基于VR/AR的“地球物理学”课程改革研究

戴梦雪

（东华理工大学 地球物理与测控技术学院，江西 南昌 330013）

引言

“互联网+”教育这种以学习者为中心，利用信息技术和互联网平台的教学模式被越来越多地推广和应用［1］。如今大学生的学习需求日益丰富，并向着多样化、个性化的趋势发展［2］。在“互联网+”背景下，协调线下和线上学习模式，突破空间和时间的限制，形成更优化、更适应时代发展的创新型学习方式，可以促进创新型人才培养、支持创新型国家建设［3］。

VR技术（Virtual Reality），即虚拟现实技术，是利用计算机技术来生成特定的虚拟环境，让使用者产生身临其境的体验和感受［4］。VR可以实现实体行为系统以及三维动态视景的仿真，让使用者沉浸在模拟环境中，使用户和互联网之间能够进行深度的沟通和互动［5］。

AR技术（Augmented Reality），即增强现实技术，可以利用计算机技术将虚拟的信息叠加到真实世界［6］，使得虚拟的物体和真实的环境实时融合到同一个画面中［7］。VR/AR技术以其自主性、存在感、多感知、交互性等优势在教学辅助中具有非常重要的地位［8］。

“地球物理学”课程强调实际应用，工程能力、科研能力和创新能力是地球物理学专业人才能力培养的核心。目前许多教师对本专业课程采用的都是理论课知识讲解与校内实践相结合的教学模式，旨在培养学生理论基础与实践操作融会贯通的能力。但在实际教学过程中，往往会出现学生对抽象概念认知不充分、实践操作受限较多、学习的自主性不强等问题。

针对地球物理专业课程具有的理论性较强、内容较多、实践性要求高、学生需求不均衡等特点，本文拟利用VR/AR技术，构建出自主学习的环境，由传统上“以教促学”的学习方式，转变为学生通过自身与信息环境的交互作用来得到知识与技能的新型学习方式，提高学生的创新能力、工程能力和科研能力，为“互联网+”背景下普通本科院校工科专业的人才培养探索出符合我国基本国情的有效教学模式。

一、基于VR/AR的互动式教学

VR/AR技术在教学中具备其专属特点和优势。在“互联网+”背景下，通过在地球物理专业课程教学中采用VR/AR技术，能够为教师提供全新的工具。传统方式传递的地球物理专业知识大多以繁杂的公式推导、晦涩的文字和图片的形式进行表达，而基于VR/AR的地球物理课程设计可将知识以更加直观、通俗的场景或游戏、卡通的方式展现，更容易让学生理解接受，激发学生对知识的兴趣。

VR/AR虚拟视角下地球物理课程教学的目标是在特定活动中鼓励、激励学生，教学设计与VR/AR技术之间的协调性起到关键性作用，比如课件编写、场景设置、多媒体制作等都至关重要。

基于VR/AR的互动式教学作为一种新型教学模式，可从以下三个方面改进教学质量：（1）课程重点可视化、教学难点形象化：VR/AR技术仿真和交互的特性，能将地球物理学专业课程中抽象、晦涩难懂的知识以更生动、直观、全面的方式呈现，用沉浸式体验增强学生的代入感。（2）学习环境多样化、知识运用情景化：移动VR/AR系统能够基于真实环境中的虚拟物体帮助下，使无处不在的合作式和情境式学习得到加强，现实生活中的一切都能成为VR/AR学习的道具，实现情境性、交互性、连通性、便捷性和个性化。VR/AR系统能够检测到学生的当前位置和活动状态，从而及时发出提醒和待选选项以集中学生的注意力。（3）提升学生存在感、增强学生专注度：VR/AR提供一个虚拟的学习空间，让学生感觉与其他人或事物同处一个位置。这种存在感可加强学生对地球物理专业知识的认知。所以，VR/AR在培养学习者直觉方面有巨大潜力，这种感觉也是学习者在综合而真实的体验中所拥有的主观感受。

