地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心建設的探索與實踐

劉 財, 杜曉娟, 高淑貞, 潘保芝, 陸繼龍, 郭 巍, 陳 晨，陳祖斌，肖長來

(吉林大學 地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心，吉林 長春 130021)

在《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》[1]、《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》[2]和教育部“關于組織開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知”[3]精神指導下，吉林大學依托應用地球物理國家級實驗教學示范中心，集中地質、地球物理、地質儀器與鉆探儀器、水文與水資源、計算機技術等優勢資源，搭建了地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學平臺。借鑒國內外虛擬仿真實驗室和實驗教學項目建設的經驗[4-8]，設計和建設了基礎訓練平臺項目、綜合訓練平臺項目與創新訓練實踐教學平臺項目，經過建設被教育部批準成立國家級地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心(下稱中心)。

1 地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心建設意義

地質資源是國家戰略資源，石油、天然氣被稱為工業的血液，金屬及非金屬固體礦產是工業的糧食，水是生命之源、生產之要、生態之基。資源的開發與利用以資源探測為手段，以查明儲量為前提。

地質資源立體探測就是對于同一地區或同一種資源(固體礦產或油氣等)分別在空中、地面、地下進行探測，取得信息，為進一步解釋研究和資源開發奠定基礎，如圖1所示。

圖1 地質資源立體探測示意圖

空中探測是通過遙感遙測、航空探測等技術手段，獲取距離地面不同高度的探測數據(信息)；地面探測是在地球表面應用地質勘探、地球物理勘探、地球化學勘探、水文地質與工程地質勘探等技術手段，獲取地面探測信息；地下探測是應用鉆機獲取地下巖芯資料，應用地球物理測井技術獲得地球內部一定深度的地球物理信息。對空中、地面和地下探測信息的綜合研究，可以建立探測區地質、地球物理、地球化學等綜合解釋“標尺”，刻畫探測區地下物質組成和結構，揭示構造背景及成礦動力學過程，研究成礦規律，建立成礦模型，開展成礦預測和資源潛力評價，拓展資源勘查空間等。實現上述目標，獲取空中、地面和地下探測信息是關鍵問題。該問題也是地質資源探測類學生能力培養的重要方面，因此需要對學生進行地質資源立體探測技術的綜合訓練。

然而，賦存于地下、具有巨大歷史跨度的地質資源形成過程看不見、摸不著，在實驗室環境中難以再現，而復雜的地質作用和礦產賦存狀態在真實實驗實習中也無法重復。同時野外探測儀器、鉆探裝備結構復雜、價格昂貴、操作難度較大，有的還具有一定危險性。地質資源立體探測真實實驗環境具有時間和空間的局限性。

為了克服上述局限性，建設虛擬仿真實驗項目，研究探測方法本身具備虛擬仿真特性，應用計算機虛擬仿真和網絡技術，虛擬地下條件變化，通過數值模擬、人機交互操作和仿真儀器、裝備及其探測過程，獲取空中、地面與地下信息，使學生對看不見、摸不著的資源賦存狀態及其地球物理響應產生直觀認識，完善地質資源探測技術實驗與實踐體系，實現地質資源立體探測。

地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心建設，為地質資源探測類科學研究方法的擴展和本科生實驗教學手段與教學方法的創新創造了有利條件，虛擬仿真實驗項目的建設與應用，對于改變實驗教學模式、激發學生研究興趣、培養學生創新意識與創新能力都具有非常重要的意義。

2 地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心建設思路與目標

中心的建設理念是實現“野外現場室內微型化、物理定理定律可視化、數值算法過程動態化、虛擬仿真實驗網絡化”。在建設過程中以實踐教學大綱為依據，以地質資源立體探測人才實踐能力、創新意識和綜合素質提高為目標，以虛擬仿真實驗教學資源建設和平臺建設為重點，發揮學科專業全、技術方法全、訓練層次全、師資隊伍強的優勢，堅持科研成果轉化機制，用高水平科研成果豐富虛擬仿真實驗教學內容，真實實驗與虛擬實驗相互補充，完善實踐教學體系。通過現代化信息手段和探測區域資源庫建設，實現實驗教學資源與虛擬仿真實驗的開放和共享。

中心在基礎訓練、綜合訓練和創新訓練3個平臺上開展虛擬仿真實驗教學，面向地質類、水利類、儀器類、測繪類、地理科學類、環境科學與工程類、地質學類、地球物理學類等12個專業，建設30個基礎訓練和綜合訓練虛擬仿真實驗項目，建設探測區域基礎數據庫，形成系統化、分層次的實驗教學體系，實現實驗教學資源的優化配置和集成共享。專業分布如圖2所示。

圖2 虛擬仿真實驗教學中心面向專業一覽

中心按照科學規劃、虛實結合、資源共享、持續發展的建設思路，通過虛擬仿真實驗，實現學科交叉融合、培養學生地質資源立體探測的專業視野及綜合分析能力。強化實驗技能訓練，提高實踐能力和創新能力，提升專業綜合素養[9]。建成具有示范、引領作用的地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心。

