王澤龍 郭曉龍 王澤 張津滔 陶巖

摘要：本文選擇河北砂鍋店地區(qū)喀斯特地貌發(fā)育過程的虛擬教學(xué)為研究對象，從教學(xué)的內(nèi)容設(shè)置，教學(xué)過程的介紹，學(xué)生活動和技術(shù)支持等方面對課程設(shè)置進(jìn)行解析，對虛擬教學(xué)的流程和環(huán)節(jié)加以分析，為線上教學(xué)，尤其是利用虛擬技術(shù)實現(xiàn)漫長地貌發(fā)育方式甚至地理過程的教學(xué)走向虛擬和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合有著一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：喀斯特地貌教學(xué);河北砂鍋店;虛擬技術(shù);線上教學(xué)

傳統(tǒng)課堂教學(xué)尤其是面對面的班級授課方式雖然能夠現(xiàn)場直接把握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并且根據(jù)教學(xué)效果對講授內(nèi)容進(jìn)行必要的調(diào)整[1-3]。但是一言堂和僅憑語言進(jìn)行傳授顯然已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的新形式[4-6]，所以充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺，以虛擬現(xiàn)實手段恢復(fù)教學(xué)過程[7-9]。將漫長的地貌發(fā)育歷程進(jìn)行動態(tài)模擬與還原，直觀呈現(xiàn)地理過程，使學(xué)生在虛擬現(xiàn)實的直觀感悟下進(jìn)行沉浸式體驗，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式相對僅憑語言進(jìn)行教學(xué)的枯燥方式，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。對于課堂教學(xué)模式的改革，對于現(xiàn)代化，信息化技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用策略有一定的借鑒價值，對于在新形勢下的課堂教學(xué)改革的深入推進(jìn)有一定的應(yīng)用價值[10-11]。

在江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院的土壤課教學(xué)中教師通過虛擬仿真技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生思考土壤的功能，培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)并分析成因，總結(jié)治理方法的形式，啟發(fā)學(xué)生思考，既加強了學(xué)生的區(qū)域認(rèn)知能力，更在解決實際問題的過程中強化了地理實踐力[12]。在太原理工大學(xué)通過虛擬仿真技術(shù)給教學(xué)提供逼真的應(yīng)用場景和數(shù)據(jù)環(huán)境，學(xué)生可以全身心地投入學(xué)習(xí)和體驗，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，學(xué)以致用，提高課程的實用性。加深對無源感知定位的理解，同時也提高學(xué)生的實踐能力[13]。吉林師范大學(xué)教學(xué)時發(fā)現(xiàn)虛擬技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)按照時間的推移和空間位置的變化，分析地理過程的環(huán)節(jié)、運動規(guī)律，甚至進(jìn)行簡單科學(xué)預(yù)測趨勢的教學(xué)內(nèi)容。培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力與空間觀念。給學(xué)生直觀的展示和突出了地理事物和現(xiàn)象的時空動態(tài)變化的特征，培養(yǎng)學(xué)生主動綜合時間和空間、動態(tài)分析地理事物和問題的思維能力[14]。

這些研究都涉及虛擬技術(shù)的實際應(yīng)用，或多或少都進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)線上教學(xué)的嘗試，取得較好的教學(xué)效果，但是應(yīng)用深度顯得略淺，只是將虛擬技術(shù)進(jìn)行簡單的應(yīng)用，沒有貫穿所有的教學(xué)過程，因此將虛擬技術(shù)應(yīng)用于所有教學(xué)流程，形成一個可以借鑒的完整教學(xué)方式急需建立和提升。因此本文以河北砂鍋店地區(qū)喀斯特地貌形成過程的教學(xué)為案例，通過虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)線上教學(xué)，發(fā)揮虛擬技術(shù)的優(yōu)勢，建立線上教學(xué)模式，為地理教學(xué)改革提供可以借鑒的案例。

