大学地球科学课程报告论坛论文集2018-PDF、封面、目录高校地球科学教学改革研讨会PPT主会场2019论文集057

虚拟地球科学教育概念、系统与实践 277 虚拟地球科学教育概念、系统与实践 薛林福 1 任云生1 冉祥金1 刘正宏1 潘保芝2 桑学佳 1 郑长青1 （1. 吉林大学地球科学学院， 长春 130061； 2. 吉林大学地球探测科学 与技术学院，长春 130026） 摘 要：在构建以吉林大学兴城实践教学基地为原型的虚拟仿真系统过程中，虚拟地球科学教育的概念 被提出。构建了兴城基地教学路线、教学点和标本等多尺度实景三维模型，突破了多尺度三维建模、大场景快 速显示、教学内容有效管理和组织等关键技术，基于 WebGL 技术，以 Unity3D 为开发工具，采用 B/S 架构， 实现了兴城地球科学虚拟实践教学平台（XCVGEP） 的网页版和交互版，该系统获得了较好的应用效果。 本文提出可以在 XCVGEP 基础上进行系统的扩展完善，构建国家级甚至国际级的虚拟地球科学教育平台，促 进地球科学教育改革和教学质量的提高，并推动地学知识的普及。 关键词：虚拟地球科学教育 多尺度 实景三维模型 无人机 交互平台 一、引言 地球科学是以实践为基础的科学， 实践教学是学生掌握地学知识和技能十分重要的教学环 节，是学生积累地质工作和研究经验的重要途径。野外地质现象是地质学、资源勘查工程、地 理科学、地球探测、测绘等学科的基础研究对象。由于受教学时间、地理条件等因素的限制， 学生实际能够观察和了解的地学十分有限，而野外地球科学现象十分复杂，这在一定程度上限 制了学生的地球科学视野和未来工作的能力。 为了培养具有广阔视野的新一代地球科学创新人 才，构建虚拟地球科学教育系统是实现这一目标的重要途径。 无人机、三维建模、人工智能、网络等软硬件技术的发展，使建立地球科学教育虚拟环境 成为可能。 “互联网+教育”及“人工智能+教育”正推动着教育模式的改革，采用高新技术， 建立虚拟地球科学教育系统，变革地球科学教育方式方法势在必行。 我国在虚拟地学实践教学方面开展的研究较早，早在 2000 年吉林大学就采用 C+语言研 发出虚拟野外地质实习系统，该系统集成了多媒体功能，能够显示三维地质场景，具有路线地 质教学、实测剖面和填图练习等虚拟仿真功能。随着计算机技术的发展，吉林大学虚拟地质研 究团队基于 Web2.0 和实景 VR 技术，实现了全景野外实习系统。 随着信息技术的高速发展和教学改革的不断推进，近年来，虚拟仿真技术在地学教学中的 应用得到了高度重视，全国各相关地质院校如吉林大学、北京大学、中国地质大学等纷纷开始 大学地球科学课程报告论坛论文集（2018） 278 建设虚拟仿真课程和虚拟仿真实验教学体系与实验中心， 逐步出现了一些虚拟仿真地球科学教 学的相关研究，如张晓丽等（2017）设计了地质标本虚拟仿真实验教学系统的内容框架与功能 模块； 谢磊 （2016） 分别基于 ArcGIS 二次开发平台和采用三维激光扫描与地理信息系统技术， 设计了虚拟野外实习系统，完成了野外地质实习基地地质地貌信息化建库工作，搭建了野外地 质实习基地实践教学辅助平台。祝德显等（2013）采用百度地图 API、Jquery、Hibernate 框架 技术，设计并实现了模拟野外地质教学过程的基于 Web 环境的虚拟野外地质实习系统。郝伟 （2011）则基于 Virtools 实现了虚拟地学认识实习系统。郑彦威（2016）使用无人机获得周口店 地区高清影像，基于 VRP 虚拟现实技术，研发了三维地质综合信息平台。 