基于虚拟仿真技术的防震减灾基础实践教学资源建设的探索

陈 健, 姜纪沂, 于晓辉, 周 洋, 张莉丽

(防灾科技学院， 河北 三河 065201)

0 引 言

将虚拟仿真技术应用于实践教学是国家教育信息化战略的重要组成部分，对提升学生综合实践能力发挥了不可替代的作用。《国家教育事业发展“十三五”规划》中提到，要全力推动信息技术与教育教学深度融合，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育新模式。

进入21世纪，虚拟仿真技术在教学中应用得到迅速发展。英国开放大学开放科学实验室能够在线实现虚拟仪器共享使用的实验项目；美国耶鲁大学发挥移动实验具有的即时性、参与性、情境性、泛在性、愉悦性等优势，采用平板电脑完成生物学、细胞生物学、发育生物学等课程实验；西班牙马德里IE商学院运用名为“唐宁街10号”的教育类游戏软件开展教学，使学生学习和了解全球经济政策的复杂性，培养解决相关领域紧迫问题的实际能力。

2009年，同济大学依托自身学科优势，本着虚实结合的原则，在原有国家级实验教学示范中心基础上，探索建设了土木工程虚拟仿真实验教学示范中心。我国2013年启动国家级虚拟仿真实验教学示范中心建设工作，将虚拟仿真技术引入到本科实验教学。国内高校积极响应信息技术与教育深入融合的要求，2015年成都理工大学依托校内外地质教学资源，建成国家级地质学虚拟仿真实验教学中心，内容包括基于网络的虚拟仪器实验、数值仿真实验、物理仿真实验等，提升了学生个性化实验和综合实践能力。截至2016年初，全国各高校已经建立了300个国家级虚拟仿真实验教学示范中心。

在防震减灾领域也积极开展虚拟仿真技术应用探索，中国地震局利用虚拟仿真、场景渲染和多媒体等技术，研制用于培训的地震应急处置推演训练系统，在地震应急推演训练中给出了较为完整的解决方案。

1 建设的主要内容

我国是一个地震频发的国家，国家历来重视防震减灾事业的发展。防灾科技学院隶属于中国地震局，是全国仅有的以防灾减灾高等教育为主、学科门类齐全的综合性全日制普通高等学校，肩负培养防震减灾专业人才和服务社会的使命和责任。

基于培养防震减灾基础人才的需要，校内外结合，建设防震减灾虚拟仿真实践教学资源，主要包括基础地质、水文地质和土木工程3方面的内容。秦皇岛柳江盆地自然保护区地质教学历史悠久，地质教学资源丰富。依托柳江自然保护区基础地质、水文地质实习路线，融合校内显微镜、活动构造与地震地质灾害等实验室相关实验设备，通过虚拟仿真技术，实景再现野外实习场景，模拟实验设备，设计开发与实践教学环节相同的虚拟仿真教学环节，在虚拟环境中实现具有沉浸性、引导性、参与性和高效性的教学场景与内容。

北川羌族自治县地震遗址，是2008年汶川地震后遗留下来保护完整的地震遗迹。震区现存各类建筑的破坏形态，是土木工程专业学生天然的实践教学资源。通过前期充分的科学考察，积累了丰富的教学资源，通过虚拟仿真技术，还原地震现场，模拟地震过程、建筑破坏过程和振动台大型仪器设备工作过程，解释地震机理及建筑破坏结构原理。

2 建设的意义和作用

利用虚拟仿真技术开展实践教学，3D虚拟仿真技术实现形式逼真，有助于演示抽象教学内容；通过虚拟仿真技术构建的虚拟教学场景趣味性强，更能激发学生学习兴趣；通过虚拟仿真技术，将各种教学资源集中于PC桌面、手机屏幕，使学习更高效。

2.1 有利于实践教学资源的整合利用

防震减灾类实践教学资源物理上分布比较分散，例如，基础地质、水文地质野外实习涉及10余条路线，面积覆盖数10 km2，地质现象比较分散；地震遗址距学校千里之外等。校外资源与校内资源无法有机融合。

通过虚拟仿真技术，可以将校内外实践教学资源“搬”到PC桌面，“放”在手机屏幕，在虚拟场景中，方便高效的教学辅助工具，和实验室零距离，野外取样随时随地都可进行实验。能够为学生提供一个“可以装在口袋里”的实验室，便于校内外实践教学资源的整合利用。

2.2 有利于提高学生学习兴趣和效率

3D网游、3D手游是大学生喜闻乐见的娱乐形式。以3D虚拟仿真技术，将枯燥、条件恶劣的实践教学资源构建为高度仿真的虚拟现实教学环境，建成桌面虚拟仿真、手机版虚拟仿真系统，兼具教学性与娱乐性，使学生沉浸其中、乐在其中、学在其中。实现互动教学，最大限度地激发学生的自主学习兴趣，具有独特的教学作用。

通常,对于校外实习基地的教学内容一般采取集中时间、集中组织的形式开展教学活动，学生很难提前充分的预习和准备。通过虚拟仿真技术实现的虚拟仿真教学资源平台，学生可以身临其境环境中，真实模拟实习过程、实习任务以及可能遇到的问题，提前做好实习的预习和准备，可以在实习教学过程中，大大提高教学和学习效率。

