基于虚拟仿真的地理实验教学体系构建

【摘要】虚拟仿真地理实验教学体系构建是地理类示范性虚拟仿真项目建设的根基，为提高高校地理实验教学的整体水平，促进创新型、复合型人才的培养，需要针对部分传统地理实验中高危、高成本、完成时间极长或极短等问题，利用虚拟现实、混合现实等高新技术突破传统模式的限制，构建涵盖地理学基础、应用和创新的“三层次六模块”虚拟仿真地理实验教学体系，最终实现虚拟仿真实验教学的开放共享。

【关键词】虚拟仿真 实验教学体系 虚拟现实 混合现实

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）31-0175-02

引言

长期以来，在地理实验教学中，受多种因素制约，部分教学内容用常规实验手段难以完成，例如：受地理时空限制，完成实验的时间很长或极短，实验对象在常规实验中不易观察（如天体的内部结构与动态变化）；某些实验作为学生就业的必要技能但实验的成本高、消耗大，对于普通高校来说遥不可及；而某些高危、极端、不可逆类实验的对象有毒副作用或化学稳定性差，在实操过程中有安全风险（如土壤实验）；还有一些贵重仪器设备的操作复杂度高，误操作将造成仪器损毁。以上问题在一定程度上限制了地理实验教学效果，不利于培养学生的综合创新能力[1-3]。

虚拟仿真实验是在虚拟现实、多媒体等技术背景下衍生和发展的一种新实验模式，它以计算机为控制中心，利用软件技术构建逻辑结构，协调相关硬件形成虚拟实验系统，并通过网络形成虚拟实验系统网络化，使学生通过模拟设备操作，到达甚至优于在真实环境中完成预定实验项目的训练效果[4-5]，而虚拟仿真实验室是由虚拟实验技术生成的若干适用于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验室环境、仪器设备、实验对象及实验信息资源等[6-7]。

虚拟仿真地理实验教学体系构建是地理类示范性虚拟仿真项目建设的根基，广州大学资源环境与区域规划实验室经过多年探索，针对以上常规地理实验教学中存在的问题，建设“3基础+2平台+1创新”的虚拟仿真地理实验教学体系，供高校建设地理虚拟仿真实验室和实验项目借鉴之用[8-9]。

1.地理虚拟教学模块设计

“3基础”是指“自然地理虚拟实验”、“人文地理虚拟实验”、“地图学与地理信息系统虚拟实验”三大教学基础模块；“2平台”是指“贵重仪器虚拟实操平台”、“虚拟地理环境实训平台”两大教学应用模块；“1创新”是指“地理类实践项目设计DIY”一大教学创新模块。六大模块涵盖地理学基础、应用和创新三个人才培养层面，能基本覆盖地理学本科与研究生培养阶段的主干实验课程，兼顾教学与科研的基本需要。

1.1 地理基础模块以虚补实

地理基础模块的主要虚拟内容是实验场景，它要解决的教学问题是地理实验中有一部分是常规实验不具备或难以实现或危险性高的，如“天体观测”、“土壤测定”等。借助虚拟仿真技术，通过虚拟实验场景来研究实验对象，拓展实验教学的时空维度。典型的实验项目如：大气环流虚拟仿真实验、天体运动虚拟仿真实验、土壤测定虚拟仿真实验、地图投影虚拟仿真实验等。在常规实验中，学生较少能接触这些实验对象或过程，所以，仿真实验成为常规实验的有效补充，使学生能便捷、系统地掌握专业基础理论。

1.2 地理应用模块以虚仿实

地理应用模块的主要虚拟内容是实验技术，它要解决的教学问题是地理实验中有一部分实验设备或耗材过于昂贵，开展常规实验意味着持续地高投入、高消耗，所以该类实验始终无法全面覆盖本科教学，但这些实验技能又是学生就业的关键储备。因此利用虚拟仿真技术，模拟贵重仪器的实现原理和实操流程，使学生先在虚拟平台反复练习，待正确熟练操作后再到真实设备上开展实验，从而有效降低实验室的设备购置和维护成本[10-11]。典型的实验项目如：无人机的使用虚拟仿真实验、南沙湿地植物调查与群落分析虚拟仿真实验等。

1.3 地理创新模块以虚代实

人才培养计划与实验教学大纲本质上是高校培养学生的规定动作、固化动作，即使每隔几年会修订新版，客观上仍滞后于用人单位的需求与科技社会的发展。同时，实验设备购置流程复杂冗长，这直接导致实验与社会生产实践之间存在一定程度的脱节。因此，以具体的地理类实践项目为虚拟对象，利用虚拟仿真技术提供的基础实验组件、实验参数与实验情景，由学生自主设计实验项目，以虚代实，能有效扩充实验教学的内涵，丰富实践教学成果，也有利于学生创新能力的培养和高质量就业。其中自主设计的代表性实验项目有：城市三维建模与动态模拟、物流配送中心选址与网络优化、生态空间动态监测及评价等。

2.地理虚拟实验项目设计

虚拟仿真实验从设计到实现的整个过程都会耗费高校大量的人力、物力和财力，所以其初衷应该是用来针对传统实验教学的瓶颈实现有效突破。所以，在设计中，必须坚持“能实不虚”和“虚实结合”的原则，将理论和实验教学有机融合，突破传统实验在时空上的局限，并有效结合最新科技成果与学生学习习惯。同时，虚拟实验项目内容应该完整、逼真、交互性强[12]。最后，虚拟实验项目作为传统实验的仿真与回朔，在模拟实验场景时还应给予学生相应的提醒、提示和提问，实现友好智能的人机交互。

结语

综上所述，为了提高地理实验教学水平，促进创新型人才培养，通过全面整合实验室资源，设计统一开放的实验教学模块与平台，并充分利用高科技信息化手段的后发优势突破传统教学范式的限制，构建涵盖地理学基础、应用和创新的“三层次六模块”虚拟仿真地理实验教学体系，最终实现虚拟仿真实验教学资源的开放共享。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知（教高厅函（2017）4号）[Z].2017.

[2]中华人民共和国教育部.教育部办公厅关于开展2017年度示范性虚拟仿真实验教学項目认定工作的通知（教高厅函（2017）47号）[Z].2017.

[3]中华人民共和国教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知（教高司函（2013）94号）[Z].2013.

[4]许秀云，张玉梁.依托现代信息技术提高实验教学质量[J].实验室研究与探索，2011（5）：131-132.

[5]张敬南，张钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2011（3）：102-103.

[6]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013（11）：6-7.

[7]徐进.2013年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作小结及2014年申报建议[J].实验室研究与探索，2014（8）：1-2.

[8]陈国辉，刘有才，刘士军.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].实验室研究与探索，2015（8）：170-171.

[9]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013（12）：5-8.

[10]费克文，倪光峰，王伏玲.高校大型仪器设备开放共享实践与探索[J].实验室研究与探索，2011（9）：401-402.

[11]李爱封.仪器分析实验教学内容改革与实践[J].大学化学，2012（6）：30-31.

[12]中华人民共和国教育部.国家级实验教学示范中心管理办法（教高厅函（2016）3号）[Z].2016.

作者简介：

刘超（1983年6月—），男，湖南长沙人，广州大学实验员，硕士研究生，主要从事地理实验教学研究。