一流課程建設背景下“寶石礦床學”虛擬仿真實驗教學環境的探索與實踐

史淼 ，袁野，陶隆鳳 *

1.河北地質大學寶石與材料學院，石家莊 050031

2.河北省巖石礦物材料綠色開發重點實驗室，石家莊 050031

3.硅酸鹽固廢資源化利用河北省工程研究中心，石家莊 050031

4.中國地質大學（北京）珠寶學院，北京 100083

前言

自2019年教育部發布《教育部關于一流本科課程建設的實踐意見》起，全國高校以樹立課程建設新理念為核心，推進并完善課程的改革與創新，全面開展一流本科課程的建設與實踐[1]。

“寶石礦床學”課程是地質學基礎課“礦床學”分支，是專門針對寶石及材料工藝學專業本科生開設的一門專業核心課，旨在從根源上讓學生了解并掌握珠寶玉石產出的地質條件、形成過程及典型特征，具很強的理論性與應用性[2-4]。為使學生更好地理解、消化理論知識，進行礦床學實驗教學必不可少，但寶玉石礦產資源的形成是一個漫長、復雜且不可逆的地質過程，我們無法直接觀察、描述距今上億年前的地質事件，且礦產開采也存在較大的安全風險，這就決定了寶石地質教學中引入并建立虛擬仿真實驗教學體系的必要性。虛擬仿真實驗以現代教育理論為指導，以計算機網絡技術、仿真技術及多媒體技術為依托，是現今信息時代背景下建立的一種全新實驗教學模式，它不僅能夠還原再現真實的實驗過程，而且還能夠克服傳統實驗的各種制約和弊端，優化教育資源，提高教學質量[5-7]。

目前，寶石礦床實驗教學一般采用野外調研、室內標本觀察等教學方式，且出于安全性考慮，在野外研究中無法直接對地下采礦過程進行實地考察[8]。針對以上存在問題，借助計算機虛擬仿真技術，構建新型實驗教學環境，彌補寶石礦床教學過程中野外觀測與普通實驗的不足之處，解決專業理論學習與實踐教學難題，提高寶石地質教學質量，力求解決制約地質學人才培養瓶頸問題，同時也為一流本科課程的建設提供創新性探索與實踐案例。

1 “寶石礦床學”虛擬實驗教學體系建立

1.1 構建思路

“寶石礦床學”課程將寶石學與地質學相結合，重點針對各類珠寶玉石展開成礦機理研究與教學，課程教學復雜且抽象。虛擬仿真理念的引入，會使抽象的礦床概念變得更容易理解，而虛擬仿真實驗將依托原有寶石礦床教學實驗體系，增設于野外教學與室內實驗教學基礎之上，是對原有實驗教學的有益補充。本課程作為寶石及材料工藝學專業本科教學的核心課，前接“普通地質學”、“結晶學與礦物學”及“巖石學”等地質類專業基礎課，后續專業生產實習，本專業的課程教學將以“寶石礦床學”為示例，以“從現實存在到抽象模型，從虛擬仿真到虛實結合，從虛實結合到回歸現實”這一思路逐漸展開教學實踐[9]，從教學、實習、實踐以及科研等多個環節全程把控[10]，最終形成完整的專業課程教學體系。

1.2 主要教學模塊

引入虛擬仿真實驗教學理念后，“寶石礦床學”課程教學整體分為理論教學、實驗訓練及科研活動3大模塊：

（1）理論教學

寶玉石礦產資源種類較多，教學涵蓋知識點廣泛且重點、難點居多。已有寶玉石礦床專屬教材出版較早，存在一定時代局限性，而礦床學專業教材重點為主礦床體系，除針對寶石礦床的內容、篇幅較少外，對主體系各類礦床的知識點也進行了高度精煉與濃縮。在理論教學中，采用教師課堂講授與學生主觀能動性帶動相結合的方式，尤其是在教師授課過程中，將理論難點內容（如礦床、礦體、礦石、礦物4個維度礦床學概念；礦體空間產狀與礦床形成；礦床成因類型與成礦專屬性等）進行虛擬仿真化，從而有助于學生梳理礦床體系，加強學生對重點、難點知識的理解與掌握。

（2）實驗訓練

實驗訓練為該課程虛擬仿真教學中最為核心的內容，可細分為寶玉石礦床野外考察、礦體手標本室內觀察以及寶玉石礦床虛擬仿真實驗教學3個部分。野外考察與礦體手標本觀察為傳統實驗教學模式，且已有多年實踐教學經驗，課程野外路線為山東昌樂藍寶石礦床與蒙陰金剛石礦山地質公園實地考察；礦體手標本包含有巖漿、熱液、風化、沉積以及變質等多個成因類型的各類寶玉石原巖樣品。

