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計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在物探仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及教學(xué)實(shí)踐

2011-12-28 09:40向世明王傳雷張學(xué)強(qiáng)
中國地質(zhì)教育 2011年4期
關(guān)鍵詞:物探儀器計(jì)算機(jī)

向世明,王傳雷,張學(xué)強(qiáng)

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢 430074

計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在物探仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及教學(xué)實(shí)踐

向世明,王傳雷,張學(xué)強(qiáng)

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢 430074

由于物探儀器價(jià)位普遍昂貴,受教育經(jīng)費(fèi)的限制,相關(guān)專業(yè)難以做到配備與學(xué)生人數(shù)相適應(yīng)的儀器,因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)需求。這一狀況不僅影響教學(xué),而且還影響了學(xué)生對(duì)儀器的操控能力,不利于學(xué)生實(shí)踐能力的提高。我們運(yùn)用虛擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)編程,完成了物探儀器仿真模擬操作訓(xùn)練軟件系統(tǒng)。該軟件具有逼真的界面和實(shí)驗(yàn)過程,試驗(yàn)的可操作性強(qiáng),實(shí)現(xiàn)了可視化的實(shí)時(shí)交互,可以脫離物探儀器實(shí)體進(jìn)行儀器的操作訓(xùn)練。這一研究為虛擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)輔助地質(zhì)教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用做出了有益的嘗試。

計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù);計(jì)算機(jī)輔助教學(xué);物探儀器;仿真實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是一門利用計(jì)算機(jī)軟件模擬實(shí)際環(huán)境進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù),具有經(jīng)濟(jì)、可靠、實(shí)用、安全、靈活、可多次重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為對(duì)許多復(fù)雜系統(tǒng)(工程的、非工程的)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、評(píng)估的必不可少的手段。隨著計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的不斷普及,由計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開發(fā)的仿真模擬實(shí)驗(yàn)軟件作為突破物質(zhì)條件限制的補(bǔ)充教學(xué)手段,將會(huì)進(jìn)入到許多高校的物探教學(xué)實(shí)習(xí)中。

一、當(dāng)前物探實(shí)習(xí)教學(xué)中遇到的困難

地球物理的許多工作都是對(duì)儀器的操作,地下地質(zhì)體的發(fā)現(xiàn)、反演和正演都必須以儀器的操作為基礎(chǔ),并受儀器的檢驗(yàn)。對(duì)于高等學(xué)校的學(xué)生來說,能有充足的時(shí)間、空間和必要的設(shè)備在課內(nèi)外進(jìn)行各種類別、層次的物探儀器教學(xué)實(shí)習(xí),對(duì)將來從事物探工作的能力培養(yǎng)非常有利。但是大量的學(xué)生給物探儀器的教學(xué)實(shí)習(xí)質(zhì)量不斷帶來壓力,或因?qū)嶒?yàn)室場地的限制,或因?qū)嶒?yàn)儀器短缺,很多院校的物探教學(xué)實(shí)習(xí)捉襟見肘,甚至多個(gè)學(xué)生只能分配到一套儀器,大大影響了教學(xué)效果。而現(xiàn)有的物探儀器更新速度較慢,“超齡服役”的儀器占有相當(dāng)比例,這些老設(shè)備普遍存在不同程度的耗損,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常出問題。定期更新老舊設(shè)施或者添加新的項(xiàng)目則需要強(qiáng)大的財(cái)力支撐。尤其一些是物探儀器設(shè)備價(jià)格昂貴,除了少量財(cái)力雄厚的高校,鮮有大量配置,即使勉強(qiáng)開設(shè)了一些實(shí)習(xí)項(xiàng)目,多數(shù)學(xué)生也沒有機(jī)會(huì)深入研究相關(guān)實(shí)習(xí)內(nèi)容。另外,很少有學(xué)校的實(shí)習(xí)基地能夠長時(shí)間對(duì)學(xué)生開放,這就凸顯出學(xué)生實(shí)習(xí)時(shí)間不充裕,實(shí)習(xí)儀器短缺的問題。學(xué)生在排定的實(shí)習(xí)期內(nèi)才有可能進(jìn)實(shí)習(xí)站,實(shí)習(xí)期本來很短,還需要花費(fèi)一定的時(shí)間熟悉、調(diào)整實(shí)習(xí)儀器,因而實(shí)驗(yàn)匆忙,難以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)實(shí)習(xí)儀器原理、使用方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行消化,對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問題也沒有機(jī)會(huì)深入研究。

二、仿真實(shí)驗(yàn)軟件的功能特點(diǎn)

