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摘 要：虚拟仿真金课是新时代教育部重点建设的“五类”金课之一，对促进教学模式改革和建设“一流”专业意义重大。以河南大学地理学虚拟仿真实验建设为例，分析了新时代建设地理虚拟仿真金课时代意义和现实所需， 梳理了地理虚拟仿真实验建设的历程并归纳其特点，总结和问诊了地理学金课建设的成效与问题，提出了地理学虚拟仿真实验建设的未来重点。
关键词：地理学；虚拟仿真；教学改革；探索；实践
本文引用格式：丁志伟，孟怡伟，秦耀辰 . 基于虚拟仿真实验的地理学教学探索与实践——以河南大学环境与规划学院为例 [J]. 教育现代化 ,2021,8(36):14-17.
Exploration and Practice of Geography Teaching Based on Virtual Simulation Experiment
—— A Case Study of College of Environment and Planning in Henan University
DInG Zhiwei, MenG Yiwei, QIn YaochenCollege of environment and Planning / Key Laboratory of Geospatial Technology for the Middle and Lower Yellow River Regions， Ministry of education / national Demonstration Center for environment and Planning，Henan University，Kaifeng Henan）
Abstract: As one of the “five types” gold courses that the Ministry of Education will focus on constructing in the new era, the virtual simulation gold course is of great significance to promote the reform of teaching mode and building a “first-class” major. Taking the construction of the virtual simulation experiment of geography in Henan University as an example, this paper analyzed the significance and realistic needs of building a golden course of geography virtual simulation in the new era, sorted out the construction process of the geography virtual simulation experiment and summarized its characteristics, summarized and asked about the effectiveness and problems of the construction of the geography gold course, put forward the future focus of the construction of the virtual simulation experiment of geography.
Keywords: geography; virtual simulation; teaching reform; exploration; practice
一 引言
虚拟仿真技术，或称为模拟技术，是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，并通过头盔显示器（HMD）、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感 [1]。虚拟仿真技术可以将物理环境、数字化环境和虚拟世界三者有机地结合起来，建立虚实结合、相互补充的虚拟仿真实验教学资源和环境 [2-5]。
