浅谈虚拟现实技术在普通地质学教学中的应用

王海超

摘 要：文章分析了虚拟现实技术在普通地质学教学中的应用优势，并从实践教学的具体案例出发，讨论了虚拟现实技术是如何通过视觉、听觉上的实时交互来促进学生对课程知识的理解，提高学生的学习兴趣，并最终提升普通地质学的实践教学效果的。

关键词：普通地质学；虚拟现实技术；实践教学；实时交互；学习效率

中图分类号：G642.3；P54 文献标识码：A 收稿日期：2019-10-12 文章编号：1674-120X（2020）14-0045-02

一、引言

普通地质学是地矿类学科的专业基础课程，是资源勘查工程、地质工程、地球物理、地球化学、水文与水资源工程等专业学生进行专业课学习的基础，属于必修课程。普通地质学课程内容丰富，信息量大，覆盖面广，其研究内容主要包括地球的物质组成、结构构造、地球的形成与演化历史、地球表层的各种作用、各种现象及其成因等，学好普通地质学对人们利用各类资源、抵御自然灾害、保障生态可持续发展等具有非常重要的意义。

随着行业发展，用人单位对学生的技术要求也不断提高。如何有效地启蒙学生，让学生完成各项能力目标、知识目标、素质目标，以及让学生学有所得、得有所用成了教师教学的重点。此外，教师还要激发学生的专业兴趣，提高学生解决问题的能力，培养学生的创新能力。

理论与实践相结合是提高学生学习普通地质学效果的最有效策略。虽然大自然是最好的实验室、实训室，但由于部分野外学习内容限制因素较多，如岩浆活动、板块运动、地震现象、动物活动等，其发生受不定时间、不定空间的限制，且部分地质现象极具危险性，导致意图通过野外实践来升华学生对该部分内容理论知识理解的可能性几乎为零。虚拟现实（VR）技术是对无法开展野外实践活动的内容进行补充的非常有效的手段，即利用现代化手段复现或模拟仿真野外的自然场景，能促使课程教学质量最优化、学生兴趣最大化、知识掌握最大化。

二、虚拟现实技术背景

虚拟现实（Virtual Reality）技术，简称VR，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。

虚拟现实技术具有多感知性、存在感、交互性、自主性的特征。在现代科技的发展下，此技术在军事、旅游、建筑等领域被广泛应用；并且随着其基础构建逐步完善，在教育、科研领域也有了很多应用。

三、虚拟现实技术在普通地质学中的应用优势

普通地质学的研究对象为大自然，因此最好的教学模式应以大自然为讲台，由教师引导、讲解，学生探究、实验、实训。地质事件的发生具有超大的时间、空间跨度，虚拟现实技术可以有效地降低地质教学的时空局限性，其应用于普通地质学教学的具体优势如下：

（1）不受时间、空间、资金、危险因素等限制。虚拟现实技术让学生在三维立体的虚拟环境中短时间地、近距离地、逼真地体验和感受现代或地质历史时期的地貌奇观以及地质历史时期发生的地质现象（可以是一个固定环境或是一个连续的场景），这将使教学过程更为直观，降低学生学习较为抽象内容（如板块运动等）的难度，激发学生的学习兴趣。

（2）可以实现同时期、多场景复现，便于对比学习。利用计算机、传感器将地质现象、地质剖面根据用户需求瞬时复现多个触手可及的三维环境，能刺激学生感官，帮助学生对比学习，极大地提高其学习效率。

（3）人机交互，可实现超真实模拟地质作业。借助三维建模逼真地模拟地上、地下环境，让学生能够进行模拟实训。例如，通过对某地区大量地质数据进行分析，来确定其地质构造、绘制地质图、建立三维地质模型等。超真实模拟地质作业能帮助学生提高学习的主观能动性，养成协作探索的习惯，从而解决实际问题。

（4）学习时间灵活。在虚拟现实基础设施构建完备的情况下，教师可通过网络平台获取普通地质学虚拟现实技术的相关数据，并将获得的数据虚拟复建地质模型，给学生提供能够实时交互操作的机会，让学生随时随地能够“身临其境”。

四、虚拟现实技术在普通地质学中的应用案例分析

（1）针对普通地质学教学过程中岩浆作用不具备实践条件这一难点，传统的教学方法是利用资料视频、照片或人工绘制动画、图片进行讲解。由于岩浆作用的发生伴随着较大危险性，因此实况记录视频较少，多为地表远景资料，它可以展示岩浆作用的地下情况，但缺乏生动性。基于对大量岩浆活动相关资料的整理，建立岩浆形成、运动、冷凝成岩的地学模型，并体现岩浆作用与地震、海啸等地质灾害之间的可能关系，并通过虚拟现实技术有效地解决传统教学方法下岩浆作用教学效果的不足，能让学生在虚拟现实环境中近距离观察、感受岩浆的形成、运动、冷凝成岩的过程，并与岩浆作用环境实现交互，将大大调动学生的感官，从而提高教学效果。