寶玉石礦床虛擬仿真實驗是對野外考察與室內實驗這兩部分的有益增補，主要針對理論教學、野外調研以及手標本觀察中的重難點問題設計了專門的虛擬教學實驗訓練。虛擬仿真實驗部分主要分為：1）穿越式地質體驗，通過虛擬仿真手段模擬還原典型寶玉石礦床形成的地質過程，使學生通過對寶玉石礦體形成、時空演化、地質變遷以及后期保存的全過程體驗，將抽象性概念現實化，從而理解并掌握理論教學難點；2）地質類博物館云游，帶領學生云參觀已開放線上觀展功能的各地質博物館，通過觀察館藏巖石礦物樣品，彌補自身實驗室礦床手標本種類與數量的不足；3）采礦模擬實驗，對寶玉石礦床的開采與分選過程、寶玉石原礦的切磨與加工過程等設計模擬實訓軟件，學生使用軟件對各類生產過程進行模擬實操，從而彌補出于安全性考慮不能帶領學生進行現場考察的遺憾。

（3）科研活動

科研活動主要表現為在授課時注重對學生科研興趣與科研思維的引導與培養，結合教師已有科研項目，通過讓學有余力學生參與完成科研項目的部分內容，將項目研究成果向虛擬仿真實驗教學資源進行轉化，使學生們得到科研思維、方法和實驗技能的訓練與提升。

1.3 教學資源庫建設

（1）虛擬教學資源庫

為進一步打造寶玉石礦床的三維沉浸式體驗教學，虛擬仿真教學資源庫的建立必不可少。課程從虛擬視頻庫、虛擬軟件庫及虛擬標本庫全面構建虛擬仿真教學資源。

虛擬視頻庫，主要為寶玉石礦產資源時空分布、寶玉石礦床形成過程模擬、典型寶玉石礦床三維解剖等教學視頻，對應理論教學難點與實驗訓練的“穿越式地質體驗”。

虛擬軟件庫，主要為寶玉石礦床開采與寶玉石原礦加工的可實操軟件，旨在讓學生模擬體驗采礦與加工過程，對應實驗訓練的“采礦模擬實驗”。

虛擬標本庫，主要為各類礦體手標本的三維數字標本庫。由于地質類教學標本種類較多且結構、構造復雜，部分標本還容易風化、腐蝕與磨損[11]，故建立虛擬標本庫有利于教學樣品擴充，同時能夠使樣品教學信息較完整的保存下來。該庫對應于室內實驗教學，并且通過“云游博物館”存儲下來的虛擬樣品又是對室內實驗樣品種類的有效補充。

（2）3D打印教學模型庫

建立3D打印模型標本庫進一步將虛擬標本庫實物化[12]，同時建立模型庫的過程也是改變傳統“教師教與學生學”模式，提升學生課堂沉浸感與參與感的重要環節。學生通過課堂學習與自身理解，把理論知識應用于寶石礦床學樣品三維建模與實體成型中去，從而加強了對知識點的理解與掌握，提高了學生的實踐創新能力。

2 實施效果與改進措施

“寶石礦床學”虛擬仿真實驗教學體系構建完成后，已在我校寶石及材料工藝學專業大三年級學生展開了實踐教學，課程設置的各類虛擬實驗引起了學生們極大的專業學習興趣。通過虛擬實驗教學，學生們對寶玉石礦產形成的地質過程有了更好地理解與掌握，同時也對礦產資源的開發技術與流程有了一定程度的了解與認識。學生們普遍反映，引入虛擬仿真理念的“寶石礦床學”既生動有趣又知識點豐富，自己能夠在課堂上及時消化難懂的地質知識，并且在參與虛擬教學資源庫建設的過程中，自己的科研積極性也得到了有效調動，對各類大學生創新創業項目申報的積極性有了顯著提高。

課程實施教學過程中也存在一些需要改進的問題，如虛擬實驗教學視頻需進一步豐富與完善；虛擬教學軟件在使用過程中存在卡頓，仍需編輯與優化；典型礦床3D模型打印過程中，建模軟件與打印參數仍需進一步模擬與調整，從而得到更適宜值，使打印出的模型效果更好。以上存在問題在后續教學過程中都會進一步完善與改進。

3 結語

“寶石礦床學”課程教學通過引入全新的虛擬仿真實驗教學理念，改變了傳統“教師教與學生學”的模式，提升了課堂的趣味性，增強了學生的課堂沉浸感與參與感，從而提高了學生對知識的理解與實際運用能力。在課程教學實施與探索過程中，克服了傳統實驗的制約，尤其是在現今疫情影響下，野外教學工作常常受到防控影響而無法正常展開。建立虛擬教學資源庫，不失為一種有效的備選方案。

“寶石礦床學”虛擬仿真實驗教學為寶石及材料工藝學專業本科生實踐教學提供了全新地嘗試，完成了虛擬教學環境的探索與構建，從而改進了教學模式并提高了教學質量，為一流專業本科課程建設提供可參考的實例。