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海洋地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

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海洋地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

摘要:文章分析了海洋地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀,提出了進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)思路,以及以海洋專業(yè)特色和海洋科學(xué)研究領(lǐng)域最新成果為導(dǎo)向,在教學(xué)資源、教學(xué)終端、教學(xué)資源管理平臺(tái)和教學(xué)環(huán)境平臺(tái)四個(gè)方面的建設(shè)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞:海洋地質(zhì);實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息技術(shù)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合,是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容,也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)和發(fā)展的方向[1-4]。2018年4月,教育部《關(guān)于實(shí)施卓越教師培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見(jiàn)》指出,要充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)等,建設(shè)開(kāi)發(fā)一批交互性、情境化的教師教育課程資源。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、安全系數(shù)低、效率低下等缺點(diǎn),使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加直觀化、系統(tǒng)化。目前,國(guó)內(nèi)許多高校圍繞醫(yī)藥工程、化學(xué)化工、環(huán)境工程、土木工程、安全工程等不同專業(yè)積極進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)[5-7],促進(jìn)了教學(xué)方式創(chuàng)新和教學(xué)方法變革。海洋地質(zhì)學(xué)是大陸地質(zhì)學(xué)在海洋中的發(fā)展,利用虛擬仿真方法可以真實(shí)地模擬海岸與海底地形地貌、海洋沉積物、海底構(gòu)造、海洋礦產(chǎn)以及海洋地質(zhì)調(diào)查技術(shù)工作的實(shí)施過(guò)程。采用虛擬現(xiàn)實(shí)、動(dòng)畫(huà)視頻、文字圖片、三維互動(dòng)等多種形式,能夠充分實(shí)現(xiàn)海洋地質(zhì)的三維立體仿真環(huán)境,使學(xué)生在涉海虛擬環(huán)境中開(kāi)展操作實(shí)驗(yàn),從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

1海洋地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

海洋地質(zhì)是地質(zhì)學(xué)與海洋學(xué)之間的交叉學(xué)科,從事海洋地質(zhì)研究以及與之相關(guān)的資源勘查工作,需要具備深厚的地質(zhì)學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)及海洋學(xué)基礎(chǔ)理論,同時(shí)又必須掌握海洋、海底和海域沉積盆地地質(zhì)資源的調(diào)查、勘察等的技術(shù)和方法。因此,海洋地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)十分必要[8]。但是一直以來(lái),受地域、空間和實(shí)驗(yàn)裝備等多方面的制約,海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在海洋科學(xué)、海洋地質(zhì)與資源等方向上的實(shí)踐教學(xué),始終無(wú)法面向真正的大海進(jìn)入大洋深處探密。以海洋地質(zhì)調(diào)查為例,由于調(diào)查對(duì)象被海水覆蓋,海洋地質(zhì)調(diào)查必須依靠運(yùn)載工具即海上工作平臺(tái)(海洋地質(zhì)調(diào)查船),其調(diào)查內(nèi)容、使用的儀器設(shè)備乃至研究方法等也具有鮮明的區(qū)別于陸地地質(zhì)工作的特點(diǎn)[9-10]。因此,在日常教學(xué)過(guò)程中,很難像陸地地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)那樣,開(kāi)展實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)教學(xué),圖片、課件等則很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。因此,海洋地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè),對(duì)于海洋地質(zhì)專業(yè)的發(fā)展具有重要意義。海洋地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè),要以教學(xué)實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ),在現(xiàn)有海洋地質(zhì)專業(yè)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上,結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),研發(fā)海洋地質(zhì)專業(yè)類虛擬仿真內(nèi)容,以虛補(bǔ)實(shí),為實(shí)現(xiàn)海洋地質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)提供有力支撐。

2實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)建設(shè)思路

總體來(lái)說(shuō),要立足國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo),以教育部《示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目》精神為指導(dǎo),堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向和需求導(dǎo)向,緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)海洋科學(xué)高層次人才培養(yǎng)的需求,緊密結(jié)合海洋專業(yè)特色和海洋科學(xué)研究領(lǐng)域最新成果,以學(xué)?!疤厣?精品”的發(fā)展理念及學(xué)科強(qiáng)校戰(zhàn)略為依托,以實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放和共享為宗旨,以“兩創(chuàng)”(創(chuàng)業(yè)精神和創(chuàng)新能力)人才培養(yǎng)為目標(biāo),圍繞“海洋科學(xué)”“海洋資源與環(huán)境”兩個(gè)專業(yè),以海洋地質(zhì)學(xué)、海洋礦產(chǎn)資源、海洋環(huán)境與生物、海洋地球物理技術(shù)等學(xué)科為交叉,將海洋地質(zhì)和海洋地質(zhì)資源的實(shí)踐教學(xué)作為一個(gè)整體,采用現(xiàn)代信息技術(shù),以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)為主,進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)資源、虛擬實(shí)驗(yàn)資源及配套教學(xué)資源展示平臺(tái)的綜合建設(shè)[11-12]。具體應(yīng)體現(xiàn)在以下方面。(1)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。從學(xué)生需求出發(fā),結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)際,利用虛擬仿真交互形式調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性,注重學(xué)生能力提升及對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握。(2)準(zhǔn)確適宜的教學(xué)內(nèi)容。以問(wèn)題、需求為導(dǎo)向,以“本科+研究生”人才培養(yǎng)為目標(biāo),體現(xiàn)必要性、適用性,針對(duì)海洋地質(zhì)專業(yè)學(xué)生所學(xué)部分知識(shí)無(wú)法真實(shí)觀察及體驗(yàn)的問(wèn)題,定制研發(fā)虛擬仿真內(nèi)容,以虛補(bǔ)實(shí)。(3)創(chuàng)新多樣的教學(xué)方法。利用各種可提升教學(xué)效果的方式方法,如互動(dòng)體驗(yàn)式、探究式等,倡導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主式、體驗(yàn)式、探究式學(xué)習(xí)。(4)先進(jìn)可靠的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)。結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo),利用虛擬仿真技術(shù)研發(fā)三維可交互、三維可視化的教學(xué)資源,幫助學(xué)生理解和掌握那些靠傳統(tǒng)教學(xué)難以講明白的知識(shí)點(diǎn)。

