学科来说,有许多实验由于实验仪器的昂贵、高耗材、具有一定危险性等,教学实验室的台套数有限,很难达到每个学生都亲自操作,更难于真正做到完全的实验室开放。虚拟现实技术可生成适于进行虚拟实验的实验系统,包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。虚拟实验室可以不受场地条件限制,通过网络在不同的地方、相同的时间让多人共享同一资源,而且虚拟实验室可使教学内容在虚拟环境中不断更新,使实验、实践及时跟上技术的发展,同时可减少设备及维修经费的投入。

    尽管这种虚拟实验并不能完全代替真实的操作,但由于虚拟系统的高度真实感,以及实验操作变得容易实现,使实验室在虚拟状态下的开放成为可能。如“几何光学设计实验平台”作为我国第一套基于虚拟现实的教学软件已经研制成功,这套系统完成了一整套光学虚拟实验室的设计,学生通过所提供的一系列光学仪器,可以基本上完成所有的单透镜实验和组合透镜实验;对于地学专业可以应用的大型仪器(如扫描探针显微镜仿真培训系统)的模拟操作也有人进行过探索;通过晶体单形模型库,学生可以在虚拟现实的环境中对模型进行对称操作以及晶体定向等实验。

    虚拟实验可以让学生熟悉实验流程、处理一些常见的难点问题及易出错、易造成损害的问题,学生如果需要也可以不厌其烦地反复练习,直至熟练掌握操作、维护和检修的技能。这样学生既学到了相应的知识和技能,同时也避免了可能的损失和伤害。加上在实际操作前的训练,能够积累经验、培养技能,相关的实验内容在虚拟现实中的演练也凸显其重要性。

    4.能力培养多维化和长线化

    教学的目的在于使学生真正掌握应知应会的内容,并且获得能力上的锻炼和提高。传统的教学过程离开了教师的授课以及在教师指导下的实验,想达到学习的目的是非常不容易的,因此专业课程的学习很多情况下只能局限于相应专业的学生在特定的时间上课和实验来解决,对于外专业学生的学习因为上述因素的影响而难于坚持下去。虚拟现实技术使教师可以根据不同专业学生的需要编制课堂教学课件、学生自学课件、网络课件、实验课件等,使学生的课后自学变得更加简便易行,学生可以很容易在网络这个真正开放环境中随时随地学习自己喜欢的课程、进行自己喜欢的实验。

    对于远程教育来说,采用虚拟实验对教学效果的提高更是不可忽视的。由于远程教育中受教育者及教育方式的特点,决定了所有实验内容都进行面授是不可能的,在这种情况下,很多实验内容通过虚拟实验就可以得到很好的解决。

    伴随虚拟现实技术的发展及其在课堂教学中的应用,新的教学手段和教学辅助资料不断涌现,虚拟现实资料库、虚拟实验、虚拟课堂乃至虚拟校园等,这些新的媒体不仅使教学获得更加真实、直观的效果,并且该项技术能够建立一个学生易达的虚拟学习环境,能够随时调用感兴趣的内容,并且在这个虚拟的教学环境中持续接受专业知识的熏陶,达到专业培养长线化的目的。这种专业知识不间断温习对知识的掌握和巩固具有重要意义。

    尽管目前虚拟现实技术在地学类课程教学中的应用程度仍然较低,可用的教学软件、课件和教学资源仍然较少,但是其强大的虚拟真实性及交互性等特点决定了这种新的教学媒体必将广泛应用于教学,并对地质类课程的教学产生巨大的促进作用。

    [作者简介] 

    任拥军(1968~),男,山西榆社人,中国石油大学(华东)地球资源与信息学院副教授。

    [参考文献]

    [1] 刘凤田,刘玉兰.虚拟现实技术及其在教育领域中的应用研究[J].河北农业大学学报(农林教育版),2005,7(1):13-15.

    [2] 宋淑彩,杨克俭,温秀梅,高丽婷.虚拟现实技术及其在教学中的应用[J].福建电脑,2005,(5):39-40.

    [3] 李国武.虚拟现实技术(VRML)在晶体结构教学及结构分析中的应用[J].计算机与现代化,2003,(7):44-48.

    [4] 邱隆伟.虚拟现实技术在地学类课程教学中的应用[J].中国地质教育,2006,(58):61-64.

    [5] 王莹莹.浅谈虚拟现实技术在高校教育中的应用[J].重庆石油高等专科学校学报,2004,6(4):89-91.

    [6] 陈晓春.虚拟现实在现代教育技术中的应用[J].铜陵学院学报,2005,(3):119-120.

    [7] 徐全生,臧冀,张大坤,张超.基于虚拟现实的扫描探针显微镜仿真培训系统[J].沈阳工业大学学报,2004,26(1):75-78.


标签:地学教学石油地质
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