地理学是一门既强调理论又强调实践的学科，因此很多情况下需要进行野外实习和实践演示，让学生对地形、地貌、土壤、气候等环境进行直观感受，帮助学生理解植物垂直分布规律、不同植物的群落特征、土壤剖面变化、地质环境变迁等自然现象 [6]。然而， 有些复杂的地理实践常受到地势险峻、气候多变、重大突发事件等因素的影响，因此难以在户外进行实验、实习。基于此，利用虚拟仿真技术构建野外实系统，开展虚实结合的虚拟仿真教学，能够较好地解决时间、空间限制等问题，从而为地理学的野外实践提供较好的保障，同时使学生开展自主学习， 构建更加完整的知识体系。
在建设一流学科、一流专业的新时代背景下，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020 年）》《教育信息化十年发展规划（2011-2020 年）》《教育信息化“十三五”规划》等重大的教育规划均指出，要聚焦教育改革发展过程中困扰教学、管理的核心问题和难点问题，将信息技术融入到教学和管理模式创新的过程中，以创新促发展，推动教育服务供给方式、教学和管理模式的变革，形成中国特色的教育信息化发展路径 [7]。国家在进行“一流”金课建设时，教育部明确提出了线上、线下、混合式、社会实践与虚拟仿真五类金课，将虚拟仿真金课上升到了前所未有的高度。
2017 年 7 月，教育部印发的《关于 2017— 2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高函〔2017〕4 号），对虚拟仿真实验教学项目的建设目标、建设内容、建设规划和组织管理等方面作了详细的说明 [8]。在此背景下，打造一批虚拟仿真项目， 真正解决地理学教学方面的实践问题，能够使资源利用效率提高，促进教育教学良性发展，为高校培养人才、科学研究和服务社会提供有力支撑和保障。
二 虚拟仿真实验教学的发展历程与实践特点
（一） 由小到大，逐渐完善
虚拟仿真最初是应用于某一个事件的简单模拟， 对事物或者实践进行立体、三维模拟和重演。地理虚拟仿真教学最初也是基于小事物的模拟，例如对某个建筑的三维模拟、对包括山体滑坡在内的自然灾害的模拟。伴随着信息化、人工智能技术的出现和发展， 虚拟技术、VR 技术以及智能化的发展，虚拟仿真的教学由小范围环境搭建、短片段介绍，逐渐走入真实场景、3D 电影、立体模拟式的场景构建，让操作者产生身临其境的真实体验。河南大学环境与规划国家级实验教学示范中心积极探索虚拟仿真实验教学，逐渐由小范围的校园情景模拟逐渐走向三维景观制作方面以及一些自然地理现象的模拟，为地理科学类教学提供了有力支撑。
在服务实践方面，虚拟仿真逐渐由建筑模拟、三维鸟瞰走向社会建设，例如虚拟校园、虚拟郑汴大道景观、虚拟古建筑等。随着 GIS 技术中 3D 虚拟场景构建的融入，使得虚拟技术进一步提升，虚拟效果呈现更加真实化，虚拟大礼堂就应运而生。2010 年以来，国家不断推进虚拟仿真实验教学中心建设的同时，也在积极开展示范性虚拟仿真实验教学项目的建设工作。河南大学环境与规划学院积极探索虚实相结合的实验教学改革，探索虚拟仿真技术与本校研究特色。
2012 年黄河下游科学数据共享平台建设，国家科技基础条件平台项目获批立项；同年，国家重点基础研究发展计划中国低碳发展的区域分异与情景模拟项目立项；2017 年国家自然科学基金项目，基于情景化生活方式的城市低碳社区模拟与调控项目获批立项。这些项目的立项，加上已有野外观测、卫星遥感解译、GIS 技术等，为虚拟仿真实验的进一步发展提供了支撑。
（二） 由实到虚，虚实结合
野外实习除受到天气、环境等因素的影响，有些实验具有不可逆、不安全性，因此虚拟仿真技术提供了有力的教学实践支撑，而且节约时间和成本。同时，虚拟仿真技术的逼真性和实时交互性可以真实模拟现实，因此可以在室内进行模拟后让学生进行实践操作，可有效地推进户外教学，也有效支撑了线上、线下混合式课程建设。
可以说，建设虚拟仿真实验教学系统一方面可以改变传统的教学模式，优化高等学校地理教学的实践手段，为不同专业的课堂实验、野外实习、规划设计、临场采样等提供前期支撑，让学生“身临其境”地感受自然现象，分析可能遇到的地理问题并进行“亲身”体会，从而加强学生把理论应用于实践的能力，提升学生的学习效率，同时使学生能不受地点和环境限制在虚拟环境中开展实验，降低真实野外实习的成本消耗及规避不可抗性因素带来的风险；另一方面，虚拟仿真实验教学系统可以促进资源的优化，借助现代化信息技术的优势，营造逼真的三维教学环境，让学生能“深入其境”地理解理论知识。河南大学环境与规划学院积极探索户外难以模拟教学实验的虚拟仿真，如对虚拟嵩山、黄河洼地水库建设的建设，很好地解决了实践的难题，真正实现了由实到虚、虚实结合。
（三） 由内到外，对接社会
