野外地質實習虛擬仿真實驗教學平臺建設與思考

何虎軍 楊興科 焦建剛 肖良 雷萬杉

[摘 要] 野外實習是培養合格地質人才的重要環節和專業特色，對培養學生興趣、鞏固專業知識、提高實踐能力等有著不可替代的作用。然而傳統野外地質教學實習中存在效率低、成本高、互動性和共享性差等問題，虛擬仿真教學很好地彌補了此缺陷。通過以漢中梁山野外地質實習基地為例，介紹了長安大學地質學類專業野外地質實習的發展現狀，實習目的和任務，分析了傳統野外地質實習存在的問題，探討了漢中梁山野外地質實習虛擬仿真教學平臺建設的思路和擬解決的關鍵問題。

[關鍵詞] 野外地質實習；虛擬仿真；教學平臺

[基金項目] 2019年度長安大學虛擬仿真實驗教學培育項目“地質礦產資源三維立體勘查與開發虛擬仿真實驗教學平臺”（300103691916）；2019年度長安大學高等教育教學改革研究項目“創新實驗教學體系研究與實踐——漢中梁山野外地質實習虛擬仿真實驗教學平臺建設”（300103302702）；2020年度教育部第一批產學合作協同育人項目“礦產形成、勘查與開發虛擬仿真教學平臺建設”（300202212077）

[作者簡介] 何虎軍（1979—），男，陜西合陽人，工學博士，長安大學地球科學與資源學院副教授，碩士生導師，主要從事礦產資源定量預測與評價、計算機地學應用教學與研究。

[中圖分類號] G642.44 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）02-0146-04 [收稿日期] 2021-05-14

引言

野外地質教學實習是地質學、資源勘查工程等相關地學專業本科生實踐教學中必須經歷的一個十分重要的實踐教學環節[1，2]，通過野外實習的各個步驟和環節的觀察、觀測、實習、實驗，使學生運用并鞏固課堂所學理論知識，學會并掌握野外地質工作基本方法，培養地學專業本科生對各種地質現象的野外觀察、識別和綜合分析能力、獨立工作能力及實踐動手能力，全面提高本科生地質類專業教學質量，為國家培養高素質、厚基礎、重實踐的地學創新型技術人才。陜西漢中梁山教學實習基地作為長安大學自籌經費建設的面向地質學類本科生野外教學實習基地，對培養地學相關專業的學生野外地質基本技能發揮了重要作用。野外地質實習是長安大學地質類專業教學的重要內容，也是培養集知識、能力和素質于一體的高素質人才的重要實踐性教學環節。隨著云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、人工智能、虛擬現實、3D打印等新一代信息技術發展，如何更好適應高等教育快速發展和人才培養模式的轉變，更加有效地利用這個有豐富地質現象的天然實習場地，挖掘其中可充分利用的優秀教學資源，構建新的野外實習教學體系和教學環境[3]，加強學生科學思維和創新能力培養，解決傳統野外地質教學實習中存在的諸多問題，已迫在眉睫。因此，本文就漢中梁山野外地質實習虛擬仿真教學實驗平臺建設的思路進行探索與實踐。

一、野外地質教學實習的基本情況與存在問題

（一）野外地質教學實習的概況

西安地質學院（2000年與原西安公路學院、西北建筑工程學院合并為長安大學）作為五大地院之一，先后于20世紀50—80年代初在陜南漢中梁山+西鄉羅家河；1984—1989年在漢中梁山（在西北大學實習基地建設基礎上，學校投入許多教師進行基地建設）；1990—2000年在河南宜陽實習基地；2001—2013年在安徽巢湖開展野外地質實習。自2014年漢中梁山實習基地建設完畢投入使用后，一直在漢中梁山開展野外地質實習。根據學校的教學計劃，一般實習時間為5周，分室內準備和野外實習兩個階段進行。

室內準備階段主要是召開實習動員大會，強調安全注意事項，明確實習目的、任務、要求，宣布實習紀律等注意事項，介紹實習區地質概況，明確野外工作步驟和要求等事項。要求每位實習同學認真閱讀實習指導書，并盡可能收集前人資料和文獻，以便熟悉實習區的基本地質特征，并要求出發前每位實習同學必須準備好野外實習用品等。野外實習時間30～32天，主要包括路線踏勘、實測剖面、地質填圖（含數字填圖）、圖件繪制和報告編寫等。實習期間根據天氣情況、學生掌握知識程度和實習進度需要對野外資料及時整理、階段總結和講課。

（二）野外地質教學實習的目的和任務

經過多年來野外地質教學實習認識與實踐，長安大學野外地質教學實習培養方案認為通過野外教學實習，一是使學生理論聯系實際，鞏固并加深對已學課程知識的理解和認識；二是培養學生吃苦耐勞、艱苦奮斗、開拓創新、團結合作的精神；三是培養學生熱愛地質事業，勇于探索地球奧秘的興趣；四是培養學生實事求是、科學嚴謹的工作態度。逐步掌握由點到線、由線到面、點面結合、綜合分析的野外工作方法，以及由表及里、由淺入深、將今論古的地質思維方法。

