摘要：在大气科学类实验教学中引入虚拟现实技术, 通过构建大气物理化学变化等虚拟实验环境, 可以使学生更加直观、深入地理解抽象的理论教学内容。进行虚拟现实课程研发和教材建设, 既能减少实验耗材支出, 节省实验费用, 同时也能给学生提供一个集学习指南、示例视频与交互式练习为一体的学习模式, 更好地调动学生的积极性、主动性和创造性。在实验教学中采用虚拟现实技术, 对培养学生创造性的思维能力、创新性的科学态度和独立动手的实践能力也起到十分重要的作用。
关键词：虚拟现实; 实验教学; 大气科学;
Application of Virtual Reality Technology in Experimental Teaching of Atmospheric Science
Abstract：The introduction of virtual reality technology into the experimental teaching of atmospheric science and the construction of virtual experimental environment enables students to understand the abstract teaching content more intuitively and thoroughly. Virtual reality of curriculum development and the construction of teaching materials, which can not only reduce the experimental consumables expenditure, save experiment cost, but also provide students with a learning guide, sample video and interactive practice integrated learning environment. It can fully mobilize the enthusiasm, initiative and creativity of students, and play an important role in cultivating students' creative thinking ability, rigorous and realistic scientific attitude and independent work ability.
Keyword：virtual reality; atmospheric science; experimental teaching;
一、虚拟现实技术概念及特征分析
虚拟现实 (Virtual Reality, 简称VR) , 又称临境技术, 指采用计算机技术生成一种模拟环境, 通过使用不同类别的传感装置将使用者“投射”到该环境中, 并可进行操作控制, 以达到目的、满足需求。虚拟现实技术是现代科学技术在应用领域中的结晶, 是新世纪最富有创造性的重要技术之一。
虚拟现实技术与传统的模拟技术不同, 它为人们提供了一种全新的人机交互方式, 在技术思想上有了质的飞跃。它将模拟环境、视景系统和仿真系统合并统一, 操作人员通过传感装置与虚拟环境进行交互, 即可获得视觉、听觉、触觉等多维度感知, 并根据操作者的意志力去改变虚拟环境。虚拟现实技术的独有特征将使其在高校实验教学中发挥重要的教育教学价值。
(一) 情境真实性
利用虚拟现实技术的现代化实践教学方法可创设虚拟情境, 将传统的单一教学模式转变为互动参与式教学模式。虚拟教学软件不仅能使一些概念、关系、原理等抽象问题具体化、微观问题宏观化, 还能模拟常规课堂教学中难以完成的演示技术和操作技巧, 使复杂问题简单化, 有利于学生理解、记忆并掌握动作技能。
(二) 多感知性与过程沉浸性
虚拟现实的可扩展性更强, 它包括各种交互和与各种应用系统的结合等。基于多感知性, 虚拟现实技术可以提高使用者于模拟环境中的感觉真实程度, 使学生身临其境般地操作实验仪器、观察实验现象, 从而准确验证实验假设, 更加有效地培养学生的实践能力和创新能力。
(三) 智能性与趣味性
实验教学的目的在于培养学生的实践技能。实践技能的掌握可分为操作的定向、模仿、整合和熟练四个阶段, 需要学生在实际操作过程中摸索并逐步明确实验内容和实验步骤。虚拟现实教学技术能够及时跟踪、反馈学生的实践教学效果, 类似一个无形的教师在学生身边随时提供个性化的指导, 有助于帮助学生建立正确的映像, 并将头脑中的定向映像以外显的实践行动表现出来。虚拟现实技术由于表现过程的情境性、内容的真实性、呈现方式的多样性、技术的智能性而使其本身具有强烈的趣味性, 促使学习者积极参与并有效反馈, 实实在在地进行“因材施教”。
(四) 交互性与构想性
交互性指学生对虚拟环境中情景的操作程度和从中得到反馈的自然程度 (包括实时性) 。构想性可拓宽学生的认知范围, 使体验者可以根据自身的感受获取知识并受到启发。学生在虚拟现实场景中不仅可以按照实验操作规范完成指定任务, 还可创造性地验证自己的奇思妙想。
二、大气科学类实验教学现状及发展趋势
