大學地球科學課程報告論壇論文集2018-PDF、封面、目錄高校地球科學教學改革研討會PPT主會場2019論文集057

虛擬地球科學教育概念、系統(tǒng)與實踐 277 虛擬地球科學教育概念、系統(tǒng)與實踐 薛林福 1 任云生1 冉祥金1 劉正宏1 潘保芝2 桑學佳 1 鄭長青1 （1. 吉林大學地球科學學院， 長春 130061； 2. 吉林大學地球探測科學 與技術(shù)學院，長春 130026） 摘 要：在構(gòu)建以吉林大學興城實踐教學基地為原型的虛擬仿真系統(tǒng)過程中，虛擬地球科學教育的概念 被提出。構(gòu)建了興城基地教學路線、教學點和標本等多尺度實景三維模型，突破了多尺度三維建模、大場景快 速顯示、教學內(nèi)容有效管理和組織等關(guān)鍵技術(shù)，基于 WebGL 技術(shù)，以 Unity3D 為開發(fā)工具，采用 B/S 架構(gòu)， 實現(xiàn)了興城地球科學虛擬實踐教學平臺（XCVGEP） 的網(wǎng)頁版和交互版，該系統(tǒng)獲得了較好的應用效果。 本文提出可以在 XCVGEP 基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)的擴展完善，構(gòu)建國家級甚至國際級的虛擬地球科學教育平臺，促 進地球科學教育改革和教學質(zhì)量的提高，并推動地學知識的普及。 關(guān)鍵詞：虛擬地球科學教育 多尺度 實景三維模型 無人機 交互平臺 一、引言 地球科學是以實踐為基礎(chǔ)的科學， 實踐教學是學生掌握地學知識和技能十分重要的教學環(huán) 節(jié)，是學生積累地質(zhì)工作和研究經(jīng)驗的重要途徑。野外地質(zhì)現(xiàn)象是地質(zhì)學、資源勘查工程、地 理科學、地球探測、測繪等學科的基礎(chǔ)研究對象。由于受教學時間、地理條件等因素的限制， 學生實際能夠觀察和了解的地學十分有限，而野外地球科學現(xiàn)象十分復雜，這在一定程度上限 制了學生的地球科學視野和未來工作的能力。 為了培養(yǎng)具有廣闊視野的新一代地球科學創(chuàng)新人 才，構(gòu)建虛擬地球科學教育系統(tǒng)是實現(xiàn)這一目標的重要途徑。 無人機、三維建模、人工智能、網(wǎng)絡(luò)等軟硬件技術(shù)的發(fā)展，使建立地球科學教育虛擬環(huán)境 成為可能。 “互聯(lián)網(wǎng)+教育”及“人工智能+教育”正推動著教育模式的改革，采用高新技術(shù)， 建立虛擬地球科學教育系統(tǒng)，變革地球科學教育方式方法勢在必行。 我國在虛擬地學實踐教學方面開展的研究較早，早在 2000 年吉林大學就采用 C+語言研 發(fā)出虛擬野外地質(zhì)實習系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了多媒體功能，能夠顯示三維地質(zhì)場景，具有路線地 質(zhì)教學、實測剖面和填圖練習等虛擬仿真功能。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，吉林大學虛擬地質(zhì)研 究團隊基于 Web2.0 和實景 VR 技術(shù)，實現(xiàn)了全景野外實習系統(tǒng)。 隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展和教學改革的不斷推進，近年來，虛擬仿真技術(shù)在地學教學中的 應用得到了高度重視，全國各相關(guān)地質(zhì)院校如吉林大學、北京大學、中國地質(zhì)大學等紛紛開始 大學地球科學課程報告論壇論文集（2018） 278 建設(shè)虛擬仿真課程和虛擬仿真實驗教學體系與實驗中心， 逐步出現(xiàn)了一些虛擬仿真地球科學教 學的相關(guān)研究，如張曉麗等（2017）設(shè)計了地質(zhì)標本虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的內(nèi)容框架與功能 模塊； 謝磊 （2016） 分別基于 ArcGIS 二次開發(fā)平臺和采用三維激光掃描與地理信息系統(tǒng)技術(shù)， 設(shè)計了虛擬野外實習系統(tǒng)，完成了野外地質(zhì)實習基地地質(zhì)地貌信息化建庫工作，搭建了野外地 質(zhì)實習基地實踐教學輔助平臺。祝德顯等（2013）采用百度地圖 API、Jquery、Hibernate 框架 技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了模擬野外地質(zhì)教學過程的基于 Web 環(huán)境的虛擬野外地質(zhì)實習系統(tǒng)。郝偉 （2011）則基于 Virtools 實現(xiàn)了虛擬地學認識實習系統(tǒng)。鄭彥威（2016）使用無人機獲得周口店 地區(qū)高清影像，基于 VRP 虛擬現(xiàn)實技術(shù)，研發(fā)了三維地質(zhì)綜合信息平臺。 雖然眾多地質(zhì)院校和科研機構(gòu)對虛擬地學實踐教學開展了許多研究工作， 并取得一些研究 成果，但現(xiàn)階段的地學教學虛擬仿真系統(tǒng)的建設(shè)仍存在一些關(guān)鍵問題，制約著地學虛擬仿真系 統(tǒng)的開發(fā)與廣泛應用。 二、地球科學教育中存在的問題 1. 缺乏三維可交互的地球科學教學資源 各種典型地學現(xiàn)象分散于世界各處，一些大學分別建立自己的地學實習基地，經(jīng)過長期開 發(fā)建設(shè)，積累了一定的教學資源，但這些教學資源僅限于某個地區(qū)，所包含的典型地學現(xiàn)象相 對較少，如我國北方的實習基地主要發(fā)育華北地臺型地層序列，一些實習基地在地層、巖石方 面的現(xiàn)象較好，而另一些基地在構(gòu)造方面的現(xiàn)象較好。我國有一些非常好的地學現(xiàn)象，如敦煌 的雅丹風蝕地貌、 五大連池火山現(xiàn)象等， 但這些地學現(xiàn)象只能到現(xiàn)場觀察或通過圖片進行觀察， 沒有形成三維的、可交互學習與研究的教學資源。近年來無人機攝影和三維建模技術(shù)的發(fā)展， 為建立野外地學實景三維模型奠定了堅實的基礎(chǔ)， 利用該技術(shù)可以建立豐富的地學教學資源庫。 2. 室內(nèi)教學與室外教學脫節(jié) 傳統(tǒng)地學課堂教學的大量教學內(nèi)容是有關(guān)地學現(xiàn)象的介紹和成因解釋的， 而野外實踐教學 主要是訓練學生對野外地學現(xiàn)象的觀察、描述和解釋的能力，實際上二者是密不可分的。由于 受技術(shù)等諸多因素的影響，長期以來課堂教學和野外實踐教學是分離的。當前 VR 等技術(shù)可以 使野外實踐教學向室內(nèi)延伸，使野外實踐教學可以在室內(nèi)進行，同時也可使室內(nèi)教學在虛擬的 野外環(huán)境中進行，在一定程度上消除了野外實踐教學與室內(nèi)地質(zhì)教學的界線，變革地質(zhì)學的教 學方式。 3. 地球科學教學資源不能得到有效保護 地球科學教學資源常常受到自然或人為的因素而遭到破壞。 以遼寧興城實踐教學基地的首 山路線為例，興城首山區(qū)域沿山體盤山路出露綏中花崗巖、常州溝組、串嶺溝組、團山子組、 大紅峪組等中元古界長城系等地層單元。該路線教學內(nèi)容十分豐富。但在 2018 年，當?shù)卣?為了防止滑坡和落石傷人，對路邊裸露的巖體進行了防護（圖 1） ，造成了首山路線教學內(nèi)容的 嚴重破壞。