虽然众多地质院校和科研机构对虚拟地学实践教学开展了许多研究工作， 并取得一些研究 成果，但现阶段的地学教学虚拟仿真系统的建设仍存在一些关键问题，制约着地学虚拟仿真系 统的开发与广泛应用。 二、地球科学教育中存在的问题 1. 缺乏三维可交互的地球科学教学资源 各种典型地学现象分散于世界各处，一些大学分别建立自己的地学实习基地，经过长期开 发建设，积累了一定的教学资源，但这些教学资源仅限于某个地区，所包含的典型地学现象相 对较少，如我国北方的实习基地主要发育华北地台型地层序列，一些实习基地在地层、岩石方 面的现象较好，而另一些基地在构造方面的现象较好。我国有一些非常好的地学现象，如敦煌 的雅丹风蚀地貌、 五大连池火山现象等， 但这些地学现象只能到现场观察或通过图片进行观察， 没有形成三维的、可交互学习与研究的教学资源。近年来无人机摄影和三维建模技术的发展， 为建立野外地学实景三维模型奠定了坚实的基础， 利用该技术可以建立丰富的地学教学资源库。 2. 室内教学与室外教学脱节 传统地学课堂教学的大量教学内容是有关地学现象的介绍和成因解释的， 而野外实践教学 主要是训练学生对野外地学现象的观察、描述和解释的能力，实际上二者是密不可分的。由于 受技术等诸多因素的影响，长期以来课堂教学和野外实践教学是分离的。当前 VR 等技术可以 使野外实践教学向室内延伸，使野外实践教学可以在室内进行，同时也可使室内教学在虚拟的 野外环境中进行，在一定程度上消除了野外实践教学与室内地质教学的界线，变革地质学的教 学方式。 3. 地球科学教学资源不能得到有效保护 地球科学教学资源常常受到自然或人为的因素而遭到破坏。 以辽宁兴城实践教学基地的首 山路线为例，兴城首山区域沿山体盘山路出露绥中花岗岩、常州沟组、串岭沟组、团山子组、 大红峪组等中元古界长城系等地层单元。该路线教学内容十分丰富。但在 2018 年，当地政府 为了防止滑坡和落石伤人，对路边裸露的岩体进行了防护（图 1） ，造成了首山路线教学内容的 严重破坏。风化、滑坡、雨水冲刷等自然现象也会造成地学教学资源的破坏。 虚拟地球科学教育概念、系统与实践 279 图 1 野外露头遭受人为破坏 4. 尚未建立统一的虚拟地球科学教育平台，资源不能得到有效共享 虽然许多院校开展了大量野外地学教学研究，积累了一定的教学资源，但这些资源处于分 散管理状态， 难以实现资源共享。 虽然目前已经开展了大量地球科学教学系统方面的研发工作， 但目前还没有一个统一的平台能够实现野外地学教学素材和室内标本教学素材的集成、管理、 三维显示、交互学习等功能。大部分成果只是设计了虚拟仿真系统的框架和模块；已建设的平 台和系统中，地质体多仍为二维，仅具备查看等简单功能，无法实现虚拟教学所需要的观察、 描述、测量、记录、剖面绘制等复杂的教学功能。这些虚拟仿真系统严重依赖第三方平台，对 不同浏览器的兼容性较弱、数据信息与文件对应关系复杂、三维显示性能较差、用户的交互性 不强。 5. 缺乏虚拟地球科学教育理论与方法体系 信息技术与地球科学的高度融合将会大大改变地球科学的教学模式与教学方法， 提高教学 效率。 信息技术的发展使我们能够把大量只有在野外才能看到的地球科学现象通过三维模型形 式在室内再现。结合实景三维模型、大数据、人工智能技术的虚拟地球科学教育将对地球科学 教育产生深刻的影响，我们需要建立虚拟地学教育理论与方法体系，促进虚拟地球科学教育在 地球科学教育改革中发挥更大的作用。 三、虚拟地球科学教育与虚拟地球科学教育系统 1. 