地理科学虚拟仿真实验教学系统建设探讨_顾晓敏.pdf
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1、2023 年 18 期教 海 探 新高 教 学 刊Journal of Higher Education地理科学虚拟仿真实验教学系统建设探讨顾晓敏,蒋庆丰*,钱鹏,董进国,韩宇捷(南通大学 地理科学学院,江苏 南通 226000)虚拟仿真(Virtual Reality),或称虚拟现实,是采用电脑系统模仿真实系统的技术,让用户通过视觉、听觉、触觉等多传感通道与虚拟世界进行实时交互。虚拟仿真技术可将物理环境、数字环境与虚拟世界有机结合,将虚拟现实实验资源融入高校课程教学中,构建虚实结合的实验教学资源1-2。地理学作为一门综合性学科,强调课堂理论教学与野外实践教学相结合,通过野外实地勘察,让学生对
2、所学知识有直观感受。然而,一些复杂的地理实践常受到响应周期长、高成本、高风险和时空受限等多重因素的制约3-4,因此需要利用虚拟仿真技术构建三维仿真场景,解决地理实践课程不可及和不可逆的问题,形象揭示复杂的科研理论和抽象的过程机理。将传统线下实践教学拓展为泛在化的线上虚拟实验室,延伸实验内容和时空的深度与广度5-6。在高教改革及科技革命的新时代背景下,地理高校实验教学体系主要存在着以下三个问题。实验课程体系与地理专业人才实践创新能力培养匹配度不够,地理实验教学资源对实验课程支撑度不够,实验教学模式与学生多元化发展需求契合度不够。因此,聚焦以上地理实践教学建设中的核心和难点问题,需要积极推进现代信
3、息技术与实验教学的深度融合7。作为国家五大“一流金课”之一,虚拟仿真课程的建设能真正解决地理本科实践教学环节的“瓶颈”,促进教学改革良性发展8。同时,全面推进虚拟仿真课程与课程思政相融合,切实将价值塑造、知识获取和能力提升三者有机结合,为整体提升地理科学类专业人才培养提供丰富的资源。一水文学实验教学困境以地下水循环与开采为例(一)真实场景不可及地下水循环与开采设计实验作为水文学实验的重要组成部分,学生在学习过程中需充分了解地下水环境及循环特征,做到理论与实践相结合9。地下水是赋存于基金项目:教育部产学研合作协同育人项目“水文学虚拟仿真实验教学课程设计”(202101057027);江苏省高等学
4、校自然科学研究面上项目“基于多示踪方法的滨海深部地热水补给机制研究”(20KJB170022);南通大学教学改革研究课题“课堂革命视域下的高校混合教学模式构建研究”(2019B72)第一作者简介:顾晓敏(1991-),女,汉族,江苏南通人,博士,讲师。研究方向为水文学、地理科学。*通信作者:蒋庆丰(1976-),男,汉族,安徽和县人,博士,副教授,副院长。研究方向为地理科学,灾害学。摘要:针对地理科学的核心课程水文学实验教学中,真实场景不可及、时空尺度巨大、决策失误不可逆等问题,南通大学地理科学虚拟仿真实验教学中心以科研数据为支撑,构建高度仿真的虚拟仿真实验教学资源。主要包括水文地质调查、虚拟
5、抽水及钻探实验、地下水开采设计及灾害优化防控 4 个主要模块,实现科研成果反哺教学,将思政融入教学全过程、各环节,培养学生科学探索及创新思维能力的同时树立水资源保护意识,在培养具有地理核心素养的高层次专业人才过程中发挥积极作用。关键词:地理科学;虚拟仿真;实验教学;课程思政;教学资源中图分类号:G642文献标志码:A文章编号:2096-000X(2023)18-0110-04Abstract:In view of the problems existing in the hydrological experimental teaching,such as unreachable real sc
6、enes,hugespatial and temporal scales,and irreversible decision-making mistakes,a highly simulated virtual experimental environment teachingresources based on scientific research data was developed by Geographical Science Virtual Simulation Experiment Teaching Center ofNantong University.Four main mo
7、dules were included in the experiment:hydrogeological survey,virtual pumping and drillingexperiments,groundwater exploitation design and optimization based on disaster prevention.The scientific research results werecombined with virtual simulation experiment to feedback teaching,and ideological and
8、political education were also integrated into thewhole teaching process,which greatly cultivates students scientific exploration and practical innovation ability and establish theawareness of water resources conservation as well.The experiment has played an active role in cultivating high-level prof
9、essionalswith geographic core literacy.Keywords:geographic sciences;virtual simulation;experimental teaching;ideological and political education;teaching resourcesDOI:10.19980/j.CN23-1593/G4.2023.18.026110-教 海 探 新高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 18 期地面以下的水资源,由于地下水赋存条件的复杂性和地下水质点运移过程的不可观察性,传统的
10、地下水实验教学,一直存在教学成本高,实验消耗高的问题。学校无法将野外场景及地下环境搬到课堂上,也缺少经费支撑大规模的物探及钻探教学。(二)时空尺度巨大水文地质实验,包括抽水实验、钻探实验,从选点、开孔、钻探到主体实验数据分析,通常需要耗时几个月10。地下水开采及其对环境的影响更是一个长期作用下的缓慢过程,即使是实验室小尺度模拟,也需要几十天甚至数月的时间。巨大的时空尺度不仅使实体实验难以在有限课时内完成,而且高成本高消耗导致无法实现全体学生参与实验。(三)实验结果不可逆且决策失误后果严重由于地下水开采的特殊性,决策结果不可逆,决策失误后果严重,学生即使有实践机会,也难于参与核心管理的决策,更无
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