地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)探析*

朱宗奎

（中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)探析*

朱宗奎

（中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式正在成為制約現(xiàn)代地質(zhì)人才培養(yǎng)質(zhì)量的瓶頸問題。通過引入虛擬仿真技術(shù)，模擬高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、極端條件下的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，可以破解傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式難題。文章分析了地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問題，探究了地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)的重要意義及應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，提出了地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)的具體內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備安全操作演示視頻、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真互動教學(xué)系統(tǒng)以及重大災(zāi)害過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。

地質(zhì)專業(yè)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬仿真；互動教學(xué)

美國弗吉尼亞大學(xué)William Wolf于1989年提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念，是區(qū)別于理論教學(xué)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的第三種設(shè)計(jì)手段和形式［1-4］。近些年，國內(nèi)部分高校針對自身的教學(xué)與科研需求相繼開發(fā)了專業(yè)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)［5-6］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有成本低、可重復(fù)、效率高、可擴(kuò)展、操作安全、高度開放等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)者通過模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，完成預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以獲取較為可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研的需求。

地質(zhì)專業(yè)所涉及的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程多是面向礦山與地下工程領(lǐng)域相關(guān)人才培養(yǎng)的核心課程。由于存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，該類實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程一般無法直接在地下礦山等實(shí)地開展。此外，由于采礦及覆巖異動過程不可逆、地層內(nèi)部礦物幾何特征不可見、精密儀器實(shí)驗(yàn)成本高等問題，加之近些年相關(guān)專業(yè)招生已達(dá)一定規(guī)模，使得該類實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程或難以真實(shí)開展，或開展的深度與廣度不夠，成為制約地質(zhì)人才培養(yǎng)質(zhì)量的瓶頸。

借助計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過科學(xué)規(guī)劃，兼顧地質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)與地礦類專業(yè)地質(zhì)課程學(xué)習(xí)，開展地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)，搭建安全、可靠、直觀、經(jīng)濟(jì)的非常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，可以模擬高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、極端條件下的真實(shí)實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)習(xí)相結(jié)合，能夠破解制約地質(zhì)人才培養(yǎng)質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難題，提升地質(zhì)專業(yè)以及地礦類專業(yè)地質(zhì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體水平，滿足人才培養(yǎng)需求。

一、地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問題

2004-2013十年間，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，能源需求不斷增大，使得煤炭產(chǎn)量從19.9億噸飆升至39.7億噸，近兩年雖然有所下降，但仍維持在38億噸左右的高位。能源需求速增與地質(zhì)人才不足之間的矛盾在過去十年間突顯，可以概括為：人才總量稀缺，一線人才稀缺，青年人才稀缺，高學(xué)歷人才稀缺，領(lǐng)軍人才稀缺。在這個(gè)大背景下，地質(zhì)專業(yè)招生規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，但隨之而來的人才培養(yǎng)卻出現(xiàn)了一些問題，其中最為顯著的是畢業(yè)生實(shí)踐技能不足，究其原因，主要是受限于當(dāng)前地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀。

（一）安全責(zé)任大、生產(chǎn)任務(wù)重，現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)難展開

地質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，是培養(yǎng)一大批基礎(chǔ)理論扎實(shí)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)的高級技術(shù)人才，尤其實(shí)踐技能在日常工作中更為重要。目前，地質(zhì)專業(yè)實(shí)踐技能的培養(yǎng)主要是通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和野外實(shí)習(xí)兩個(gè)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)環(huán)節(jié)對于學(xué)生實(shí)踐技能的提升有重要作用，但仍有局限性。只有通過現(xiàn)場實(shí)踐的磨礪，才能更好的掌握相關(guān)技能。然而，企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)重，安全責(zé)任大，使得現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)難展開。

（二）深部不可見、致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，常規(guī)實(shí)驗(yàn)仿真性差

