虚拟现实技术在地球物理学专业课程教学中的应用前景展望—— 访长安大学地质工程与测绘学院刘致水博士

◎ 文/段海望

虚拟现实（简称VR）技术是用计算机技术来创造一种沉浸式环境以模拟真实世界或者想象中世界的技术。随着VR 技术的日渐成熟，它在教学中的应用前景如何？近日，我们就此采访了长安大学地质工程与测绘学院的刘致水博士。他认为，基于VR 技术的虚拟教学理念和应用优势，可以补充地球物理传统教学的不足，丰富学生的认知，提高学生的学习积极性及学习效率，不过，其在地球物理学专业课程教学中的应用，目前还存在一些技术瓶颈亟待攻克。

虚拟现实技术已开始应用于教学

由于经费、物理、安全等因素的限制，在教学工作中教师往往不能将学生带到现场进行实地学习，例如遥远的地方（不同的国家/地区）、过去（历史上的地点）或无法访问的地方（地球内部、海底或其他行星），而只能采取文字、图画、讲解的方式进行授课，这不利于学生进行直观的认识和理解。

刘致水介绍，针对这个问题，不同时代的教师采取了各种方法来模拟实物，以利于学生理解、学习知识，比如医学中的模具、标本，地理学的地球仪等。20 世纪90 年代后期，随着计算机技术及电子游戏技术的发展，课堂教学中开始出现不同名称的虚拟仿真技术，这些技术为学生提供了基于桌面的虚拟学习环境。21 世纪初期，基于VR 的模拟游戏快速发展，可以通过复杂过程/机制建模而进行交互式游戏。VR 技术的发展过程中，一些教育工作者即认识到这种技术在教学中的前景，并很快的将其应用于高等教育理论和实践教学中，在教学过程中学生可借用特定的设备，选用适宜的方式与虚拟世界里的人、物进行交流，体验到身临其境的感受，从而准确的认识事物的特性。

地球物理学教学模式已落后于现代科技进步

曾融生院士在《固体地球物理学导论》一书中如此定义地球物理学：“地球物理学用物理学的原理和方法，对地球的各种物理场分布及其变化进行观测，探索地球本体及近地空间的介质结构、物质组成、形成和演化，研究与其相关的各种自然现象及其变化规律。”在此基础上为探测地球内部结构与构造、寻找能源、资源和环境监测提供理论、方法和技术，为灾害预报提供重要依据。

地球物理学所使用的工具是能够反映研究对象物理特征的抽象的物理场，例如电磁场、波场等，并在此基础上产生了多种有效的技术手段。

地球物理学专业的传统教学有何特征？

刘致水介绍，地球物理学所研究的对象与所使用的理论工具都是人类无法直接用肉眼进行观测与感知的，已故著名地球物理学家赵九章先生是这样形容地球物理学的——“上穷碧落下黄泉、两处茫茫都不见”。有资料显示，“目前地球物理学专业的课堂教学中最常用的是多媒体课件或者视频、图片等平面的方式，文字、图片、视频等载体的信息承载量相对小”，课堂中互动性、情境性不强，这些缺点阻碍了绝大多数学生对知识的真正理解和接受，使得学习效果不理想。此外，由于学科的特殊性、仪器的昂贵性，使得很多的地球物理实验内容较为陈旧，教学模式落后于现代科学技术进步的步伐，很多的演示实验也是因设备和器件的陈旧而无法更好地开展。所以，本科学生的课程设计中的实验，只能多以验证性实验出现，不利于培养学生的创新能力，同时也不能很好的发挥学生的主观能动性。而地球物理学科的实践教学，往往也因为经费和安全问题，变成认知性质的学习，使学生在技能的练习上缺乏机会。

VR技术的应用可提升地球物理学教学效果

刘致水指出，VR 技术的应用可发挥以下积极作用。

提高学生学习研究的积极性。VR 技术可以为课堂教学构建一个高仿真的学习环境，这个环境不受硬件场地的限制，能够增强学生的直观感受。只要带上VR 设备，学生就可以完全投入到模拟的可视化教学实景中，课程中涉及的知识点以更加直观的形式展现在学生面前，不仅让学生在虚拟的环境中与教学内容互动，解决传统课堂中互动性、情境性不强等问题，还可以用于学习情境的创设，增强学生学习体验，充分调动学生的学习兴趣和积极性，使学习更加主动（参见李志军等《科研实验室参与本科人才培养的探索与实践》一文）。