虚拟仿真项目绝大多数是在室内搭建平台，让学生进行室内的观看、操作或者体验，往往虚有其表。在新时代地理学更能服务社会的当下，国土规划建设成为地理学“大有可为”的领域，因此，基于城市规划虚拟仿真进行国土空间规划中的城市建设模拟，能为规划提供切实可行的现实支撑。基于郑州市的建筑模型进行低碳模拟、基于历史文化名城开封进行“城摞城”演化等，能有效地真实再现城市的道路体系、功能分区，为商业区、工业区的布局提供支撑。以基于城乡规划虚拟仿真的开封市空间结构演化为例，通过对战国、隋唐、北宋、清中、现代开封的三维虚拟仿真模拟，深入剖析空间结构中城墙变迁、河湖分割、路网变化、功能分区的主要影响因素，提升学生对城市空间结构的归纳和规划能力。在实际操作中，学生通过授权 ID 登录使用后，在虚拟仿真实验的基础上， 通过小组合作、探究学习等方式，完成所在城市的空间结构虚拟实验操作，让学生真正将书本的知识变成用武之地，为自己家乡建设提供支撑。
（四） 由生到师，智能操作
虚拟仿真教学开始只是简单的场景还原，在国家打造金课的背景下，不仅需要场景还原，更重要的是形成线上虚拟资源，线下真实操作的实验教学新模式。在进行虚拟仿真开发系统的过程中，加强了问题的设置、步骤的设置、实际操作的设置，智能系统逐渐扮演其学生进行人机交互实践过程中教师的角色。学生在老师和智能虚拟仿真系统的共同引导下，学生需要进行客观题的判断、延展思考题的回答、课下作业的提交、实习报告的撰写等，学生在交互过程中实现了与“机器”老师的对话，从而巩固了学生的知识体系。可以说，学生在虚拟仿真系统的支持下，不仅专业知识的掌握和科学研究方法、实验技能、动手能力提升得更快，而且对相关虚拟仿真实验背后的科学问题理解得更深，同时在相关课程的虚拟仿真实验教学环节中提升了相应的动手实践能力和创新意识。
三 虚拟仿真实验教学改革的成效与问题
（一） 成效
1.改进教学方法，提升教学水平。在地理课堂实践教学环节中，已有的教学方法以课堂 PPT 展示、学生小组讨论、专题汇报等形式为主，学生对于野外实习的认识仅停留在课堂上，不具备实际操作的能力，缺乏好的平台进行真实场景的模拟与锻炼。引入虚拟仿真实验教学后，地理仿真教学系统为学生在课堂和实践之中提供了一个很好的过渡环节， 让学生在进行野外实习前能够有精准预判和操作锻炼，对操作的流程更加熟悉、对操作的过程更加规范。同时，通过实践的交互训练、作业批改和实习报告撰写，虚拟仿真教学对学生进行野外实习的成效提供了有力的保障。在课堂教学质量提升、虚拟仿真系统提前演练、野外实习真实体验的整体教学方法改进下，使得学生的课堂练习、课后实验以及虚拟仿真形成了一个一体化的过程性的方法体系，为真实环境的实践锻炼提供支撑。
2.促进教学改革，优化教学环境。虚拟仿真是一个新兴事物，其开发有一个完整的过程，所以需要教师进行系统的教学设计才能进行虚拟场景的呈现，才能真正实现教学目标，否则就是一次“蜻蜓点水”的体验。在教学理念、教学目标的支撑下， 教师需要对整个教学的实验步骤、实验脚本设计进行深入思考，才能把教学的思想融入到虚拟仿真系统，使得教师在课堂和课下教学实践的组织能力不断提升，因此教师在教学设计、虚拟仿真、课后组织的教学实践改革中，不断转变思维，提升了教学水平。此外，由于虚拟仿真系统需要借助于优良的硬件环境才能真实体验，因此在虚拟仿真实验项目开发时，作为承载、展示项目内容的虚拟现实多媒体硬件平台是建设关键。在软硬件建设不断改善的环境中，学校学院的数字化教室、虚拟实验室、数字教育教学资源库等得到了有力的保障。
3.激发学生兴趣，夯实专业技能。以往学生在课堂上是以教师演示型的展示和验证性的实验为主， 对知识的理解只是停留在脑海里的表象认知，并没有落实到具体实际实践中，往往知其然而不是其所以然，因而学生的兴趣不高。虚拟仿真是一种新技术， 由于其真实的虚拟实验环境，学生会产生类似 3D 游戏、3D 动漫之类的真实感受，因此激发了学生对新鲜事物的好奇感和兴趣点。在好奇和兴趣的引领下， 学生在体验新技术和新事物的过程中，潜移默化地掌握了学习内容。此外，由于虚拟仿真教学实验能够通过仿真模型、虚拟场景的交互操作和实验课程设计与任务模块，让学生自主学习并掌握实训课程所涉及的原理与知识点、实验步骤、实验任务、实验易错提示掌握野外实习调查技能和方法，使学生突破时间、空间限制，开展自主学习，提高综合实践与创新能力。
4.促进师生交流，实现教学相长。在大多数的教学设计中，教学方法以课题讲授、问题、小组讨论为主，虽然教学方法不断改进，然而仍以教师组织为主， 学生的主体参与意识不高，融合真实感受的体验感不强。在这种情况下，学生学习的方式多以“教师 - 学生”传递式为主，动手实践式的活动较少，因此虽然有较好的教学效果，但师生的真实交流互动不多。引入虚拟仿真教学系统之后，让教师和学生参与，智慧虚拟系统充当了“教师”的批改角色，真实的教师充当了学生遇到问题的交流“伙伴”，师生的交流互动不断加强，教学关系从以“教师为中心”转变为以“学生为中心”的“教”与“学”关系，在持续发展过程中既提高了教学水平，又提高了学生实践能力。
