地球系统科学虚拟仿真实验研发

陈振杰，李满春，程 亮，王贝贝，陈 东

（南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023）

地球系统是一个复杂的巨系统，涉及地球内部、地表和大气各圈层。20 世纪后期以来，温室效应、全球变暖、森林锐减、物种大量灭绝等重大地球环境演变问题，促进地球科学由分化走向高层次的综合研究[1]。地球系统科学研究不同地表圈层之间相互联系、相互作用及其过程。地球系统科学对地球系统的分析由简单到复杂，从考虑单一要素到多要素耦合，从静态到动态、从局部到全局乃至全球尺度的数据观测、模拟[2]。但是，诸多地球现象中，有些不可见、高风险、不可达，甚至难以想象，给认知和理解其特征和规律带来困难[3-4]。

随着信息技术的发展，虚拟仿真实验成为现代实验教学的一个重要手段[4-5]。2017 年，教育部发布《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》，规划到2020 年认定1 000 项左右示范性虚拟仿真实验教学项目[6]，各类虚拟仿真实验建设快速推进。虚拟仿真实验依托计算机、仿真、人机交互、多媒体、网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境、实验对象、操作过程，提供可靠、安全、经济的实验项目[7-9]。虚拟仿真实验为地球系统科学提供了一种新的教学手段，它与野外观测、真实实验相互补充，实现真实实验难以完成的教学功能[10]。然而，国内外虚拟仿真实验教学仍处在探索阶段，地球系统科学虚拟仿真实验教学资源匮乏，虚拟仿真实验难以真实地反映地学过程，难以支撑学生深入学习地学过程、机理[11-12]。

针对虚拟仿真实验教学面临的问题，本文探索了虚拟仿真实验体系设计、问题驱动的实验情境设计，并以尾矿库监测为例，开展了地球系统科学虚拟仿真实验研发与实践。

1 虚拟仿真实验设计

1.1 虚拟仿真实验体系设计

1.1.1 虚拟仿真实验与野外观测实验结合

地球系统科学的虚拟仿真实验必须具有非常强的真实性、现势性，要体现虚拟世界与真实世界的映射关系，如图1 所示。因此，地球系统科学虚拟仿真实验要建立在大量野外实习、野外观测的基础上，充分体现“虚实结合”。通过野外观测，获取大量实地观测与真实性检验数据，为地球系统科学虚拟仿真提供坚实的数据基础。对野外观测的多源数据进行处理、分析、解译，在专业知识和地学分析模型的支撑下，建立虚拟仿真实验。在实验教学中，可以先通过虚拟仿真实验了解地学现象、地学过程，再到重点区域进行实地观测、验证结果，并积累新的观测数据用于完善虚拟仿真实验。

图1 虚实结合的地球科学虚拟仿真实验过程

1.1.2 多层次虚拟仿真实验体系

地球系统科学涉及的实验内容多，有必要构建相应的实验体系，如图2 所示。该实验体系既要合理区分虚拟实验和真实实验，也要能够符合学生循序渐进的认知规律。因此，虚拟仿真实验体系应按照“接触→融入→贯通→创新”4 个阶段进程，采用从易到难、循序渐进的方式设计虚拟仿真实验。“接触”阶段以虚拟仿真体验为主，目的是让学生了解地球系统的现象，理解重要知识点。“融入”阶段以综合虚拟仿真实验为主，帮助学生探索地球系统的过程机理、分析方法。“贯通”阶段以主题虚拟仿真实验为主，重在引导学生运用专业知识进行主题学习、综合应用、实验研发。“创新”阶段以研发创新实验为主，旨在培养学生自主创新能力，鼓励学生开展创新研究，并将成果融入虚拟仿真实验，并最终将实验内容转化为科研成果。在这4 个阶段中，通过兴趣引导、技能训练、平台支撑、项目实践，实现科教融合、教研相长。