大气科学是以大气运动规律、天气气候事件成因、预报预测与评估服务技术为研究对象的一门学科, 特色在于理论教学与实践教学并重。传统大气科学类实验教学一般在实验室或在气象观测场完成, 主要以教师讲授和演示为主。由于受空间和时间上的限制, 教师往往无法为学生完整地展示天气与气候现象, 导致学生亲自动手操作的机会比较少, 获得的真实情境感较差, 自主创新想法得到验证的机会较少。利用虚拟现实技术进行大气科学类实验教学, 学生可以在真实气象观测或预报环境中进行工作, 既可以根据教师的安排练习程序化的操作步骤, 还可以动手去验证自己的实验假设, 并进行反复推演, 而不必考虑实验耗材的经费支出或实验可能带来的危险。根据虚拟现实技术的特性, 其在大气科学类实验教学中具有良好的教育价值。
(一) 构建逼真场景, 激发创造思维
采用虚拟现实技术, 开发逼真的实验教学场景, 让学生在全面系统地学习基础理论知识之后, 提出预设问题或实验方案, 然后真正地融入实验, 亲自动手操作去验证预设问题。在这个过程当中, 学生的各种感官受到极大的刺激, 产生各种待验证的新问题, 进而开展新一轮的实验过程。这一过程可进行重复推演, 从而激发学生的创造性发散思维, 强化自主学习能力。
(二) 改革教学手段, 提高学习兴趣
在传统教学中, 学生会感觉课本中的理论、公式部分非常枯燥, 有些场景更是难以用语言来描绘。而虚拟现实技术可以把理论教学转化为丰富的实践教学, 提高学生学习兴趣。利用具有自主性、交互性、可扩展性和安全性的虚拟现实实践教学平台, 可以把教学中的理论内容转化为丰富的实践活动, 更好地实现实践教学功能, 建立较为完善的实验教学体系。
(三) 打破时空限制, 提高教学效率
大气过程在空间上可以从纳米到行星尺度, 在时间尺度上可从秒到气候变迁, 巨大的空间和时间跨度远远超出人类感知的范围。课堂理论教学和外场观测实验都无法实现大气过程的再现与分析, 而通过虚拟现实技术进行大气科学类实验教学, 引导学生们对大气的内部结构进行细致观察, 并进行重复的实景模拟训练, 可大大提高教学效率。
(四) 节约办学成本, 增加办学效益
虚拟现实教学系统可重复使用, 相较于组织学生进行外场实地训练, 可大大节约相关的实践教学经费。例如:气象数值模拟与预报预测实训虚拟现实教学系统的应用, 无疑将使大气科学与天气气候预报发展成为现代智能教学典范, 极大地提高学校知名度, 并且大大节约气象预报测报实地培训的成本和教学场地使用面积, 从而增加学校的办学效益。
三、虚拟现实技术在大气科学类实验教学中的应用
(一) 理念与目标
树立“业务引领、虚实结合、科教融合、开放共享”的大气科学类虚拟现实实验教学理念, 将气象业务培训转化为实验教学内容, 使真实实验与虚拟实验相互补充, 将高水平的科研成果反哺实践教学活动, 通过现代化信息网络技术、虚拟现实技术、计算机仿真技术和云资源库建设, 实现实践教学资源与虚拟现实实验的开放与共享, 不断提升学生的实践与创新能力。
(二) 组织机构与实施载体
由南京信息工程大学“大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学中心”牵头负责, 依托“气象学”国家重点学科和大气科学与环境气象国家级实验教学示范中心、大气科学实验教学中心、应用气象实验教学中心等16个省级实验教学示范中心, 整合各学院实验教学中的虚拟仿真实验, 通过共建共享, 建立起系统化的虚拟现实实验教学平台。
(三) 具体应用思路
深入论证分析虚拟现实技术与大气科学类实验教学的适切性, 广泛调研大气科学类实验教学的实施现状及改革需求, 明确教学理念及目标, 制订切实可行的实施方案, 做到有章可循、有据可依;选取若干大气科学类实验教学课程作为试点, 组织专业人员组成精干的研发团队, 开发基于虚拟现实的大气科学类实验课程教学系统;将开发的虚拟现实实验课程在校内进行试点, 广泛听取学生和任课教师的意见和建议, 形成整改方案之后进行系统定期优化。
(四) 大气科学类实验课程模块组成
1. 气象仪器与气象网络虚拟实验
包括自动气象观测站虚拟设计与仿真、气象电磁虚拟与仿真、气象物联网及应用虚拟与仿真、气象云计算虚拟与仿真、气象信息系统工程虚拟与仿真等实验课程, 通过更直观的操作, 实现基础训练、技能训练和创新训练的可视化。
2. 大气物理与大气环境虚拟实验
通过虚拟现实技术与互联网交互技术的结合, 模拟大气中发生的宏、微观物理化学过程, 使大气变化过程真实地展现在学生面前。
3. 天气和气候虚拟仿真实验
基于硬件支持、海量的气象资料以及气候数值模式, 实现气候诊断、模拟天气及其变化等综合虚拟实训教学, 实现“变无形大气为有形”的虚拟实验项目。
4. 遥感技术虚拟仿真实验
通过计算机虚拟实验, 将雷达与卫星资料的处理与显示、云和地表物象的识别、台风的卫星云图特征识别与分析等内容, 通过虚拟的可视化方式呈现给学生。
随着虚拟现实技术的进一步发展, 实训的内容、手段及模式都将发生深刻的变革, 传统的校内、校外实训基地模式将向着实地实训基地与虚拟现实实践实训相结合的教育模式发展, 必将谱写应用性、创造性科技人才培养的新格局, 开创现代化教育发展的新未来。
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