虚拟地球科学教育 虚拟地球科学教育（virtual geosciences education，VGE）是采用数字化技术建立一个具有 真实感的地球及其环境的虚拟映像，把过去在野外才能看到的地球科学现象通过数字化技术 “搬到”室内来，使学习者在虚拟环境中学习地学知识、练习地学工作技能、开展地学研究， 培养具有广博地学知识、熟练掌握地学工作技能的地学人才。虚拟地球科学教育既是一种教学 方式也是一种教学理念。虚拟地球科学教育具有如下重要作用和意义。 （1）在一定程度上消除室内教学和实践教学的界限 现有教学采用课上讲解、实习课、野外实习相结合的教学体系。这种教学体系存在一定弊 端，在学生缺乏对实际地质情况了解的情况下，学生常常难以理解讲课内容。如当教师讲解海 洋地质作用时，如果学生连海边都没有去过，那么他很难理解老师所讲的内容，如果采用虚拟 现实技术，在学生面前展示一个波澜壮阔海洋的场景，加上教师的讲解，学生就能很快深刻理 大学地球科学课程报告论坛论文集（2018） 280 解海洋地质作用。 （2）强化自主学习与自主研究 通过长期建设，虚拟地球科学教育系统可以提供丰富的地球科学教学资源，学生可以根据 这些教学资源进行地球科学学习和研究，改变传统的“灌输式”教学方式，充分发挥学生的主 观能动性，使学生从被动式学习变为主动式学习，培养独立发现问题和解决问题的能力。 （3）根据学生的知识背景和爱好，促进个性化教学 可以针对地球科学主要的学科，如自然地理学、地质学，建设虚拟地球科学教育知识库， 包括野外地质、地理多尺度三维实景仿真模型。不同学生具有不同知识背景和兴趣爱好，可以 根据学生的兴趣爱好进行个性化教学。采用大数据技术感知学生的兴趣爱好，应用语音识别、 自然语言处理（natural language processing，NLP）和知识图谱等人工智能技术，有针对性地进 行智能化教学。 2. 虚拟地球科学教育系统 虚拟地球科学教育系统（virtual geosciences education system，VGES）是虚拟地球科学教 育的具体实现，是采用信息技术、无人机图像采集、地球深部探测技术、网络、三维可视化技 术，广泛集成地学教学资源，显示具有真实感的多尺度三维地学教学场景，具有丰富交互教学 功能的智能软件系统。该系统使学生能够身临其境般地感受野外环境。构建虚拟地球科学教育 系统的目的是为地球科学爱好者、地球科学专业学生、专业人员提供一个地球科学教育平台。 四、吉林大学辽宁兴城实践教学虚拟仿真平台 目前已有二十多所院校在吉林大学兴城实践教学基地进行野外实践教学，如北京大学、中 国海洋大学、东北大学、东北师范大学、东北石油大学、黑龙江科技大学等，2018 年在兴城基 地实习的吉林大学以外的学生人数达 4 100 人。吉林大学野外地质虚拟仿真研发团队构建了兴 城地质实践教学虚拟仿真平台（XCVGEP） ，突破了多种类野外地质路线三维建模方法、实景 三维模型快速显示、多尺度三维模型集成与显示等多项关键技术，实现了系统的网页版和交互 版，目前 XCVGEP 更多的新功能仍在持续开发中。 1. XCVGEP 网页版 XCVGEP 网页版基于 WebGL 技术来显示教学路线的三维模型。网页版采用网页的方式来 显示各教学路线的教学内容，以教学点的形式进行教学内容组织，在导航栏中每条教学路线有 一个虚拟教学路线条目，点击该条目可以进入虚拟地质路线场景（图 2） ，在该场景中可以通过 鼠标改变观察点视角和进行观察位置移动。在路线上标注了主要观察点位置，当把鼠标移动到 观察点标记符号上，可以查看该观察点的观察内容。XCVGEP 网页版支持多尺度缩放，当对观 察点放大到一定程度时，自动进入露头尺度的模型，在该尺度的模型上可以清楚地观察地质界 面、构造，甚至可以识别岩性（图 3） 。