元宇宙背景下基于OBE教育理念的勘查技术与工程专业课程教学改革研究

以OBE教育理念为指向的高校专业教育变革正在兴起的同时元宇宙作为新一代网络信息技术的典型代表，为教育领域深刻变革带来了机遇和挑战。为适应新时期高等教育发展的新形势，将最新的科学技术引入教育教学改革，是非常必要的。为此本文以重磁勘探课程为例开展了元宇宙背景下基于OBE教育理念的勘查技术与工程专业课程教学改革研究。在分析重磁勘探课程目标的基础上，构建了包含多元化环境和多主体互动的元宇宙课堂模型，并依托该模型探索了基于“元宇宙+OBE”理念的重磁勘探课程教学设计方案。期望对新时期勘查技术与工程专业人才培养和提升教育教学效果提供参考和借鉴。

技术的发展加速推动了社会产业变革，在经历了电子计算、集中计算、个人计算、互联网、云计算直到现在的元宇宙初期。这些技术革新不仅重塑了我们的生活方式，还深刻影响了经济结构和产业格局。元宇宙是集虚拟现实、增强现实、5G技术、人工智能、大数据、云计算等信息技术于一体的第三代互联网技术。随着数字经济的发展，对人才培养也提出了新的要求，而这些新的要求势必促进课程教学的改革与创新。课程教学改革其关键是要转变传统的教与学方式。而以感知、计算、协同、交互等技术所构建的课程元宇宙，在促进教与学方式的转变，塑造新的教学模式方面具有独特优势，从而为满足课程教学改革的需求提供了新途径。OBE教育是一种以学生为本，以学习成果为导向的教育理念。其核心是以学生为中心，关注学生的最终学习成果，确保教育过程能够满足学生的个性化需求，这为“元宇宙+OBE”教学模式带来了新的机遇。

一、重磁勘探课程分析

重磁勘探课程是勘查技术与工程专业一门重要的核心课程。重磁勘探主要是以地下地质体密度，磁性的不同为物质基础，通过观测其引起地表测量的重力加速度发生变化及地磁场发生的畸变，来圈定地下地质体密度变化、破碎带、基岩面起伏、含磁性地质体，从而研究地壳深部结构、区域地质构造、沉积岩内部构造、直接或间接寻找金属矿、地质填图等问题。该课程主要介绍重力与磁力勘探方法的基础知识、基本理论、仪器设备工作原理、数据采集以及资料的解释和应用。

重磁勘探课程理论性强，传统教学过程中存在诸多问题，如课程需要讲授内容多；对高等数学、场论、数学物理方程、大学物理等基础课程要求较高；课程数学公式多，推导过程比较复杂；新方法新技术更新慢，教材内容相对滞后；实验多以演示为主，缺乏综合性、扩展性实验内容；与应用结合密切且与仪器设备、数据处理与解释等智能化方法有很大关联，但教学中难以实现学与用的关联。为此国内教育工作者们也纷纷开展了重磁勘探课程相关教学改革研究工作。黄艳辉等提出了构建教学团队，培养线上授课能力；以赛促教，提升混合式教学效果，以学生参与课题拓展混合式教学能力的混合式教学优化措施，探索了线上线下混合式教学在重磁勘探课程的应用与实践。

二、重磁勘探课程元宇宙课堂模型构建

在人工智能、大数据、区块链、虚拟现实和增强现实等技术的相互融合下，元宇宙可将课程教学中的教师、学生、教学环境、教学资源等诸多要素重组。利用元宇宙的相关技术，为教师提供灵活的教学方式，促进各要素之间的相互作用，为学生提供更加真实和生动的学习环境。基于上述理念，构建了如图所示的重磁勘探元宇宙课堂模型。该模型以产出为导向，由多元化环境和多主体互动两部分共同构建，将虚拟空间与现实空间相融合，打破现实空间的束缚，学生可以在虚实空间中进行沉浸式学习，获得跨越时空、身临其境的学习体验。

重磁勘探元宇宙课堂模型

（一）以需求为中心，以产出为导向

人的需求与发展是基于元宇宙智慧学习空间的核心理念和核心驱动力，学生、教师以及虚拟助理是其中至关重要的角色。传统学习空间中教师往往扮演着主导者的角色，提前设定好学习目标、内容和进度，而学生则相对被动地跟随教师的步伐进行学习，难以发挥学生的主体性。元宇宙赋能的学习空间中，可以根据学生及其虚拟化身的学习数据为其提供个性化学习服务，学生可以根据自己的兴趣、能力和学习风格，自主选择学习资源和路径，进行自主学习和研究。

（二）多元化环境

多元化环境主要由物理空间和虚拟空间构建。物理空间是指教室、实验室、野外等现实中开展教学活动发生的场所，是虚拟空间的重要数据来源之一，通过接入多种形式的智能终端和教育装备，实现可视化及各种装备间的互联协同工作。在物理空间，教师可以根据设定的课程目标和任务，为学生创造一个充满挑战和机遇的学习、研究、体验等多元化的教育场景。虚拟空间是利用数字孪生等技术针对物理空间开发构建的数字世界。