風化、滑坡、雨水沖刷等自然現(xiàn)象也會造成地學教學資源的破壞。 虛擬地球科學教育概念、系統(tǒng)與實踐 279 圖 1 野外露頭遭受人為破壞 4. 尚未建立統(tǒng)一的虛擬地球科學教育平臺，資源不能得到有效共享 雖然許多院校開展了大量野外地學教學研究，積累了一定的教學資源，但這些資源處于分 散管理狀態(tài)， 難以實現(xiàn)資源共享。 雖然目前已經(jīng)開展了大量地球科學教學系統(tǒng)方面的研發(fā)工作， 但目前還沒有一個統(tǒng)一的平臺能夠?qū)崿F(xiàn)野外地學教學素材和室內(nèi)標本教學素材的集成、管理、 三維顯示、交互學習等功能。大部分成果只是設(shè)計了虛擬仿真系統(tǒng)的框架和模塊；已建設(shè)的平 臺和系統(tǒng)中，地質(zhì)體多仍為二維，僅具備查看等簡單功能，無法實現(xiàn)虛擬教學所需要的觀察、 描述、測量、記錄、剖面繪制等復雜的教學功能。這些虛擬仿真系統(tǒng)嚴重依賴第三方平臺，對 不同瀏覽器的兼容性較弱、數(shù)據(jù)信息與文件對應關(guān)系復雜、三維顯示性能較差、用戶的交互性 不強。 5. 缺乏虛擬地球科學教育理論與方法體系 信息技術(shù)與地球科學的高度融合將會大大改變地球科學的教學模式與教學方法， 提高教學 效率。 信息技術(shù)的發(fā)展使我們能夠把大量只有在野外才能看到的地球科學現(xiàn)象通過三維模型形 式在室內(nèi)再現(xiàn)。結(jié)合實景三維模型、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的虛擬地球科學教育將對地球科學 教育產(chǎn)生深刻的影響，我們需要建立虛擬地學教育理論與方法體系，促進虛擬地球科學教育在 地球科學教育改革中發(fā)揮更大的作用。 三、虛擬地球科學教育與虛擬地球科學教育系統(tǒng) 1. 虛擬地球科學教育 虛擬地球科學教育（virtual geosciences education，VGE）是采用數(shù)字化技術(shù)建立一個具有 真實感的地球及其環(huán)境的虛擬映像，把過去在野外才能看到的地球科學現(xiàn)象通過數(shù)字化技術(shù) “搬到”室內(nèi)來，使學習者在虛擬環(huán)境中學習地學知識、練習地學工作技能、開展地學研究， 培養(yǎng)具有廣博地學知識、熟練掌握地學工作技能的地學人才。虛擬地球科學教育既是一種教學 方式也是一種教學理念。虛擬地球科學教育具有如下重要作用和意義。 （1）在一定程度上消除室內(nèi)教學和實踐教學的界限 現(xiàn)有教學采用課上講解、實習課、野外實習相結(jié)合的教學體系。這種教學體系存在一定弊 端，在學生缺乏對實際地質(zhì)情況了解的情況下，學生常常難以理解講課內(nèi)容。如當教師講解海 洋地質(zhì)作用時，如果學生連海邊都沒有去過，那么他很難理解老師所講的內(nèi)容，如果采用虛擬 現(xiàn)實技術(shù)，在學生面前展示一個波瀾壯闊海洋的場景，加上教師的講解，學生就能很快深刻理 大學地球科學課程報告論壇論文集（2018） 280 解海洋地質(zhì)作用。 （2）強化自主學習與自主研究 通過長期建設(shè)，虛擬地球科學教育系統(tǒng)可以提供豐富的地球科學教學資源，學生可以根據(jù) 這些教學資源進行地球科學學習和研究，改變傳統(tǒng)的“灌輸式”教學方式，充分發(fā)揮學生的主 觀能動性，使學生從被動式學習變?yōu)橹鲃邮綄W習，培養(yǎng)獨立發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。 （3）根據(jù)學生的知識背景和愛好，促進個性化教學 可以針對地球科學主要的學科，如自然地理學、地質(zhì)學，建設(shè)虛擬地球科學教育知識庫， 包括野外地質(zhì)、地理多尺度三維實景仿真模型。不同學生具有不同知識背景和興趣愛好，可以 根據(jù)學生的興趣愛好進行個性化教學。采用大數(shù)據(jù)技術(shù)感知學生的興趣愛好，應用語音識別、 自然語言處理（natural language processing，NLP）和知識圖譜等人工智能技術(shù)，有針對性地進 行智能化教學。 2. 虛擬地球科學教育系統(tǒng) 虛擬地球科學教育系統(tǒng)（virtual geosciences education system，VGES）是虛擬地球科學教 育的具體實現(xiàn)，是采用信息技術(shù)、無人機圖像采集、地球深部探測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、三維可視化技 術(shù)，廣泛集成地學教學資源，顯示具有真實感的多尺度三維地學教學場景，具有豐富交互教學 功能的智能軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)使學生能夠身臨其境般地感受野外環(huán)境。構(gòu)建虛擬地球科學教育 系統(tǒng)的目的是為地球科學愛好者、地球科學專業(yè)學生、專業(yè)人員提供一個地球科學教育平臺。 四、吉林大學遼寧興城實踐教學虛擬仿真平臺 目前已有二十多所院校在吉林大學興城實踐教學基地進行野外實踐教學，如北京大學、中 國海洋大學、東北大學、東北師范大學、東北石油大學、黑龍江科技大學等，2018 年在興城基 地實習的吉林大學以外的學生人數(shù)達 4 100 人。吉林大學野外地質(zhì)虛擬仿真研發(fā)團隊構(gòu)建了興 城地質(zhì)實踐教學虛擬仿真平臺（XCVGEP） ，突破了多種類野外地質(zhì)路線三維建模方法、實景 三維模型快速顯示、多尺度三維模型集成與顯示等多項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的網(wǎng)頁版和交互 版，目前 XCVGEP 更多的新功能仍在持續(xù)開發(fā)中。 1. XCVGEP 網(wǎng)頁版 XCVGEP 網(wǎng)頁版基于 WebGL 技術(shù)來顯示教學路線的三維模型。網(wǎng)頁版采用網(wǎng)頁的方式來 顯示各教學路線的教學內(nèi)容，以教學點的形式進行教學內(nèi)容組織，在導航欄中每條教學路線有 一個虛擬教學路線條目，點擊該條目可以進入虛擬地質(zhì)路線場景（圖 2） ，在該場景中可以通過 鼠標改變觀察點視角和進行觀察位置移動。在路線上標注了主要觀察點位置，當把鼠標移動到 觀察點標記符號上，可以查看該觀察點的觀察內(nèi)容。XCVGEP 網(wǎng)頁版支持多尺度縮放，當對觀 察點放大到一定程度時，自動進入露頭尺度的模型，在該尺度的模型上可以清楚地觀察地質(zhì)界 面、構(gòu)造，甚至可以識別巖性（圖 3） 。XCVGEP 網(wǎng)頁版提供了豐富全面的野外地球科學信息， 可以靈活操作，用于教師備課、學生自主學習和自主研究。 虛擬地球科學教育概念、系統(tǒng)與實踐 281 圖 2 牤牛山虛擬地質(zhì)路線 圖 3 露頭尺度的虛擬三維模型 大學地球科學課程報告論壇論文集（2018） 282 2.XCVGEP 交互版 交互版采用 B/S 架構(gòu)，基于 Unity3D 用 C# 語言開發(fā)，采用第三人稱用戶界面（圖 4） ，用 戶可以操作一個角色在虛擬野外場景中移動和進行一系列操作， 在虛擬野外場景中設(shè)置了一系 列教學點標志，如用虛擬指示牌介紹了教學點的內(nèi)容、用粒子系統(tǒng)指示觀察點。