實(shí)踐教學(xué)是地質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，地質(zhì)專業(yè)研究領(lǐng)域主要涉及地下巖體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、地下工程、地下水等方面。比如說，地下水在多孔介質(zhì)中的滲流主要發(fā)生在地表以下的巖體中，由于深部且多孔介質(zhì)內(nèi)部不可見，導(dǎo)致地下水滲流過程不可見，滲透系數(shù)響應(yīng)機(jī)理不明確；又比如說，礦井水害，機(jī)理異常復(fù)雜，影響因素眾多，且災(zāi)害過程不可逆。故而，針對地下水滲流和災(zāi)害的研究迫切需要通過實(shí)驗(yàn)來模擬。但由于常規(guī)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M的條件有限，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)仿真性較差，無法達(dá)到研究目的。

（三）物理建模繁冗、傳感設(shè)備昂貴，常規(guī)實(shí)驗(yàn)成本高

地質(zhì)專業(yè)研究對象是深部巖體、地下水等。由于覆巖移動過程、突水過程不可逆等特點(diǎn)，使得相關(guān)研究需要通過物理建模模擬真實(shí)場景，以期把握其規(guī)律。由于物理建模既要考慮建模材料的相似性，又要考慮建模條件的充分性，使得建模過程極為繁冗。而且由于過程的不可逆性，物理模型也無法重復(fù)使用，每次實(shí)驗(yàn)均需重建物理模型。加之，物理模型中的實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)需要通過大量傳感設(shè)備進(jìn)行傳輸，而傳感設(shè)備價(jià)格較為昂貴，使得常規(guī)實(shí)驗(yàn)成本高。

二、地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)意義及應(yīng)用前景

（一）建設(shè)意義

綠色、安全、高效，是地質(zhì)相關(guān)行業(yè)的共同愿景。而這一愿景的實(shí)現(xiàn)離不開大量基本功扎實(shí)、工程素養(yǎng)高、實(shí)踐能力強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)人才。通過地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)，搭建安全、可靠、直觀、經(jīng)濟(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，可以模擬高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、極端條件下的真實(shí)實(shí)驗(yàn)。解決當(dāng)前地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的安全責(zé)任大、生產(chǎn)任務(wù)重，現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)難展開；深部不可見、致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，常規(guī)實(shí)驗(yàn)仿真性差；物理建模繁冗、傳感設(shè)備昂貴，常規(guī)實(shí)驗(yàn)成本高等問題。破解制約地質(zhì)人才培養(yǎng)質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難題，提升地質(zhì)專業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體水平，滿足人才培養(yǎng)需求。

開展地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)，不僅可以提升地質(zhì)相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體水平，而且可以為學(xué)院申報(bào)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心做好基礎(chǔ)性工作。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件和模擬器，可以多次重復(fù)，而且安全環(huán)保、成本低廉、節(jié)約能源。在地質(zhì)專業(yè)大學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)中引入虛擬仿真模式，并擴(kuò)展到企業(yè)實(shí)踐教學(xué)，不僅有助于學(xué)生對地質(zhì)專業(yè)知識的深入理解和把握，而且可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室就能為企業(yè)實(shí)踐中相關(guān)技能的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）應(yīng)用前景

1.面向地質(zhì)類專業(yè)開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程

地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)，不僅可以服務(wù)于本專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，而且可以面向全校十多個(gè)相關(guān)專業(yè)，千余人次的本科生進(jìn)行開放。甚至可以為區(qū)域大學(xué)生科研訓(xùn)練、課外科技活動及各類創(chuàng)新競賽服務(wù)。成為院、校、區(qū)域內(nèi)各級各類本?？茖W(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)新實(shí)踐及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的實(shí)踐基地并發(fā)揮實(shí)驗(yàn)示范作用，有效的促進(jìn)各相關(guān)專業(yè)、學(xué)科的交叉、融合發(fā)展。

2.面向行業(yè)和國內(nèi)同類高校輻射

全國其他十余所原煤炭部高校以及其他三十余所非煤高校也招收了地質(zhì)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，比如河南理工大學(xué)、西安科技大學(xué)、山東科技大學(xué)等。我院地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)完成以后，可以將該建設(shè)模式在該類院校中進(jìn)行推廣，同時(shí)將該實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的成果及資源與行業(yè)高校共享，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與人才培養(yǎng)方面相互交流。