1教學(xué)內(nèi)容簡介

以溫帶砂鍋店地區(qū)喀斯特地貌發(fā)育過程為例進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計，使學(xué)生全面掌握認(rèn)識喀斯特地貌的發(fā)育歷程和條件，直觀呈現(xiàn)地貌發(fā)育情景，形成直觀與抽象概念融合的教學(xué)方式。本項目依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展學(xué)習(xí)，達(dá)到教學(xué)目的。項目建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則，實現(xiàn)真實教學(xué)不具備或難以完成的教學(xué)功能。

2 動態(tài)仿真模擬的流程

2.1石灰?guī)r形成

砂鍋店地區(qū)在奧陶紀(jì)為淺海（情景為海邊），石灰?guī)r在淺海里發(fā)育形成，累積加厚，一直延續(xù)到燕山運動（這是這是恐龍滅絕時期），地面抬升，海水退去，石灰?guī)r出露。

2.2斷層形成

當(dāng)石灰?guī)r出露后在此地發(fā)育一個斷層，一側(cè)下陷，另一側(cè)抬升，形成一個正斷層。

2.3花崗巖墻形成

當(dāng)斷層形成后地下巖漿順著斷層線涌出填滿空隙，冷凝后形成一個狹長形的花崗巖，由于花崗巖抗侵蝕能力比石灰?guī)r強，最后這段花崗巖出露形成巖墻。

2.4喀斯特地貌發(fā)育

在巖墻的阻擋下水流沿著地勢從巖墻向一側(cè)流動，形成石灰?guī)r地貌（地貌類型為發(fā)育初期的石牙，溶溝和2個X溶溝相交形成的一個落水洞;這種地貌發(fā)育條件為溫帶地區(qū)，溫度季節(jié)變化大（模擬四季變化），降水相對不是很多，所以喀斯特發(fā)育只在初級階段）。

3學(xué)生交互性操作步驟

為了使學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)觀看仿真結(jié)束后進(jìn)行必要練習(xí)以鞏固掌握所學(xué)知識，進(jìn)行必要的操作。

3.1啟動階段

情景練習(xí)啟動-控制按鈕為喀斯特地貌發(fā)育。

3.2 仿真重現(xiàn)

按照發(fā)育階段輸入各個階段的名稱進(jìn)行開啟各個階段的仿真重現(xiàn)（紅色字體為啟動按鈕，輸入名稱）

（1）石灰?guī)r形成階段，進(jìn)入初始階段，在淺海階段，石灰?guī)r形成

（2）燕山運動階段，進(jìn)入海水退去，陸地形成

（3）斷層形成階段，進(jìn)入這個階段的情景仿真

（4）花崗巖墻形成階段，進(jìn)入這個階段的情景仿真

（5）喀斯特地貌發(fā)育階段，進(jìn)入這個階段的情景仿真

3.3 輸入條件

輸入各個階段主要類型和發(fā)育條件

（1）石灰?guī)r階段，地質(zhì)基礎(chǔ)為淺海

（2）燕山運動階段，海退陸升

（3）斷層形成階段，斷層類型-正斷層

（4）花崗巖墻形成階段，巖漿涌入，侵蝕速度出現(xiàn)差異

（5）喀斯特地貌發(fā)育階段，輸入發(fā)育條件，為溫帶地區(qū)—氣溫變化大，降水不多

3.4形成脈絡(luò)

最后形成一個脈絡(luò)，將各個階段名稱按照一定順序填入完成操作。

4技術(shù)架構(gòu)

教學(xué)內(nèi)容與技術(shù)本身將支撐項目運行的平臺及項目運行的架構(gòu)共分為五層，每一層都為其上層提供服務(wù)，直到完成喀斯特地貌虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。下面將按照從下至上的順序分別闡述各層的具體功能。

4.1數(shù)據(jù)層

仿真模擬虛擬仿真實驗項目涉及到多種類型虛擬實驗組件及數(shù)據(jù)，這里分別設(shè)置虛擬實驗的基礎(chǔ)元件庫、實驗課程庫、典型實驗庫、標(biāo)準(zhǔn)答案庫、規(guī)則庫、實驗數(shù)據(jù)、用戶信息等來實現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理。