XCVGEP 网页版提供了丰富全面的野外地球科学信息， 可以灵活操作，用于教师备课、学生自主学习和自主研究。 虚拟地球科学教育概念、系统与实践 281 图 2 牤牛山虚拟地质路线 图 3 露头尺度的虚拟三维模型 大学地球科学课程报告论坛论文集（2018） 282 2.XCVGEP 交互版 交互版采用 B/S 架构，基于 Unity3D 用 C# 语言开发，采用第三人称用户界面（图 4） ，用 户可以操作一个角色在虚拟野外场景中移动和进行一系列操作， 在虚拟野外场景中设置了一系 列教学点标志，如用虚拟指示牌介绍了教学点的内容、用粒子系统指示观察点。用户可以用虚 拟锤子打标本和观察标本， 用虚拟 GPS 测量方位、 用虚拟记录本记录野外地质现象等 （图 5） 。 图 4 XCVGEP 交互版人机界面 五、构建虚拟地球科学教育平台 1.建设目标 以现有的兴城地球科学实践教学虚拟仿真平台为基础，联合国内各相关大学和机构，以及 国外的大学与机构，基于统一的建设规范，建立一个国家级甚至国际级的具备良好适应性、开 放的、可扩展性、沉浸体验、兼容性的“虚拟地球科学教育平台（virtual geoscience education platform，VGEP） ” ，适应地球科学教育改革的需要，采用统一的技术和标准共同建设虚拟地球 科学教育平台。虚拟地球科学平台建设是一项工作量巨大的教学改革工程建设项目，该平台可 以集成兴城实习基地等多个实习基地（如秦皇岛、大连、秦岭、巢湖）的教学资源及国内外典 型地区大量丰富的地质现象，给学生提供广阔的实际地质知识的学习空间，使学生不但能通过 该平台学习兴城地区的更多地质知识， 而且可以借助该平台进行其他实习基地的虚拟学习和研 究，大幅扩展学生的地球科学视野，提高学习效率。 虚拟地球科学教育概念、系统与实践 283 图 5 XCVGEP 交互版虚拟实习过程 2. VGEP 的关键技术 （1）野外数据采集与多尺度三维建模 传统地表建模只能表达地表的起伏状态，可以使用卫星地图作为地表贴图，但卫星图像的 分辨率远远不能满足地表地形、地层、构造、岩性等地球科学现象教学及研究的需要。随着无 人机技术的发展以及（structure-from-motion，SFM）和（multi-view stereo，MVS）算法的不断 完善，摄影测量、VR、AR 应用越来越多，使用照片建模的技术也越来越成熟。摄影建模可以 快速还原建模对象的外形，生成实景三维地学模型。在 VGEP 中野外场景应能表示多个不同尺 度的地质现象，应进一步突破多尺度野外数据采集与建模技术。 （2）大型多尺度三维模型的网络快速显示技术 一条教学路线的高分辨率多尺度地球科学教学场景的数据量可达数 GB 或更大，如何在满 足良好的用户体验的前提下快速显示大型地学教学场景是一项有待改进的技术难题， 目前通过 分块加载、按需加载等方式大大提高了显示效率和用户体验，但仍需进一步优化网络三维显示 技术。 （3）地上地下三维模型一体化管理与显示技术 VEGP 应能够完整集成显示地上与地下三维地学信息，使学生能够全面学习和掌握不同尺 度和不同深度的地质情况，目前三维模型显示技术或偏重于地下地学信息的显示，或偏重于地 表地学信息的显示， 能够集成显示地上和地下地学信息的技术尚待成熟， 应针对 VEGP 的特点， 突破地下地上三维地学信息管理与显示技术。 大学地球科学课程报告论坛论文集（2018） 284 六、结论 虚拟地球科学教育是地球科学教育方式改革的一种重要方式，其将改变人们掌握地球 科学知识的方式。顺应信息技术与地球科学教育高度融合的发展趋势，建立