野外教學實習的任務主要是進行區域地質調查方法的系統訓練，讓學生掌握地質踏勘、剖面測量、地質填圖（含數字填圖）和地質報告編寫的基本知識、方法與技能。培養學生獨立從事地質調查設計和野外調查研究的能力，為今后的課程學習和地質工作打下堅實的基礎[4]。

（三）傳統野外地質教學實習存在的問題

傳統的野外地質教學實習實踐場地、實習實驗內容及其實習過程，均受許多不利于野外現場教學的因素影響，諸如實習地區的地形多為山區、地理位置偏遠、交通出行十分不便、實習時間必須固定在不受其他課程教學影響的4～6周連續時間段、經常受天氣因素影響很大，如雷雨風雪、高溫酷暑等、必須配備理論與實踐經驗均較豐富的教師及足夠數量，師生一起參加固定合適時間段的野外實習調研、觀測等，需要為此每年支付高額實習費用，還有重要的安全隱患及眾多風險影響。近年來歷年的野外教學實習和組織安排成為長安大學和許多高校存在的普遍難以順利安全高效完成的老大難問題，尤其2020年受突如其來新型冠狀肺炎疫情影響此問題變得更加突出。實習教學過程中也存在師生在野外的教學觀察點停留時間有限，難以多次反復觀察、思考，學生不能從任意角度觀察所見到的地質現象，學生自主學習觀察時間較少，師生間針對同一地質現象沒有更多的互動交流研討時間，不能實現“一對一”研討式教學，教學效率較低、實習成本較高，野外教學的地點有限且不能保存、師生互動性和共享研討性等均存在改變或提高之處。

二、漢中梁山野外地質實習虛擬仿真實驗教學平臺建設的探索與實踐

漢中梁山野外地質實習虛擬仿真實驗教學平臺建設堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則[5]，以“概念理解和軟件應用”為載體，通過采用先進的基于互聯網的三維建模和可視化技術，建立漢中梁山野外實習基地核心區虛擬仿真單元，并在此基礎上，借用當代數字信息多媒體技術、無人機數字攝影技術和虛擬仿真技術結合等功能，實現野外實習基地基礎地質信息查詢、實習調研路線布設與選擇、野外地質路線觀察、地質記錄與描述、信手剖面繪制、實測地質剖面和制圖、典型地質現象研討分析等適合于野外教學實習可借用的基本功能，達到“可預習”“可實習”“可復習”的“三可原則”。

完成制作好的實習虛擬仿真實驗教學系統，可以讓學生通過電腦、手機等大眾化設備和普通軟件，比較方便的鏈接于實習虛擬仿真實驗教學系統的網絡入口，反復學習、觀摩或虛擬仿真、或沉浸式進入系統，學習各項野外地質調查工作的基本知識和基本技能，從而能夠突破野外地質教學的時間、天氣、地域、互動性和共享性等方面的限制[6]，采用野外地質實踐教學與虛擬仿真實驗教學融合使用，在實習前、實習中、實習后多時段全天候都可以進入本實習虛擬仿真實驗教學系統，甚至對有些跨專業的學生完全可以使用此虛擬仿真實驗系統代替部分野外實踐教學環節，節省部分經費，并能反復觀察、觀測、實習、作圖、典型現象研討等。能夠開辟一條新的強化實踐教學的有效途徑，改變傳統地質專業野外實踐教學的原有理念和不可重復性的教學方式，增強學生自主學習的信心和興趣，全面提升地質學和地質類專業實踐教學的水平和教學效率，迎合當代新工科教學改革與實踐中的新思路新要求，必須對傳統專業進行升級改造，這也是為培養新時代新工科要求背景下的地質學和地質類專業學生的野外探索精神、工程實踐能力和創新意識，具有十分重要的作用。

（一）地質背景模擬

梁山地貌主要為丘陵低山，南依濂水河谷地與米倉山相望，北隔漢江與秦嶺南坡相依，形成“兩山夾一川”的地勢格局。梁山向斜是實習基地內最為顯著的褶皺構造，并且該向斜亦可清晰的表現在地貌上。為了讓學生在實習之前對漢中梁山實習基地的基本地質背景能進行全面深刻的了解和認識，漢中梁山野外地質實習虛擬仿真教學平臺在地質背景介紹單元中將通過文字、圖片、視頻的方式講解該區域的地質背景，并以地形沙盤+三維動畫的形式模擬表現漢中梁山區域構造演化過程（尤其向斜的形成）。