2.3 有利于实践教学资源的保护

柳江盆地自然保护区和北川地震遗址都是不可多得的野外实践教学资源。每年有数十所地质类院校学生批量在柳江盆地自然保护区开展地质类教学实习活动，每年都有多批次科考人员和学生赴北川地震遗址开展科考和教学活动。

柳江盆地自然保护区的教学资源包括各种出露的地质现象，北川地震遗址是世界有记录历史以来，记录到的最大垂直抬升位移量的地震构造遗迹，被誉为“天然地质博物馆”。随着时间推移，采矿、侵蚀、泥石流和灾后重建等，导致野外教学资源不断遭到不可恢复的破坏，如果不加以保护，多年以后，这种优质的教学资源可能不复存在。

通过虚拟仿真技术进行3D建模，辅以全景技术，可以再现野外实践教学场景、教学内容，并融入教学方法，将实践教学资源虚拟化、电子化，使宝贵的教学资源长久保存和使用。

2.4 有利于防震减灾科普知识宣传

防震减灾科普知识宣传是防震减灾工作的重要部分，持续开展防震减灾科普知识宣传，是防灾科技学院天然的社会责任。通过长期坚持不懈的努力宣传，不断加深广大人民群众的防灾抗灾救灾意识，很大程度的提高人民群众的抗震设防意识和抗灾自觉性，实现灾前预防、灾害发生时把破坏和损失控制到最少程度的可能性。

3 建设思路与实现途径

根据“地震监测预报、地震灾害预防、地震紧急救援”三大工作体系对基础人才培养的需求，整合野外与实验室的地震地质、地震灾害实践教学资源，通过虚拟仿真技术更有效的提高应用型人才培养质量。

3.1 规划建设内容，明确建设需求

依据柳江盆地自然保护区和北川地震遗址现存教学条件，本着“虚实结合、能实不虚、以虚补实”的基本原则，对于利用虚拟仿真技术构建地震地质基础、活动构造探测、地震灾害与地震过程模拟、建筑结构震害分析等4个模块防震减灾虚拟仿真基础实践教学资源体系。具体如图1所示。

图1 防震减灾虚拟仿真基础实践教学资源体系

3.2 设计实现脚本，探索应用模式

虚拟仿真实践教学资源的建设，既包括场景、仪器设备、观察点的建模，也包括教学内容、环节、方法的融入。以多年实验、实习教学内容与经验积累和科考获取的一手资料为基本依据，在充分论证的基础上，设计编写虚拟仿真教学资源设计脚本，按教学过程加以实现。

虚拟仿真教学资源应具有沉浸性。虚拟现实技术是对真实世界的三维模拟，沉浸性是其最主要的特征，沉浸性可以引起用户的思想共鸣，造成心理的沉浸。虚拟仿真教学资源还应具有趣味性。

4 基于虚拟仿真技术的防震减灾基础实践教学资源的应用

虚拟仿真实践教学资源具有生动、逼真、立体、有趣等诸多优点，是对实际教学场景和教学内容的实景再现。在“虚实结合、能实不虚、以虚补实”的建设原则下，虚拟仿真实践教学资源与实物教学资源之间的关系如何处理，充分发挥虚拟仿真教学资源在人才培养中的作用。

4.1 建立“虚拟场景-模拟设备-实景教学”三结合的实践教学新模式

通过虚拟仿真技术，从宏观到微观层面实景再现秦皇岛柳江盆地地质实习路线、水文地质实习路线、北川地震遗址、相关大型仪器设备及其包括的所有教学内容；模拟地质类、地下水、土木工程和结构抗震等实验设备。在虚拟环境中了解路线、认识岩石与地质构造、分析建筑破坏成因等，完成预习、复习和基本设备的操作训练。

4.2 建立虚拟环境闯关、实景教学考核相结合的考评体系

在虚拟环境中，根据教学环节，合理设置闯关关卡，增强虚拟仿真教学资源的互动、趣味性，激发学生学习的热情；在实景教学过程中，利用学生在虚拟环境中获得的经验和设备使用技能，实现实习过程中教师为主导、学生为主体的教学模式，充分体现学生自主实践和自我管理的主体地位，同时，加强实景教学的过程考核，两者相辅相成，提高教学效果和效率。

4.3 面向地震系统服务社会，开展培训与科普宣传

搭建Web平台，利用虚拟仿真资源，面向地震系统内地震监测预报、地震灾害预防两个方向的专业人员开放，可以解决培训内容抽象、现场实习教学受限等问题；面向社会开放，为关注和了解防震减灾相关知识人群提供可学习、可操作、仿真环境、真实感受的体验和学习资源，提高社会对防震减灾知识的普及程度。

5 结 语

基于虚拟仿真技术的防震减灾基础实践教学资源建设顺应了信息技术与教育融合的历史潮流，符合教育内容更新、教育方法改革以及受教育者特点变化的客观事实，从教学资源建设途径、教学方法与教学模式改革等方面获得了一些经验，但资源利用的效能评价仍需进一步探索。