4.2支撐層

支撐層是虛擬仿真實驗教學(xué)與開放共享平臺的核心框架，是實驗項目正常開放運行的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)整個基礎(chǔ)系統(tǒng)的運行、維護和管理。支撐平臺包括以下幾個功能子系統(tǒng)：安全管理、服務(wù)容器、數(shù)據(jù)管理、資源管理與監(jiān)控、域管理、域間信息服務(wù)等。

4.3通用服務(wù)層

通用服務(wù)層即開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺，提供虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的一些通用支持組件，以便用戶能夠快速在虛擬實驗環(huán)境完成虛擬仿真實驗。通用服務(wù)包括：實驗教務(wù)管理、實驗教學(xué)管理、理論知識學(xué)習(xí)、實驗資源管理、互動交流、實驗結(jié)果自動批改、實驗報告管理、教學(xué)效果評、項目開放與共等，同時提供相應(yīng)集成接口工具，以便該平臺能夠方便集成虛擬實驗軟件進(jìn)入統(tǒng)一管理。

4.4仿真層

仿真層主要針對該項目進(jìn)行相應(yīng)的器材建模、實驗場景構(gòu)建、虛擬儀器開發(fā)、提供通用的仿真器，最后為上層提供實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出。

4.5應(yīng)用層

基于底層的服務(wù)，最終喀斯特地貌發(fā)育過程動態(tài)仿真模擬虛擬仿真項目教學(xué)與開放共享。該框架的應(yīng)用層具有良好的擴展性，實驗教師可根據(jù)教學(xué)需要，利用服務(wù)層提供的各種工具和仿真層提供的相應(yīng)的器材模型，設(shè)計各種典型實驗實例，最后面向網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行開放。

5 教學(xué)反思

利用虛擬技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)上教學(xué)，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)直觀教學(xué)的優(yōu)勢，在實際虛擬激素應(yīng)用調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)一些基本優(yōu)勢，最大的優(yōu)勢是能將漫長的喀斯特地貌發(fā)育歷程直觀動態(tài)呈現(xiàn)出來，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，特別是課后問題的設(shè)置能夠具體反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，在實際運行中也發(fā)現(xiàn)有一些問題需要改進(jìn)，如實際教學(xué)中過于死板，無法依據(jù)教學(xué)實際進(jìn)行反饋和調(diào)整，無法實現(xiàn)面對面的交流，問題答案相對唯一，沒有達(dá)到靈活調(diào)整，限制學(xué)生自主思考和開放式答案探索的思維，需要在實踐中逐步完善。

6 結(jié)論

利用虛擬教學(xué)進(jìn)行喀斯特地貌形成歷程的教學(xué)能夠直觀呈現(xiàn)地貌發(fā)育過程的線上教學(xué)，能夠激發(fā)學(xué)生熱情，在實際教學(xué)中完成石灰?guī)r形成、斷層形成、巖墻形成和喀斯特地貌發(fā)育等所有教學(xué)內(nèi)容，能夠?qū)⒁n，講解內(nèi)容，課上訓(xùn)練和反思等環(huán)節(jié)利用虛擬技術(shù)得到實現(xiàn)。進(jìn)一步實現(xiàn)師生互動，學(xué)生參與操作流程，讓學(xué)生充分進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，另外技術(shù)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、支撐層、服務(wù)層、仿真層和應(yīng)用層等不同層級逐漸推進(jìn)形成一個有效的支持。

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[[基金項目]吉林省科技發(fā)展計劃項目（20190201018JC）;大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的喀斯特地貌發(fā)育過程和影響因素線上教學(xué)方式研究）。

[作者簡介]王澤龍（2000-），男，吉林長春人，東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院學(xué)生，從事地理教學(xué)方法研究。

[通訊作者]陶巖（1984-），男，吉林長春人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事植物生態(tài)學(xué)和地理教法研究

注： 本研究為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。項目負(fù)責(zé)人：王澤龍;組員：郭曉龍，王澤，張津濤，張?zhí)斓?指導(dǎo)教師： 陶巖。