二、基于VR/AR的“地球物理学”课程教学应用架构

地球物理学专业某些特定的课程，如放射性勘探、地震勘探、电磁勘探等进行知识传达时，仅基于课本知识达不到预期效果，而现场考察学习又存在一定的危险系数。采用结合VR/AR 虚拟视角的交互式授课方式，可以精确模拟真实环境，采用传感器模拟视觉、听觉、力量、触感等，达到与高危现场一致的体验，完成授课目标。充分利用VR/AR技术等信息化手段和数字化资源，探索VR/AR 技术在地球物理专业课程中的适用场景，以解决传统地球物理专业教学中的“痛点”问题。从VR/AR技术与“地球物理学”理论教学的融合、VR/AR技术在“地球物理学”实践教学中的应用及教学评价方式这三个方面展开讨论，具体内容如下。

（一）VR/AR技术与地球物理学理论教学的融合

1.抽象概念的可视化阐释。“地球物理学”课程中，涉及的许多基本概念都是抽象而不可直接观察的。如地磁场的磁力线、电法勘探中电流的分布、地震波在介质中的传播等。传统教学中，对于这些概念采用语言文字描述以及画示意图的方式来阐释，不够形象生动，造成学生学习抽象概念时理解困难。利用VR/AR技术，可以将磁力线等抽象的概念可视化，让学生看到这些实际存在、却在现实生活中无法直接观察到的事物，化抽象为具体，极大地降低理解和掌握的难度。

2.物理模拟的多视角展示。在传统的地球物理学专业课程教学中，经常涉及一些物理模拟的展示和研究，在以往的教学环境中主要采取这样一些方法：（1）图片展示。这种方式只能提供有限的几个视角，学生无法看到图片以外的视角。（2）实物展示。这种方式受成本和场地的限制较多，且由于同学所处的位置不同，同一实物，在不同学生眼中的视角也不同，且后排的学生容易看不清楚。（3）利用3D动画，建立实物模型，并旋转展示各个视角。这种方式相对较理想，但由于这是一个由教师预设好的过程，学生无法按照自己的意愿选择视角。

将VR/AR与地球物理学专业课程相融合，通过VR/AR技术，可以建立实物模型，让学生自主选择视角观察，使得观摩学习的成本大大降低，灵活度和自主性大大提高。

3.三维空间的全景式观察。地球物理学的一个重要研究内容就是探明三维地下空间的形态，并识别出特殊的地质构造。在以往的教学中，采用截取多个剖面的方式来显示三维的地下构造，学生根据一系列剖面，通过想象建立对三维空间的整体认知，这种方式不够具体直观。借助VR/AR技术，可以对三维地下空间进行建模，让学生与三维空间发生交互，自主寻找角度和方向，直观地识别出地下构造。

4.虚拟情境的沉浸式体验。作为一门在空间尺度上“上天入地”、时间尺度上“沧海桑田”的学科，地球物理学包含了很多瑰丽壮阔的场景，例如太阳系的行星运动、地震来临时的山崩地裂、板块的漂移等。传统的演示只是固定的、平面的且单一感官的体验，而基于VR/AR技术，学生可以置身于虚拟情境之中，体会太空中的失重感，在地震中择路而逃，获得沉浸式的体验，提升学生的存在感、直觉和专注度，激发学习的兴趣和创新热情。

（二）VR/AR技术在“地球物理学”实践教学中的应用

1.精密仪器的实验补充手段。由于教学的条件限制，地球物理学专业课程中的一些精密实验仪器在实际教学过程中无法达到预期的教学目的。基于VR/AR技术，学生可以在虚拟实验室中，互动式地操作虚拟仪器，并获得和现实中一样的反馈，节省成本，且不受环境限制，可反复操作练习。

2.复杂环境的实践替代措施。受区域地质、地形地貌条件的制约，在地球物理学专业课程实践教学过程中，一些实验场所在实际中无法达到，如深海大洋等特殊实验环境等。基于VR/AR技术，学生可以在虚拟实验室中，沉浸式、趣味性地参与到复杂地质环境的研究中。

3.危险实验的安全体验方式。地球物理实践教学中，一些危险性较高的实验，例如放射性实验、使用炸药震源的实验等，在传统的教学中是不进行的。利用VR/AR技术可以建立虚拟实验室，学生能够以沉浸的方式操作虚拟仪器进行实验。即使学习者因错误操作而未完成实验，也不会造成实际的生命和财产损失，是一种安全的训练方法。

（三）教学评价方式

在VR/AR教学环境下，教师可以通过学生的交互活动，由VR/AR教学系统自动实现对学生的个体评价。如在地震剖面解释的学习中，可以设置对三维地下结构识别的测试题，根据学生的结构识别结果，系统自动判断正误，实现对学生知识掌握情况的测试。此测试可以同时对所有学生进行，解决了传统课堂中教师提问学生受时间限制的问题。