用戶可以用虛 擬錘子打標本和觀察標本， 用虛擬 GPS 測量方位、 用虛擬記錄本記錄野外地質(zhì)現(xiàn)象等 （圖 5） 。 圖 4 XCVGEP 交互版人機界面 五、構(gòu)建虛擬地球科學教育平臺 1.建設(shè)目標 以現(xiàn)有的興城地球科學實踐教學虛擬仿真平臺為基礎(chǔ)，聯(lián)合國內(nèi)各相關(guān)大學和機構(gòu)，以及 國外的大學與機構(gòu)，基于統(tǒng)一的建設(shè)規(guī)范，建立一個國家級甚至國際級的具備良好適應性、開 放的、可擴展性、沉浸體驗、兼容性的“虛擬地球科學教育平臺（virtual geoscience education platform，VGEP） ” ，適應地球科學教育改革的需要，采用統(tǒng)一的技術(shù)和標準共同建設(shè)虛擬地球 科學教育平臺。虛擬地球科學平臺建設(shè)是一項工作量巨大的教學改革工程建設(shè)項目，該平臺可 以集成興城實習基地等多個實習基地（如秦皇島、大連、秦嶺、巢湖）的教學資源及國內(nèi)外典 型地區(qū)大量豐富的地質(zhì)現(xiàn)象，給學生提供廣闊的實際地質(zhì)知識的學習空間，使學生不但能通過 該平臺學習興城地區(qū)的更多地質(zhì)知識， 而且可以借助該平臺進行其他實習基地的虛擬學習和研 究，大幅擴展學生的地球科學視野，提高學習效率。 虛擬地球科學教育概念、系統(tǒng)與實踐 283 圖 5 XCVGEP 交互版虛擬實習過程 2. VGEP 的關(guān)鍵技術(shù) （1）野外數(shù)據(jù)采集與多尺度三維建模 傳統(tǒng)地表建模只能表達地表的起伏狀態(tài)，可以使用衛(wèi)星地圖作為地表貼圖，但衛(wèi)星圖像的 分辨率遠遠不能滿足地表地形、地層、構(gòu)造、巖性等地球科學現(xiàn)象教學及研究的需要。隨著無 人機技術(shù)的發(fā)展以及（structure-from-motion，SFM）和（multi-view stereo，MVS）算法的不斷 完善，攝影測量、VR、AR 應用越來越多，使用照片建模的技術(shù)也越來越成熟。攝影建模可以 快速還原建模對象的外形，生成實景三維地學模型。在 VGEP 中野外場景應能表示多個不同尺 度的地質(zhì)現(xiàn)象，應進一步突破多尺度野外數(shù)據(jù)采集與建模技術(shù)。 （2）大型多尺度三維模型的網(wǎng)絡(luò)快速顯示技術(shù) 一條教學路線的高分辨率多尺度地球科學教學場景的數(shù)據(jù)量可達數(shù) GB 或更大，如何在滿 足良好的用戶體驗的前提下快速顯示大型地學教學場景是一項有待改進的技術(shù)難題， 目前通過 分塊加載、按需加載等方式大大提高了顯示效率和用戶體驗，但仍需進一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)三維顯示 技術(shù)。 （3）地上地下三維模型一體化管理與顯示技術(shù) VEGP 應能夠完整集成顯示地上與地下三維地學信息，使學生能夠全面學習和掌握不同尺 度和不同深度的地質(zhì)情況，目前三維模型顯示技術(shù)或偏重于地下地學信息的顯示，或偏重于地 表地學信息的顯示， 能夠集成顯示地上和地下地學信息的技術(shù)尚待成熟， 應針對 VEGP 的特點， 突破地下地上三維地學信息管理與顯示技術(shù)。 大學地球科學課程報告論壇論文集（2018） 284 六、結(jié)論 虛擬地球科學教育是地球科學教育方式改革的一種重要方式，其將改變?nèi)藗冋莆盏厍?科學知識的方式。順應信息技術(shù)與地球科學教育高度融合的發(fā)展趨勢，建立