提高教学效率。地球物理专业的特点决定了学习的知识抽象，难以理解。对于抽象或不可视的现象和原理，借助VR 技术可以延伸和强化学生的认知，既能把微观世界里用肉眼观察不到的物质在保持其内在结构不变的基础上加以放大，使学生能够清晰看到和理解其结构的特性，也能把宏观浩渺的天体虚拟成现实中的常规物体，便于学生从整体上去感知宏观世界的博大与奇妙（参见田保慧等《虚拟现实技术(VR)在智能交通技术运用专业教学中的应用研究》一文）。学生置身于这个虚拟世界中，各种感觉会被同时激活起来，不仅增强了学生的直观感受使其更好地认知世界，而且让他们能够获得在学科世界中无法经历的感受和体验，使课堂教学内容更加形象生动。

弥补实践教学的不足。传统实践教学中存在创新性实验较少，实物设备少、陈旧，训练内容难度大，学生对于设备不熟悉，不会用等问题，采用虚拟现实模拟来进行辅助实践教学，可以减少现实教学中某些实训操作的困难和危险。学生通过VR 进入到“真实”情境中，在教师的指导下参加各种实践活动，通过亲身经历的活动学会多种技能、提高实践能力（李志军等，2016），提升学生学习的主动性和创新性，在呈现知识信息、辅助教学活动、加速和巩固学习过程以及设计、优化学习内容和学习情境等方面，将发挥重要作用（参见上面两文），对学生提高工程实践能力具有重要意义。

培养学生的科研能力。据2016年教育部发布的“中国高等教育系列质量报告”中，明确提出“高等院校创新人才的培养力度不够，创新创业教育仍是软肋”。（参见张选中等《颠覆教育的虚拟现实技术(VR)探究——评〈VR+教育：可视化学习的未来〉一文》）在VR 实验项目中可以融入最新的科研成果，基于学科前沿设计创新实践项目，使学生了解专业的最新方向，新技能和新方法，培养学生的创新思维、决策能力和操作能力。利用虚拟技能实验室的科研资源，鼓励学生积极参与各类科学研究，培养学生的科研思路和运用专业知识分析问题、解决问题的能力，有利于创新思维和实践应用能力的培养。

VR技术的应用还有一些现实问题需要解决

当前VR 技术迅速发展，在医学、旅游、军事等专业都有了比较成功的应用及发展，一些学校也建设了相关的综合实验室，但在地球物理学专业教学中的广泛应用还面临着一些现实的问题。

刘致水认为，主要可以概况为：（1）缺少综合的地球物理学科硬件设备，在地球物理学科中VR 技术目前处于初级发展阶段，技术问题还不能让VR 技术全面应用于地球物理学专业的各个阶段。VR 设备与以往的地球物理软件需要转换平台，相关技术问题没有解决。（2）缺少成规模的地球物理学科VR 技术整合优化教学资源，如要大规模使用，教师需要具备一定的VR 课程资源制作能力，能够构建具有实时交互性，空间逼真的虚拟教学VR 系统平台（参见张选中一文）；以及从课堂教学和实践教学等角度，整合优化虚拟教学的课程案例，从而能够将课程内容有效的融入虚拟教学系统的能力。（3）VR 技术仍处于技术研究发展中，硬件设备有待改进，长时间佩戴VR 设备，处于虚拟空间，会使人产生头晕恶心的不适感（参见薛志婧等《VR虚拟技术在土壤地理学教学中的应用探索》一文）。

“整体来看，VR 技术是以人类认知特点组织和展示教学内容并构建知识结构，它可以体现知识信息的形式及内容的多样性和复杂性，为学生提供动态、开放、自由的结构化认知形式，激发学生对新知识的渴望和追求。随着科学技术的发展，未来VR 技术一定会突破技术障碍，融入地球物理学科教学的全部过程，发挥强大的技术潜力，让学习和实践更加直观、更容易理解，让该学科的教学理念和教学手段更加符合专业发展的要求。在未来，VR 技术将成为教学模式改革和提升人才培养的重要途径。”刘致水说。