3 虛擬仿真實驗教學項目體系

虛擬仿真實驗教學項目建設是中心的重點任務之一。中心按照基礎訓練平臺、綜合訓練平臺和創新訓練平臺，提升、完善和建設虛擬仿真實驗教學項目。同時選擇具有良好科學研究與教學建設基礎的探測區，建設綜合教學資源庫，支撐上述3個平臺項目建設，以實現地質資源立體探測綜合訓練目標。教學項目總體框架如圖3所示。

圖3 虛擬仿真教學項目總體框架

3.1 基礎訓練平臺實驗教學項目

本平臺項目依據實驗教學大綱，針對真實實驗中實驗儀器、實驗環境和實驗材料等方面的局限性，開發虛擬仿真實驗教學項目，實現可視化、人機交互和網絡化。完善實驗教學體系，實現實驗教學大綱要求的效果。項目類別與結構如圖4所示。

圖4 基礎訓練平臺虛擬仿真項目框架

3.2 綜合訓練平臺實驗教學項目

本平臺項目依據實習教學大綱，針對野外實習過程中地下情況看不見、摸不著，儀器、裝備價格昂貴，不適宜學生實際操作，達不到實習效果等方面的局限性，開發虛擬仿真實習教學項目，針對探測儀器與裝備、探測環境、探測目標等進行虛擬仿真，實現可視化、人機交互和網絡化，使學生在虛擬環境中完成地質資源探測的實際訓練，提高學生的實踐能力和工程素質。訓練項目如圖5所示。

圖5 綜合訓練平臺虛擬仿真項目一覽

3.3 創新訓練平臺實驗教學項目

創新實驗是學生個人或學生小組在基礎實驗和綜合實驗以及其他實踐活動的基礎上，自主選擇實驗項目、在教師的指導下，進行研究性學習，自主進行實驗方法設計，對實驗結果進行總結分析，寫出研究報告及發表研究論文的過程。中心的虛擬仿真實驗教學資源，可以支撐地質資源立體探測相關專業學生的創新研究項目，包括基礎性研究項目、綜合性研究項目和設計性研究項目，使學生利用探測區地質資料、物化遙數據、鉆探數據，構建地下地質體模型，進行地質資源立體探測的有效方法選擇、工作流程設計方案驗證等綜合訓練；也可為學生提供探測區域地質綜合資料，輔助開展相關地質資源探測問題研究。

3.4 探測區綜合教學資源庫建設項目

中心在遼寧興城吉林大學實踐教學基地、大慶油田和長春周邊實習教學基地區域內，分別選擇地質學研究程度高，礦產地質、油氣地質和水文與工程地質條件好的區域，作為探測區。在各探測區建設綜合數據庫，包括地形、地貌、地層、構造、巖石、礦產、巖石力學、巖石物性、巖石成分、水、遙感、氣象等模塊，同時建設探測儀器數據庫，構建探測儀器的信息感知、數據采集以及數據預處理等功能的理論模型，建立地下信息屬性探測與儀器參數之間的耦合關系，實現虛擬實驗所需的相關操作功能。探測方法原理數據庫，為學生提供了地質資源立體探測的探測方法、原理和數值模擬算法等內容。該數據庫是基礎訓練模塊、綜合訓練模塊和創新訓練模塊的支撐，也為學生自主設計和完成實驗提供條件和環境。

4 地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心的師資隊伍建設

中心重視教師隊伍建設及其可持續發展，堅持專業理論教師和虛擬仿真技術研發教師并重，專職與兼職教師結合，校內與校外教師互補的原則，構建了一支科研教學水平高、技術研發能力強、教學經驗豐富的師資隊伍。隊伍結構合理，青年教師和實驗技術人員加入到虛擬仿真實驗教學項目建設隊伍中來，更有利于中心的建設與可持續發展。目前，中心校內教師規模123 人，其中具有正高職稱人員59人，占全部師資隊伍的48.0%，具有副高職稱22人，占全部師資隊伍的17.9%，中級職稱38 人，占全部師資隊伍的30.1%。99 人具有博士學位，占全部師資隊伍的80.5%，教師組成結構如圖6所示。中心教師尤其是青年教師已經具備虛擬仿真項目研發的基礎能力，有多項開發的虛擬仿真項目用于本科生實驗與實習教學中。

圖6 中心教師組成結構圖

應特別贊許的是中心與本校計算機教學中心在師資隊伍建設等方面的良好合作。吉林大學計算機教學實驗中心是省級實驗教學示范中心，計算機教學中心教師和實驗技術人員為本中心項目建設與網絡建設提供技術支撐。計算機教學中心教師在軟件工程與軟件自動化、分布式系統、計算機圖形學、計算機網絡、計算機智能等研究方向取得了國內外公認的成果，在虛擬仿真實驗項目建設方面具有較強的研究能力，取得的高層次仿真項目成果得到認可。計算機技術與地質資源立體探測技術交叉融合，已經成為新的研究方向和學科生長點，兩個方向已經聯合培養本科生和博士研究生，并交換博士后研究人員。