教学评价是双向的，除了教师考评学生，学生也可以及时反馈教师的教学成果，以便教师清楚地了解学生对知识的掌握情况，调整教学的侧重点，从而提升教学效果。

三、基于VR/AR虚拟视角的地球物理学课程体系构建

针对VR/AR技术与“地球物理学”理论教学的融合、VR/AR视角下地球物理专业课程剖析、VR/AR技术在“地球物理学”实践教学中的应用等研究内容，梳理地球物理学专业课程中重、磁、电、震、放等课程模块教学内容，细化海洋地球物理、海洋声学探测技术、钻井地球物理、环境与工程地球物理等课程模块重要知识点，强化野外地质教学实习、地球物理勘探综合实习、毕业实习、毕业论文等教学环节。通过模拟情境、虚实融合、过程监测等方法，利用VR/AR软件，进行“地球物理学”课程体系构建。构建过程中，考虑学生前期已有高等数学、大学物理、编程语言等基础数理知识的储备，对地球物理学专业基础课程（普通地质学、构造地质学、场论、弹性波动力学、岩石物理学）已经掌握，在VR/AR过程体验中可以针对性地进行方法性体验、技能性体验、知识性体验及启发性体验等环节，对虚拟环境进行行为建模、物理实现，增强学生在虚拟教学中的教学体验。

（一）课程体系的精细配置

为了帮助学生了解地球物理专业不同课程的发展概况，深入探索各课程之间相互联系和互动式发展，拓宽视野，帮助他们建立合理、科学的知识结构，需要建立科学、系统的课程体系。梳理地球物理学专业课程教学重点，细化课程知识点，基于VR/AR技术进行精细化教学设计，将地球物理专业课重要知识点进行情景化，构建虚拟视角下地球物理课程体系。针对重、磁、电、震、放等不同的勘探方法，可对实际场景进行数据采集，然后通过后期制作，加上虚拟的教具（2D、3D模型）和交互性的人机操作，训练学生熟练掌握VR/AR虚拟视角下地球物理专业相关的重、磁、电、震、放等知识和技术，为后期的实习奠定良好的基础。

（二）教学团队的合理建设

在课题实施过程中，教师是人才培养的关键，在进行课程体系构建的同时，应着力打造一支能够为学生提供专业指导的教学团队。本课题实施过程中，将首先加强实践教学，根据专业课程的性质和特点，调整课题组成员实践课程教学任务，满足大量实践课程的需求；其次，调研企业需求，深入了解行业发展的现状和前景，促进教学团队的与时俱进；最后，以科研促教学，把在科研项目所研究的知识、技能带入课堂教学。

（三）教学体验的交互设计

虚拟视角下地球物理学专业课程交互设计体现了VR/AR教学体验的沉浸性和交互性，对其设计应考虑以下因素：（1）学习任务。VR/AR教学系统中应该设置多样化的学习任务，任务的难度级别是动态的，避免单一和无聊。既包括操纵物品、移动视角等基本动作，也包含解决问题、探索创新等复杂的任务，同时任务的设置要始终围绕课程主线。（2）学习目标。当学生进入VR/AR教学系统时，应尽快赋予其明确的地球物理专业知识模块目标，或让学生能够自主创建可以被理解和评价的个人学习目标。可以设置多重目标，让学生有多样化的完成策略。同时，目标的达成方式应该是清晰且可操作的，避免学生被卡住。（3）体验感。将VR/AR教学应用到地球物理专业课程中的体验要注重激励学生主动思考、探索完成任务，在这个过程中获得满足感和成就感，建立起积极的自我评价。

结语

如今的学生被称作“数字原住民”，他们喜欢动态的、立体的、好玩的东西，三维场景正好可以满足这一代学习者的喜好。本文针对“互联网+”背景下地球物理学专业课程特色，利用VR/AR技术，构建出自主学习的环境，由传统上“以教促学”的学习方式，转变为学生通过自身与信息环境的交互作用来得到知识与技能的新型学习方式。

把VR/AR技术纳入地球物理学专业教育，允许其和传统教育互为补充、相互促进，使学生能够更加身临其境地学习，更好地进行实践，提高学生的创新能力和工程意识，可以为我国高等教育改革提供新的支持。