（2）在普通地质学的教学过程中，学生对地震波纵波、横波、面波特点难以直观领会。现代地震预警系统利用地震波与无线电波传播的速度差，能提前若干秒在破坏性地震波到达之前给预警目标发出警告，即准确估计震级、震中位置及快速估计地震对预警目标的影响，以减少地震灾害造成的一系列伤亡及财产损失。地震波纵波、横波、面波这一内容的学习在普通地质学中十分重要，但由于地震波并非实体，因此学习内容较为抽象。地震这一地质事件的发生具有危险性、瞬时性及空间不确定性等特点，进行野外实践的可能性为零，故传统的教学方法多为利用二维图片或视频进行讲授。

传统教学模式无法充分调动学生的感官、使学生切身地感受地震发生的全过程，进而无法理解各种波的特点，难以顺利完成教学目标。虚拟现实技术可以在保障学生安全的前提下模拟地震发生的全过程，借助必要的設备（如VR眼镜等）能使学生切身体会到地震预警的必要性，并有意识地主动学习地震过程中各种波的特点；虚拟现实技术不仅可以模拟或虚拟复现地震的发生，还可以同时在三维空间中标注各种无形的波，让学生能够清楚、直观地辨析各种波的特点及其造成的危害，大大地提高了教学效率。

（3）在普通地质学教学过程中，“褶皱的判识”是教学难点之一，研究褶皱类型及其形成年代对了解、确定地球变形性质，推断原始地层构造，对寻找油气、矿产资源，确保工程质量等都具有非常重要的意义，是学生需要重点学习和掌握的知识点。由于地壳运动或地表剥蚀作用，使褶皱出现了一些表观“假”显示，这些“假”显示使地质初学者非常容易误判，因此判识褶皱也是学生学习的难点。

基于传统教学方法，要在4～6课时内完成褶皱的野外准确辨别是较为困难的，有限区域的野外实训、褶皱类型案例的不足会导致学生学习效果欠佳。利用虚拟现实技术对实践教学进行补充是非常有效且可行的方案，实施过程如下：虚拟现实技术可以短时间内在三维空间里展示更多褶皱类型，甚至对地下部分也可以模拟复现，这一点对学生理解褶皱的特殊情况（如单斜山、单面山、猪背岭等）的形成非常有利。基于虚拟现实技术的地质环境复现辨识练习，配合学生野外实训，可在短期内达到更好的教学效果。

（4）在普通地质学教学过程中的地层接触关系类型及判别为另一难点，其中假整合接触、不整合接触关系形成过程较为复杂，要求学生准确判断各侵入接触形成的先后关系及年代亦较为不易。地层接触关系的形成过程较为漫长，部分地层由于地壳运动被抬升至地表，地层被剥蚀后又发生沉积覆盖，在教学过程中动画演示可以促进学生对各种接触关系的形成过程进行快速的理解，但是对实际复杂的地质情况，简单动画所能提供的信息是远远不够的。

虚拟现实技术可以复现有代表性的地质区域，模拟地质剖面并形成动画演示，其人机交互功能可以使学生在三维模拟环境中调取该地翔实的地质资料，学生可在学习过程中完成模拟，并判别各地层接触关系且推断地质年代，模拟实训结果可记入数据库，方便师生互评。虚拟现实技术可对普通地质学教学中不便实训的环节进行模拟实训，实现教、学、做一体化，以提高学生解决实际问题的能力。

五、结语

虚拟现实技术目前已在多个领域取得了较为广泛的应用，基于近年来国家虚拟仿真实践教学项目的推动，我国已在生物、医药、环境、农业、机械、采矿等多个领域取得了初步应用成果。将虚拟现实技术应用于普通地质学的教学中，具有较强的可操作性和实践意义。

虚拟现实技术应用于普通地质学的教学过程，首先，需要大量的前期数据整理和建模工作；其次，需要进行较为完善的硬件设备配置，包括体感控制器、3D视觉系统等，因此硬件投资和后期维护成本较高。

从地质学领域课程教学方法看，未来虚拟现实和增强现实技术还具有非常广阔的应用空间，借助虚拟现实技术可以非常直观地展现各类地质过程，并与学生产生双向互动，是激发学生学习兴趣、提升学生学习效率的有效手段。

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