三、基于“元宇宙+OBE”理念的重磁勘探课程教学设计

（一）课程目标

OBE教育理念强调以学生的学习成果为导向，反向设计课程体系和教学活动。河北地质大学勘查技术与工程专业在2023年围绕学校的“双地”发展定位和服务国家战略和区域经济发展需要，进行了智慧地球人才培养方案试点改革工作。按照学校立足“资源环境+”特色，适应大数据、人工智能等数字经济发展需要，扎根中国大地，进一步深化智慧地球人才培养改革，推动专业结构优化和智慧转型，培养复合型应用人才的指导思想，对培养方案重新优化，构建了新的课程体系和相应的课程目标。重磁勘探课程从知识目标、能力目标和素质目标三个维度进行了课程目标的设置，包括以下4个课程目标。课程目标1：掌握重磁勘探的基础知识、基本理论，并将其应用于地球物理问题的正反演计算中；课程目标2：能够将所学的重力学和地磁学中的方法原理用于解决地球物理问题，提出相应的解决方案，要有不畏艰辛勇于探索的精神；课程目标3：能够用地磁学的基本理论和基本观点，运用于解决实际问题当中，设计合理的工作方案，设计中遵守工程职业道德和规范，履行社会责任，设计过程中要注重团队合作；课程目标4：能够理解磁力仪工作原理，能够根据研究对象正确选择合适的仪器，培养严谨求实，刻苦钻研，积极乐观的工作态度。上述4个课程目标紧密围绕学习成果展开，旨在培养学生的核心能力和素养，以适应社会发展的需求。

（二）课程内容设计

“重磁勘探”研究的主要的对象是地下密度分布不均匀或磁性体分布不均匀的地质体产生的重力异常场或磁异常场，需要用微积分公式来表示重力异常场和磁异常场。由于涉及的参数多，所以公式复杂、抽象且难于理解。为实现上述4个课程目标，因此在教学过程中，设计以沉浸式学习体验为导向的课程内容，融合信息化手段与混合式教学策略，通过“线上学习、线下教学循环”及“传统教学、数字技术互补”的模式，深化学生对“基本概念、基本理论和基本方法”的理解。通过“实践环节”搭建理论与实践的桥梁，将重磁勘探经典理论与重磁资料处理有机结合，采用虚拟仿真的强大的计算和图像显示功能，将难于理解的内容直观显示出来，调动学生的积极性，利用所学知识，解决实际问题，加深学生对所学原理的理解，提高教学效率和效果。

（三）教学资源建设

利用图片、动画、音频、视频等信息化手段重塑课程内容，以实现立体化、多维输出的沉浸式学习资源构建，紧密结合教学重难点，并融入思政元素，构建专业知识与思政教育相融合的多维立体资源体系，主要从以下几方面组建：

1、多媒体课件：利用高清图片、图表、流程图等直观展示抽象概念；通过动画演示帮助学生快速理解复杂的公式、定理，使学习过程更加生动有趣，加深记忆。对核心知识点设计典型工程案例与野外实际工作紧密结合，从理论到实践，让学生感知重磁勘探的应用领域，达到学以致用。

2、在线课程：利用超星、雨课堂等平台建立在线课程，包括课堂讲解、实验演示、在线测试、思考与实践、课堂拓展等多个模块。采用讲解+演示的方式，结合实操案例，提高教学效果。针对特定知识点制作短小精悍的微课，便于学生碎片化学习，支持随时随地复习巩固。打破知识获取仅来自教师、教材、教室的束缚，打破教与学的物理空间限制，虚实结合，推动学生进行自主研究、自适应学习。

3、虚拟仿真：开发虚拟仿真实验平台，将重、磁勘探中重力异常和磁异常的正演计算过程以动态方式进行展示，学生可通过修改算法，对不同地球物理模型进行正演计算，对产生的不同异常结果进行分析总结，满足不同层次学生的个性化学习需求。同时可以让学生在虚拟环境中进行实验操作，弥补实验条件不足的问题，同时提高安全性和可重复性。通过模拟真实工作场景，进行专业技能训练或思政情景体验，增强实践能力和道德素养。

四、结语

随着数字技术的兴起和高速发展，教育元宇宙作为一种新兴的教育模式，正逐渐引起广泛关注，并对现有的教学模式提出了多方面的挑战。勘查技术与工程专业是应用性很强的专业，对于学生的创新能力、提出问题与解决问题的能力要求较高。将元宇宙技术引入到勘查技术与工程专业课程教学改革当中，充分利用数字时代的发展趋势和OBE教育理念的优势，不断提升教学质量并改进教学模式，可以提升学生的自主学习的能力和团结协作探究问题的能力，对于促进勘查技术与工程专业课程改革以及提高教学质量具有重要意义。

资助项目：河北省高等教育教学改革研究与实践项目“基于产出为导向的勘查技术与工程专业课程体系与教学内容改革研究”（编号：2022GJJG282）。