3實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

海洋地質(zhì)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)主要針對(duì)海洋科學(xué)、海洋資源與環(huán)境(海洋地質(zhì)資源方向)專業(yè)進(jìn)行,包括教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)終端建設(shè)、教學(xué)資源管理平臺(tái)建設(shè)和教學(xué)環(huán)境平臺(tái)建設(shè)四方面內(nèi)容。

3.1教學(xué)資源建設(shè)

教學(xué)資源建設(shè)是指以下四個(gè)方面的建設(shè):海上三維可視化水平井地質(zhì)導(dǎo)向模擬仿真展示系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)、海洋陸架含油氣系統(tǒng)演化及油氣運(yùn)移過(guò)程仿真模擬(見(jiàn)圖2)、海洋陸架地質(zhì)地層構(gòu)造變形數(shù)值仿真模擬(見(jiàn)圖3)和深海三維可視化天然氣水合物模擬開(kāi)采仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖4)。這些建設(shè)內(nèi)容將用于“海洋地質(zhì)”“海洋地質(zhì)資源”“海上油氣地質(zhì)”“油氣測(cè)井及地下地質(zhì)分析”等實(shí)驗(yàn)課程,滿足海洋科學(xué)、海洋地質(zhì)與資源等方向的實(shí)踐教學(xué)。

3.2教學(xué)終端建設(shè)

虛擬實(shí)驗(yàn)是基于虛擬環(huán)境、虛擬儀器、虛擬物料等要素設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的,可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤等操作實(shí)驗(yàn)要素進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。我們采用三維互動(dòng)、三維漫游、三維動(dòng)畫(huà)及平面元素等來(lái)構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。系統(tǒng)具有碰撞檢測(cè)功能,可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)調(diào)節(jié)、非線性實(shí)時(shí)處理等操作。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了每個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的三維模型及三維動(dòng)畫(huà)原理仿真模擬,以豐富的可操作性交互仿真模擬實(shí)驗(yàn)的諸多內(nèi)容,如對(duì)于難以觀察到的天然氣水合物,學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真軟件進(jìn)行觀察,還可以通過(guò)其微觀結(jié)構(gòu)和全球分布情況的三維模擬作進(jìn)一步探究,也可以通過(guò)軟件交互模擬操作天然氣水合物的整個(gè)開(kāi)采流程。定制開(kāi)發(fā)軟件可以清晰展示三維模型場(chǎng)景及可交互操作界面,通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)、三維模型、交互操作等可視化的形式,對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行情景再現(xiàn),使所涉及的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)具象化,提高學(xué)生興趣,彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)條件的不足,提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教師教學(xué)效果。

3.3教學(xué)資源管理平臺(tái)建設(shè)

平臺(tái)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不涉及學(xué)生學(xué)籍等重要信息,信息系統(tǒng)安全等級(jí)保護(hù)暫定為一級(jí)。服務(wù)器硬件部署在實(shí)驗(yàn)室核心機(jī)房,有專人管理,符合物理安全要求。網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層由學(xué)校信息中心負(fù)責(zé)維護(hù),符合相關(guān)要求。數(shù)據(jù)采取定期備份方式以保證數(shù)據(jù)安全,整體符合信息系統(tǒng)安全等級(jí)保護(hù)要求。

3.4教學(xué)環(huán)境平臺(tái)建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室應(yīng)可容納多人同時(shí)上課,并且具有展示功能。教學(xué)資源展示中心一期建設(shè)已基本完成并可投入日常教學(xué)使用,后續(xù)將逐步完成信息化升級(jí),提升教學(xué)資源展示中心的整體信息化管理水平,提升對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的管理水平,實(shí)現(xiàn)更流暢的信息共享,完善整體教學(xué)效果。另外,可對(duì)平臺(tái)建設(shè)的載體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造,除了滿足日常教學(xué)需求外增加虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境,為探究性實(shí)驗(yàn)提供更自然的交互體驗(yàn)。

4結(jié)語(yǔ)

海洋地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè),突破了傳統(tǒng)海洋地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)地域、空間和實(shí)驗(yàn)裝備等多方面制約,建立起生動(dòng)、三維立體、互動(dòng)的信息化教學(xué)新模式,激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,使教學(xué)觀念從以“教師為中心”變?yōu)橐浴皩W(xué)生為中心”,實(shí)行了個(gè)性化教學(xué)、合作化教學(xué),推進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè),推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

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作者:王睿 李琦 姜正龍 柳長(zhǎng)峰 單位:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)