图2 地球系统科学虚拟仿真实验体系

1.2 问题驱动的实验情境设计

1.2.1 实验情境创设

实验情境是现象认知、知识学习、应用体验、创新探索等的重要载体。在实验情境中，学生能够分析并确定问题，自主学习解决问题的方法，开展虚拟仿真实验解决问题，得到总结评价结果。地球系统科学虚拟仿真实验情境以真实的实验环境和地学过程为基础，使学生产生直观的感性认识，有助于引发学生的探究兴趣。因此，地球系统科学虚拟仿真实验情境应紧扣实验教学目标，营造以兴趣引导知识发现、以问题驱动知识应用的教学氛围。

实验情境应具有典型的地理场景、满足实验要求的数据资料、展现教学目标的应用实例。在地球系统科学虚拟仿真实验情境设计时，首先要梳理不可见、野外观察有高风险、不可达、甚至难以想象的地学知识难点与重点，并按照知识点的内在联系归类。然后，对各类知识点，以真实野外实验场景为基础，筛选有典型性、代表性、趣味性的应用案例。最后，对相似的、有关联的地理场景、应用案例进行综合、优化，创设实验情境。

图3 所示为基于体验式情境教学的虚拟仿真实验设计过程示例。

图3 基于体验式情境教学的虚拟仿真实验设计

1.2.2 实验内容设计

在实验情境创设的基础上，需要对实验目标、地理场景、应用案例进行细化，进一步设计虚拟仿真实验内容。实验内容设计时，应明确知识讲解、操作示范、实验数据、实验环节、结果反馈、学习评估等方面的具体内容、实施路径。

（1）知识讲解。对实验涉及的背景知识、重要概念、理论方法等进行讲解，便于学生更好地自主学习和理解实验内容。

（2）操作示范。对重要环节的操作方法、注意事项等进行演示，提升学生专业技能。

（3）实验数据。明确实验中所采用的数据类型、格式、精度、语义等。

（4）实验环节。梳理从数据到产生结果所需要的分析处理步骤，按照适当的粒度，将其划分为多个实验环节。每个实验环节通过一定数量的操作步骤完成。

（5）结果反馈。在实验过程中，系统及时将操作提示、错误分析、实验结果等反馈给学生，便于学生快速提升实验技能。

（6）学习评估。实验完成后，对实验过程进行全面评估，分析薄弱知识点和专业技能，为学生后续学习指引方向。

2 虚拟仿真实验研发案例

尾矿库是贮存矿山尾矿的场所，尾矿坝则是尾矿库外围的坝体构筑物。在金属矿提炼过程中，往往会使用一些污染环境的化学试剂。尾矿坝一旦溃坝，将对下游生态环境造成重大影响[13]。本研究选择新疆伊犁阿希金矿为研究对象，研发尾矿库监测虚拟仿真实验系统，为学生学习地理数据采集、三维场景构建、尾矿库变化监测、污染水体扩散等提供支撑。

2.1 尾矿库监测虚拟仿真实验系统架构

尾矿库监测虚拟仿真实验系统基于Unity 3D 开发，如图4 所示，系统采用3 层架构：数据层、平台层、应用层。数据层主要是对仿真可视化所需的数据进行接入、处理、存储管理等操作。数据类型既包括遥感影像、植被、树木等地理场景数据和建筑物、车辆、无人机等三维模型数据，也包括水质监测数据、无人机路径数据等。平台层为应用层提供GIS 数据处理、地学定量分析、虚拟仿真等基础功能。应用层提供尾矿库虚拟场景构建、矿区三维漫游、矿区和大坝变化监测、污染水体扩散等业务功能。

尾矿库监测虚拟仿真实验系统具有统一的数据接口和模型接口。（1）数据接口。尾矿库监测虚拟仿真实验涉及多种地理数据、实体模型数据。为便于管理和共享，系统规定了每类数据的存储格式，并提供相应的数据交换接口。高精度地形数据、地表纹理利用无人机观测的LiDAR 点云和高分辨率遥感影像生成，以GeoTiff 格式存储。矿区建筑物、植被、树木、车辆、无人机等三维模型在3DS Max 等软件中建模，以fbx 格式存储。无人机路径、监测点坐标等矢量数据以GeoJson 格式存储。（2）模型接口。尾矿库监测虚拟仿真实验需要地理数据处理、污染水体扩散等领域专业模型的支撑。因此，系统必须预留模型接口，便于调用专业模型。尾矿库监测虚拟仿真实验系统采用进程方式管理、调用专业模型，且专业模型的输入输出数据格式必须符合数据接口规范，以便实现无缝衔接。