（二） 问题
1.资金经费投入大，短期效果不显著。建立具有特色的虚拟仿真实验教学项目，这不仅需要技术的支持，更需要资金的大量投入，才能保证可以提升虚拟仿真实验教学质量。然而庞大的实验经费往往造成很多教师虽然有较好的虚拟仿真设想，但到真正落实时到处都是难题。因此在经费投入力度支持不大的前提下，只能有针对性地节选一些有代表性的课程，导致教学效果往往也不是很佳。同时，虚拟仿真实验项目开发周期较长，少则数月多则半年才可以全面开发其功能，短时间内不能完全投入使用，因此耗时的等待和功能的开发也是一大难点。除此之外，虚拟仿真系统在运行的过程中会出现各种问题，要进行不断地修正和完善，因此，要想持续形成一种较好的“虚实结合”“人机交互”的实践成效，就必须在已有的开发基础上投入更多的人力、物力、财力，因此长期建设的重要性不言而喻。
2.软硬件设施建设水平提升不够。虚拟仿真技术需要对软硬件设施要求高，因此加强硬件设施条件，加快进行虚拟场景的设计、大型器材的添置（如购置地理信息科学、环境科学相关的先进实验设备等）、模型的构建、模具等成为必然。从硬件设施看，由于虚拟仿真系统需要进行专用机房、专用投屏、高性能电脑等，因此需要学院进行机房的改造以及 VR 软硬件的购买，才能提升硬件设施的支撑力， 才能产生高效的人 - 机交互和真实的体验感。
然而， 由于受学院空间等因素的影响，硬件设施虽然有一定的改进，但提升的力度和幅度还需要进一步提供， 因此进一步拓展空间，提升硬件建设水平成为进一步发展的必然选择。从软件开发看，不同的虚拟仿真系统需要借助于不同的开发设计公司才能完成， 而不同的公司开发的系统不尽相同，因此会导致系统不兼容问题。因此，在今后的建设中，要打通与各院虚拟仿真实验室之间的技术和内容壁垒，进行一体化建设，形成各个虚拟仿真实验教学与各院实验室之间的教学资源共享。
3.虚拟系统的交叉、综合开发不够。从实际情况看，目前虚拟仿真系统开发，主要集中在某一个学科或某个自然灾害、环境污染等方面的问题，基于综合思维框架解决重大科学问题的能力不足，因此当下亟需进一步进行综合、集成开发，形成服务于河南大学地理学特色研究区如黄河中下游地区、中原地区、大别山区、伏牛山区、淮河经济区等，为地方经济建设提供支撑。在黄河流域生态保护与高质量发展的国家战略引领下，在当下组建“黄河”实验室的河大担当下，更需要在已有实验实践教学平台的基础上，建成地理科学、自然地理、人文地理和地理信息科学等专业统一的，系统、综合的实验教学平台，融合与交叉，实现虚拟仿真技术服务更多的学生训练，服务更具有针对性的地方服务性建设。
4.对外开放与高校共享需要进一步提升。虚拟仿真项目不是面对某个专业或者某个高校“ 闭门” 搞实验，而是需要整合现有虚拟仿真实验资源进行共享方式地服务地方建设，因此，充分利用网络化基础和现有设备，搭建功能强大的实验系统，建设开放网络资源共享平台，以集成的形式与其他学校进行共享，从而提升地理学科对地方建设与重点行业的支撑度。然而，由于当下由于高校之间并没有完全建立很好的共享协同机制，因此无法实现全方位的共享，只能借助于网络共享平台和相关渠道进行部分共享，因此，在未来在进行综合开发的过程中， 要进一步建设一体化共享平台，提高实验室使用效率和管理能力。
四 结论
结合虚拟仿真项目在地方高校发展的特点，以河南大学环境与规划学院为例，总结了其发展历程走过了“由小到大，逐渐完善”“由实到虚，虚实结合”“由内到外，对接社会”“由生到师，智能操作”等阶段，总结了其取得的一系列培养成效，但同时指出其面临着资金经费投入不够、软硬件设施建设水平提升不够、虚拟系统的综合开发不够、对外开放与高校共享需要进一步提升等问题。结合上述问题，提出如下工作重点：
1.加强项目的立项与培育。结合地理学特点和聚焦领域，进一步择优遴选具有特色的虚拟仿真实验教学项目，予以重点培育，为正式立项建设省级、国家虚拟仿真实验教学项目奠定基础。
2.加强项目的实践引导。提倡以河南大学特色研究区为中心，以国家重大战略的核心领域为支撑，促进学科的交叉与融合，促进专业之间的力量互补，形成教学科研、虚拟仿真、服务地方的一体化项目构建模式。
3.加强实验教学队伍建设。围绕虚拟仿真实验教学项目的建设运行，重视实验教学队伍建设，培养师德高尚、能力过硬、结构合理的虚拟仿真实验教学团队，鼓励高校教师积极参与虚拟仿真实验教学项目的研发工作和教学实践活动。
4.健全完善教学评价体系。加强信息化教学政策研究、理论研究、运行机制和关键技术研究等方面的工作，持续改进相关教学评价机制，加强督导考核，不断健全完善信息化教学的综合评价体系。
参考文献
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