三、地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)內(nèi)容

地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)應(yīng)依據(jù)科學(xué)規(guī)劃、層次鮮明、重點(diǎn)突出、資源共享原則推進(jìn)。通過以下內(nèi)容的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)，可以破解地質(zhì)相關(guān)行業(yè)的安全生產(chǎn)隱患與大批學(xué)生實(shí)踐困難難題，實(shí)現(xiàn)資源共享。為地質(zhì)類學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)開創(chuàng)一條特色之路。主要包括以下幾個(gè)方面建設(shè)內(nèi)容：

（一）實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備安全操作演示視頻

地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備主要包括“同位素比質(zhì)譜儀”、“等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-72OES）”、“給水度儀”以及“達(dá)西儀”等，既有通識類實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，又有科研類大型精密儀器。通過實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備安全操作演示視頻、通識類實(shí)驗(yàn)教學(xué)微課視頻的錄制，方便學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺進(jìn)行在線學(xué)習(xí)及研究，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享。

（二）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真互動教學(xué)系統(tǒng)

地質(zhì)專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要包括“透反兩用偏光顯微鏡觀察礦物、巖石及煤標(biāo)本實(shí)驗(yàn)”、“主要煤、古生物及三大類標(biāo)本實(shí)驗(yàn)”以及“達(dá)西滲流實(shí)驗(yàn)”等。通過建立虛擬仿真互動教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的全景透視和沉浸式漫游，以及虛擬互動操作?？梢酝卣箤W(xué)生思維廣度，提升學(xué)生綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力。

（三）重大災(zāi)害過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺

礦井水害是地質(zhì)專業(yè)研究的重大災(zāi)害之一。采用虛擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)融合工作面頂板突水、底板突水、斷層突水、陷落柱突水以及老坑突水等五類典型礦井水害的形成過程演示及治理方案設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)。建立一套兼顧教學(xué)演示與虛擬實(shí)訓(xùn)的仿真災(zāi)害實(shí)驗(yàn)平臺，不僅能夠展示震撼性警示教育場景，而且能夠強(qiáng)化災(zāi)害機(jī)理的認(rèn)識與理解。

四、結(jié)束語

地質(zhì)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)的意義重大，是高等學(xué)校信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是爭創(chuàng)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的重要組成部分。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，而且有助于破解地質(zhì)人才培養(yǎng)的瓶頸問題，為地質(zhì)類學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)開創(chuàng)一條特色之路。同時(shí)，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)更具趣味性、創(chuàng)造性、共享性。

［1］王衛(wèi)國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015（5）：214-219.

［2］L·約翰遜，S·亞當(dāng)斯貝克爾.新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告（2013高等教育版）［M］.張鐵道，殷丙山譯.美國奧斯汀，德克薩斯:新媒體聯(lián)盟，2013：1-19.

［3］NMC Horizon Report.2015 Higher Education Edition［DB/OL］. http://cdn.nmc.org/media/2015-nmc-horizon-report-HE-EN. PDF.

［4］M.Mitchell Waldrop.The Virtual Lab［J］.Nature，2013，July 18：268-270.

［5］李亮亮，趙玉珍，萬志軍，等.材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（2）：5-8.

［6］馬文頂，吳作武，李正操，等.采礦工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（9）：14-18.

Traditional experimental teaching mode has been the bottleneck that restricts the cultivation of modern geological talents.Therefore，through introduction of virtual simulation technology to simulate high-risk and highcostreal experiments in extreme condition，some problems in traditional experimental teaching mode can be solved. This paper has analyzed the main problems in the experimental teaching of geological specialty and investigated the significance and application prospect of establishing virtual simulation experimental teaching platform for geology students.On the basis of this，we also propose its specific content，including safety operation demo videos of experiment instruments，interactive virtual simulation teaching system of fundamental experiments，together with virtual simulation experiment platform of the process of the major disasters.

geology speciality；experimental teaching；virtual simulation；interactive teaching

G642

A

2096-000X（2016）20-0054-02

國家“973”計(jì)劃項(xiàng)目（編號：2013CB227901）資助；中國礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革與建設(shè)課題項(xiàng)目（編號：2016YB20）資助。

朱宗奎（1981-），男，江蘇徐州，博士，講師，從事礦井水害防治方面的教學(xué)與科研工作。