图4 尾矿库虚拟仿真实验系统架构图

2.2 主要实验内容

（1）尾矿库虚拟场景构建。尾矿库虚拟场景构建旨在让学生掌握尾矿库虚拟地理场景构建的数据处理、建模过程。学生可以利用阿希金矿区LiDAR 点云、高分辨率遥感影像、数字高程影像（DEM）等数据，构建库区三维地理场景。学生可以利用实体模型库中的或导入自己建立的建筑物、树木、道路等地物模型，对尾矿库场景进行编辑，形成新的尾矿库虚拟场景，如图5 所示。

（2）矿区三维场景漫游。矿区三维场景漫游主要让学生了解阿希金矿区地貌、矿区设施和尾矿空间分布。学生可以通过步行、开车、无人机3 种人机交互方式在矿区三维场景中漫游，总体了解矿区地貌、矿区设施空间分布，也可以设定漫游路线，自动漫游浏览矿区场景，如图6 所示。在漫游过程中，可详细了解重要设施的功能、尾矿的产生过程和主要特征。

图5 尾矿库虚拟场景构建

图6 矿区三维场景漫游

（3）应急信息数据采集。应急信息数据采集主要让学生学习应急情况（如溃坝等灾害发生）下快速采集局部地理信息、监测水体质量的方法。学生可以根据需要，规划无人机飞行路径，无人机按照规划的路径采集地表覆被、LiDAR 点云，如图7 所示；也可以按照预设路径或通过人机交互方式，进行数据采集，如图8 所示。水体质量监测通过水样采集、样本化验、结果分析，让学生了解尾矿库水体质量监测的主要指标、数据采集和分析方法。

图7 无人机飞行路径规划

图8 尾矿库应急信息采集

（4）尾矿库变化监测。尾矿库变化监测主要让学生掌握尾矿库变化监测的内容及方法，包括矿区地形变化分析、尾矿库大坝变形监测，如图9 所示。矿区地形变化分析通过对比不同时期无人机采集的LiDAR 点云，分析发生变化的区域、变化量。尾矿库大坝变形监测实时分析GNSS 监测点的坐标，识别大坝变形的位置和大小。

图9 尾矿库变化监测

（5）污染水体扩散模拟。污染水体扩散模拟帮助学生了解污染水体扩散过程，支撑学生开展污染水体扩散的创新探索，可以根据设置降雨大小、降雨范围、水体污染程度、模拟模型等参数，展现不同条件下污染水体扩散情况，如图10 所示。学生可以自主研发污染水体扩散模拟模型，通过虚拟仿真实验系统的模型调用接口、数据接口，将自主研发模型接入虚拟仿真实验系统，拓展污染水体扩散模拟能力。

图10 污染水体扩散模拟

3 结论

针对虚拟仿真实验教学面临的教学资源匮乏、学生难以深入探索地学过程机理等问题，本文探索了虚拟仿真实验体系设计、问题驱动的实验情境设计，并以尾矿库监测为例，开展了地球系统科学虚拟仿真实验研发与实践。主要结论如下：

（1）地球系统科学虚拟仿真实验要充分体现“虚实结合”。地球系统科学虚拟仿真实验要建立在大量野外实习、野外观测的基础上，以这些真实观测数据、专业知识和地学分析模型为支撑，辅之以虚拟仿真技术，充分体现“虚实结合”的原则。

（2）地球系统科学虚拟仿真实验教学，需要地理信息技术、虚拟仿真技术与地学定量分析方法更紧密、更高效地融合。地球是一个复杂的系统，地球系统科学实验上至大气圈、下至岩石圈，时间范围上涵盖了过去、现在、未来多个时期。面对地球复杂巨系统，虚拟仿真实验教学需要整合多学科研究力量，开展跨学科协作，培养综合性研究人才。

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[6] 教育部. 关于2019—2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[Z/OL]. [2019-07-13]. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

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