计算机虚拟技术在物探仿真实验教学中的应用及教学实践

向世明，王传雷，张学强

中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074

计算机虚拟技术在物探仿真实验教学中的应用及教学实践

向世明，王传雷，张学强

中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074

由于物探仪器价位普遍昂贵，受教育经费的限制，相关专业难以做到配备与学生人数相适应的仪器，因此远远不能满足学生的实验和实习需求。这一状况不仅影响教学，而且还影响了学生对仪器的操控能力，不利于学生实践能力的提高。我们运用虚拟技术和计算机编程，完成了物探仪器仿真模拟操作训练软件系统。该软件具有逼真的界面和实验过程，试验的可操作性强，实现了可视化的实时交互，可以脱离物探仪器实体进行仪器的操作训练。这一研究为虚拟技术在计算机辅助地质教学领域的应用做出了有益的尝试。

计算机虚拟技术；计算机辅助教学；物探仪器；仿真实验

计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术，具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点，已经成为对许多复杂系统(工程的、非工程的)进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。随着计算机硬件平台的不断普及，由计算机仿真技术开发的仿真模拟实验软件作为突破物质条件限制的补充教学手段，将会进入到许多高校的物探教学实习中。

一、当前物探实习教学中遇到的困难

地球物理的许多工作都是对仪器的操作，地下地质体的发现、反演和正演都必须以仪器的操作为基础，并受仪器的检验。对于高等学校的学生来说，能有充足的时间、空间和必要的设备在课内外进行各种类别、层次的物探仪器教学实习，对将来从事物探工作的能力培养非常有利。但是大量的学生给物探仪器的教学实习质量不断带来压力，或因实验室场地的限制，或因实验仪器短缺，很多院校的物探教学实习捉襟见肘，甚至多个学生只能分配到一套仪器，大大影响了教学效果。而现有的物探仪器更新速度较慢，“超龄服役”的仪器占有相当比例，这些老设备普遍存在不同程度的耗损，学生在实验时经常出问题。定期更新老旧设施或者添加新的项目则需要强大的财力支撑。尤其一些是物探仪器设备价格昂贵，除了少量财力雄厚的高校，鲜有大量配置，即使勉强开设了一些实习项目，多数学生也没有机会深入研究相关实习内容。另外，很少有学校的实习基地能够长时间对学生开放，这就凸显出学生实习时间不充裕，实习仪器短缺的问题。学生在排定的实习期内才有可能进实习站，实习期本来很短，还需要花费一定的时间熟悉、调整实习仪器，因而实验匆忙，难以在短时间内对实习仪器原理、使用方法、实验设计方案进行消化，对实验中遇到的问题也没有机会深入研究。

二、仿真实验软件的功能特点

开展真实的物探教学实习遇到的客观困难，短时间内无法有效解决，于是我们将对硬件依赖较小的仿真物理实验作为替代方案逐渐在物探实习教学中占据一席之地。近几年来，随着信息产业的迅猛发展，特别是计算机的普及，仿真实验才真正得到了推广发展的机遇。我校地空学院支持开发的仿真物探仪器实习系统，在物探仪器教学实习中得到了广泛的应用，师生反应良好。这套实验系统包括近6个仿真实验内容（图1、图2），从磁力仪到重、磁、电、震、测井的常见仪器实习，涵盖了应用地球物理学的各个层面。最新开发出的网络版软件可以支持学生通过连接互联网的计算机登录服务器后进行实验的操作，并且集成了讨论区、资料下载、在线提交实验报告乃至学生信息管理等功能。每项具体实验的内容也非常丰富，实验前可选择查看图文并茂的实验原理、实验步骤、注意事项（图3），学生可以对照着仪器边看边学。预习完毕还有一些与实验相关的练习题供学生自测能力。开始实验时还配有语音指导和提示。可以利用鼠标按键对仿真仪器进行各种调节。需要记录仪器数据也非常方便，只需按一个按钮将测量结果导入电子表格内，甚至可以自动读数并进行记录处理，生成图或线。仿真实验解决了实验室师资与学生规模失调的问题。提供给了学生充足的实验时间。仿真实验不受实验课时的限制，只要仿真实验服务器在运行，学生可在任何配有计算机设备和网络的地方，学生不论什么时间、什么地点，都可以进行实验。仿真实验可操作性强、重复性好。实验软件运行结果稳定，与实验次数无关，而真实实验则受到天气、地形和时间等因素的影响。随着仪器使用时间的增长，性能就会衰退，灵敏度会下降，会造成实验结果偏差越来越大，增加了学生的挫折感。仿真实验可以很好地解决这些问题而且避免了一些实验带来的安全风险。一些实验如果操作不当可能会造成重大损失，而仿真实验则完全没有这方面的担忧。

三、仿真实验与真实实验的有机结合

在实践中我们发现应该着重把仿真实验作为预习、复习实验的途径，而主要的学习过程还是采用传统的实验室教学效果较好。这样学生在进行实习前，通过仿真实验预演，已经可以对实验的过程步骤、仪器的外观结构有了一定层次的了解，防止盲目操作损坏设备。教师在实验课上就可以把教学重点放在实验技巧、实验现象和实验意义等较高层次的知识面上。而课后学生也可以利用仿真实验软件进一步领悟所学知识，有时间补充测量额外的数据，加以分析，加深对实验的理解。

图1 GSM-19T 磁力仪仿真软件界面

图2 CG-5 磁力仪仿真软件界面

图3 VB调用WORD

四、结束语

由于仿真模拟软件的实时交互、人机互动功能明显优越，以及物探专业对计算机的依赖，使得仿真模拟软件可以和一些物探数据处理软件结合，这就给仿真软件在物探教学中的应用增加了有利条件。而各种虚拟技术在仿真软件的运用，更增加了仿真教学系统的可操作性以及和真实场景高度模拟。仿真物探仪器实习系统在实际应用中得到了学生和老师的一致好评，取得了良好的教学效果，为辅助地质教学做出了突出的贡献。

[1]徐玮玮.仿真实验在教学中的应用及其意义[J].科技信息，2009，（34）：352-353.

[2]龚小刚.计算机仿真技术及其应用[J].硅谷，2008，(16)：69.

Virtual Computer Simulation Technology in the Teaching of Geophysical Applications and Teaching Practice

XIANG Shi-ming, WANG Chuan-lei, ZHANG Xue-qiang
China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

Generally expensive price of geophysical equipment, limited funds for education, relevant specialties in universities are difficult to achieve the number of basic con figuration corresponding to the number of students. Instrument con figuration can not meet the students' experiments requirement, which not only affects teaching, but also affects students'ability to control the instrument, thus not conducive to improving students' practical abilities. The authors use virtual technology and computer programming to complete a simulative training software for geophysical instrument operation. This paper describes the software interface, which has a realistic experiment, and can implement a real-time interactive visualization, which can carry out geophysical instrument operation training.This study is a good attempt for virtual technology to be used in computer-aided geological field.

computer virtualization; computer-aided teaching; geophysical equipment; simulation experiment

G642

A

1006-9372 （2011）04-0048-03

2011-09-11。

向世明，男，2009级本科生，应用地球物理学专业。