開展真實(shí)的物探教學(xué)實(shí)習(xí)遇到的客觀困難,短時(shí)間內(nèi)無法有效解決,于是我們將對(duì)硬件依賴較小的仿真物理實(shí)驗(yàn)作為替代方案逐漸在物探實(shí)習(xí)教學(xué)中占據(jù)一席之地。近幾年來,隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,特別是計(jì)算機(jī)的普及,仿真實(shí)驗(yàn)才真正得到了推廣發(fā)展的機(jī)遇。我校地空學(xué)院支持開發(fā)的仿真物探儀器實(shí)習(xí)系統(tǒng),在物探儀器教學(xué)實(shí)習(xí)中得到了廣泛的應(yīng)用,師生反應(yīng)良好。這套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括近6個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(圖1、圖2),從磁力儀到重、磁、電、震、測井的常見儀器實(shí)習(xí),涵蓋了應(yīng)用地球物理學(xué)的各個(gè)層面。最新開發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)版軟件可以支持學(xué)生通過連接互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)登錄服務(wù)器后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的操作,并且集成了討論區(qū)、資料下載、在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告乃至學(xué)生信息管理等功能。每項(xiàng)具體實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容也非常豐富,實(shí)驗(yàn)前可選擇查看圖文并茂的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)(圖3),學(xué)生可以對(duì)照著儀器邊看邊學(xué)。預(yù)習(xí)完畢還有一些與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的練習(xí)題供學(xué)生自測能力。開始實(shí)驗(yàn)時(shí)還配有語音指導(dǎo)和提示??梢岳檬髽?biāo)按鍵對(duì)仿真儀器進(jìn)行各種調(diào)節(jié)。需要記錄儀器數(shù)據(jù)也非常方便,只需按一個(gè)按鈕將測量結(jié)果導(dǎo)入電子表格內(nèi),甚至可以自動(dòng)讀數(shù)并進(jìn)行記錄處理,生成圖或線。仿真實(shí)驗(yàn)解決了實(shí)驗(yàn)室?guī)熧Y與學(xué)生規(guī)模失調(diào)的問題。提供給了學(xué)生充足的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。仿真實(shí)驗(yàn)不受實(shí)驗(yàn)課時(shí)的限制,只要仿真實(shí)驗(yàn)服務(wù)器在運(yùn)行,學(xué)生可在任何配有計(jì)算機(jī)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的地方,學(xué)生不論什么時(shí)間、什么地點(diǎn),都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)可操作性強(qiáng)、重復(fù)性好。實(shí)驗(yàn)軟件運(yùn)行結(jié)果穩(wěn)定,與實(shí)驗(yàn)次數(shù)無關(guān),而真實(shí)實(shí)驗(yàn)則受到天氣、地形和時(shí)間等因素的影響。隨著儀器使用時(shí)間的增長,性能就會(huì)衰退,靈敏度會(huì)下降,會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差越來越大,增加了學(xué)生的挫折感。仿真實(shí)驗(yàn)可以很好地解決這些問題而且避免了一些實(shí)驗(yàn)帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。一些實(shí)驗(yàn)如果操作不當(dāng)可能會(huì)造成重大損失,而仿真實(shí)驗(yàn)則完全沒有這方面的擔(dān)憂。

三、仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合

在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)該著重把仿真實(shí)驗(yàn)作為預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的途徑,而主要的學(xué)習(xí)過程還是采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)效果較好。這樣學(xué)生在進(jìn)行實(shí)習(xí)前,通過仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)演,已經(jīng)可以對(duì)實(shí)驗(yàn)的過程步驟、儀器的外觀結(jié)構(gòu)有了一定層次的了解,防止盲目操作損壞設(shè)備。教師在實(shí)驗(yàn)課上就可以把教學(xué)重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)技巧、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)意義等較高層次的知識(shí)面上。而課后學(xué)生也可以利用仿真實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)一步領(lǐng)悟所學(xué)知識(shí),有時(shí)間補(bǔ)充測量額外的數(shù)據(jù),加以分析,加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。

圖1 GSM-19T 磁力儀仿真軟件界面

圖2 CG-5 磁力儀仿真軟件界面

圖3 VB調(diào)用WORD

四、結(jié)束語

由于仿真模擬軟件的實(shí)時(shí)交互、人機(jī)互動(dòng)功能明顯優(yōu)越,以及物探專業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴,使得仿真模擬軟件可以和一些物探數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)合,這就給仿真軟件在物探教學(xué)中的應(yīng)用增加了有利條件。而各種虛擬技術(shù)在仿真軟件的運(yùn)用,更增加了仿真教學(xué)系統(tǒng)的可操作性以及和真實(shí)場景高度模擬。仿真物探儀器實(shí)習(xí)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中得到了學(xué)生和老師的一致好評(píng),取得了良好的教學(xué)效果,為輔助地質(zhì)教學(xué)做出了突出的貢獻(xiàn)。

[1]徐瑋瑋.仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用及其意義[J].科技信息,2009,(34):352-353.

[2]龔小剛.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及其應(yīng)用[J].硅谷,2008,(16):69.

Virtual Computer Simulation Technology in the Teaching of Geophysical Applications and Teaching Practice

XIANG Shi-ming, WANG Chuan-lei, ZHANG Xue-qiang
China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

Generally expensive price of geophysical equipment, limited funds for education, relevant specialties in universities are difficult to achieve the number of basic con figuration corresponding to the number of students. Instrument con figuration can not meet the students' experiments requirement, which not only affects teaching, but also affects students'ability to control the instrument, thus not conducive to improving students' practical abilities. The authors use virtual technology and computer programming to complete a simulative training software for geophysical instrument operation. This paper describes the software interface, which has a realistic experiment, and can implement a real-time interactive visualization, which can carry out geophysical instrument operation training.This study is a good attempt for virtual technology to be used in computer-aided geological field.

computer virtualization; computer-aided teaching; geophysical equipment; simulation experiment

G642

A

1006-9372 (2011)04-0048-03

2011-09-11。

向世明,男,2009級(jí)本科生,應(yīng)用地球物理學(xué)專業(yè)。

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