5 虛擬仿真實驗教學中心的特色與創新

地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心在建設過程中不斷研究與創新，形成了自己的特色。

(1) 多學科多方法集成，實現地質資源立體探測實踐教學體系。地質資源立體探測涉及到多個學科，如地質資源與地質工程、測繪科學與技術、環境科學與工程、水利工程、計算機科學技術等，分散在不同學科和不同實驗教學中心中，彼此關聯度不足。中心以虛擬仿真實驗項目為牽引，集成多學科、多方法的優勢，共同建設虛擬仿真實驗項目和實驗教學資源，在實踐教學層次上實現了多學科、多方法的綜合。

(2) 實踐項目體現大地質工程特點，實現方法、儀器、探測目標一體化。中心虛擬仿真實驗教學項目和實驗教學資源的建設，體現了大地質工程的特點，即以地質任務為目標，集中多學科、方法、技術與儀器，分別獲取空中、地面、地下綜合信息，有利于學生綜合能力和工程意識的培養。克服了傳統實習過程中儀器、方法和目標脫節的弊端。在實踐教學層次上實現了方法、儀器、探測目標一體化。

(3) 為學生在大學階段知識與能力轉化搭建了平臺。學生在大學階段不僅學習科學知識和專業知識，更重要的是提高能力，提升素質[10]。實踐訓練是學生專業能力提高與專業素質提升的重要環節。中心虛擬仿真實驗教學項目和實驗教學資源的建設，為學生搭建了平臺。學生根據中心教學資源庫提供的真實數據和資料，在虛擬仿真環境中，學生根據學到的探測方法和儀器，自主完成測區設計，取得探測結果，在學校階段運用典型探測區實際資料，自主完成實踐訓練項目，將所學知識轉化為解決科研和生產實際問題能力，培養了創新意識和創新能力[11-12]。

6 地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心的開放與共享計劃

(1) 加強信息化建設。提升虛擬仿真實驗教學中心信息化建設水平，建立資源共享的網絡技術交流平臺，進一步加強與校內、校外、高校、科研院所和開發企業在系統研發和軟件制作等方面合作共享。進行教學資源動態管理，達到網絡化教學資源高效快捷應用。

(2) 完善共建共享機制。以機制創新促進虛擬仿真實驗教學中心的可持續發展，進一步創新虛擬教學資源的共建機制，采用引導性投入，吸引地質資源相關企業和單位投入虛擬仿真教學資源建設，共同開展虛擬教學資源的開放和應用推廣。

(3) 深化校企合作。以虛擬仿真實驗教學資源建設為牽引，擴大與合作企業合作的深度和廣度，包括共建可視化實驗室、合作建設地質資源立體探測可視化實驗課程和教材、擴展“雙導師制”培養本科生的范圍等。完善與合作企業的共建、共管、共用的實驗資源建設與共享機制。建立起校企合作“互利互惠”的激勵機制，推進校企合作可持續發展。

[1] 中華人民共和國教育部. 教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見[Z].2012.

[2] 中華人民共和國教育部. 教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)[Z].2012.

[3] 教育部高教司.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知：教育部高教司函：[2013]94號[Z].2013.

[4] 石松泉，沈紅，梁偉，等.虛實結合的電工電子實驗教學體系的設計[J].實驗技術與管理，2008，25(8)：184-186.

[5] 蔡衛國.虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011,28(8)：76-78.

[6] 許家瑞，周勤，陳步云，等，構建創新實驗教學體系的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2009,26(5)：1-4。

[7] 許秀云，張玉梁. 依托現代信息技術提高實驗教學質量[J].實驗室研究與探索，2011，30( 5) ：130-132.

[8] 吳海燕，虛擬技術在工業工程實驗中的應用設想[J].實驗技術與管理，2002,19(3)：43-45，49。

[9] 馮端. 實驗室是培養創新人才的搖籃:從卡文迪什實驗室看實驗室的作用[J].實驗室研究與探索，2008，27(10)：1-3，5.

[10] 胡軒魁，吳艷，薛梅.更新人才培養觀念創新人才培養模式:5所高校創新型人才培養模式的實踐與探索摘編[J].中國地質教育，2010(2):26-31.

[11] 鄭秀華，劉莎，呂建國，等. 淺談國際型人才培養—參加歐盟Erasmus Mundus 國際合作項目的一點體會[J].中國地質教育，2010(1):116-120.

[12] 齊建國，張文桂. 建設一流實驗室的思考[J]. 實驗室研究與探索，2006，25(6):706-709.