（二）野外場景的真實再現

目前，虛擬仿真野外地質教學系統平臺的開發主要有兩種方式：一是基于GIS平臺，一是基于游戲平臺。兩種開發方式都沒有真實再現野外地質情況[7]。隨著無人機和攝影建模技術的出現與普及并飛速發展，真實再現野外地質情況已變成現實。因此，為了更精細、更真實地再現真實野外場景，使學生雖然身在室內，人卻如臨野外實際現場，本次漢中梁山野外地質實習虛擬仿真教學平臺的搭建，采用先進無人攝影測量技術進行野外場景數據采集和建模，將野外地質現象高精度模型活靈活現地展現在學生面前，這樣既可以解決傳統方法存在的問題，也可以充分發揮長安大學測繪學科的優勢，實現學科優勢互補。

（三）野外地質路線自主布設

從目前已經建成的野外地質實習平臺看，野外路線地質調查還是和傳統野外實習思路一樣，野外地質路線都是提前布置好的，學生根本不用思考野外路線如何布設，布設因遵循哪些原則等，唯一的區別是只不過虛擬仿真平臺是把野外路線搬到了可視化平臺上。為了改變傳統野外實習模式，更好考核和檢驗學生對應學知識的掌握程度、自主學習程度、獨立觀察與分析思考能力，尤其虛擬仿真平臺上展示的是一個逼真的漢中梁山三維環境，完全不用像野外布線要考慮實際地形（哪些地方可以去哪些地方到不了），所以，本次漢中梁山野外地質實習虛擬仿真實驗平臺構建時，專門增加了野外地質路線自主布設模塊，完全可以讓學生根據自己所學的專業知識，并結合自己所了解的漢中梁山實習基地所有教學點的具體信息和自己的興趣選擇性，自主進行與野外地質調查路線配套的有關路線的設計與選擇（圖1）。

（四）巖礦石標本三維模型資源庫建設

考慮到目前已有的野外地質實習虛擬仿真教學平臺在每一個具體露頭地質點上學生僅能觀察到該點巖礦石的野外照片，不能對巖礦標本進行三維旋轉，任意放大多角度觀察，且野外地質實習存在隨著自然或人為等原因，原來采集標本的地質體、礦床體可能不復存在，巖礦體的光、薄片和古生物化石內部構造，僅能在室內實驗室觀察等問題[8]，本次將采用三維建模和虛擬仿真技術等構建漢中梁山實習基地巖礦石標本三維仿真資源庫，使學生在每個需要觀察的露頭地質點上，能三維旋轉，任意放大多角度觀察露頭巖礦石及其接觸關系，同時可以觀察巖礦石顯微照片和晶體模型，這樣有利于學生建立多尺度、多層次的地質研究思維方法，有利于更多標本的反復觀察和描述，豐富標本認知經驗，同時巖礦石標本三維模型資源庫的構建可以為其他課程（例如結晶學與礦物學、礦床學等）提供教學素材。

（五）評價體系創新

傳統野外地質實習是根據學生在整個實習過程中的表現，對基礎理論知識、野外地質工作技能和方法及實習區主要地質現象的掌握情況，最終完成實習報告的質量三個方面按2∶3∶5的比例，給學生進行總體評定。漢中梁山野外地質實習虛擬仿真教學通過野外記錄、測試、操作和綜合實習報告四個方面按2∶2∶2∶4的比例，綜合對學生的成績進行總體評定。并且將評價結果及時反饋并用于指導和教學，明確教學方法改進方向，激勵學生充分利用漢中梁山野外地質實習虛擬仿真平臺，開展大學生科研訓練計劃、大學生國家創新實驗項目計劃等創新實踐活動。隨著漢中梁山野外地質實習虛擬仿真教學平臺的建設，建立高校間野外地質實驗教學項目成績認可，學分轉換機制。

結語

以漢中梁山野外地質實習基地為原型，通過采用先進的基于互聯網三維建模和可視化技術，構建漢中梁山野外地質實習基地地質場景的實景三維地質模型，真實地再現漢中梁山野外地質實習基地野外地質實習過程，具有良好的交互與感知能力，全面提升野外實踐教學水平和效率，實現“互聯網+”野外地質實踐自主學習和研究及雙向互動式教學。漢中梁山野外地質實習虛擬仿真教學平臺的構建，將為進一步宣傳漢中梁山野外地質實習基地，最終將其打造成為國家級地質實踐教學基地具有重要的意義。

參考文獻

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[2]何翔，華洪，賴紹聰，等.秦嶺多學科綜合性野外實習基地建設的探索與實踐[J].中國地質教育，2012（1）：44-46.

[3]鹿曉陽，李明弟，李軼.創新實驗教學體系的研究與實踐——國家虛擬仿真實驗教學中心和國家實驗教學示范中心建設[J].山東高等教育，2015（3）：41-46.

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[5]呂新彪，徐四平，陳志軍，等.礦產形成、勘查與開發虛擬仿真實驗教學中心建設思路與進展[J].實驗室技術與管理，2014，31（9）：6-9.

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[7]桑學佳，薛林福，冉祥金，等.基于攝影建模的虛擬野外地質教學系統研究[J].中國地質教育，2020（2）：83-87.

[8]陳志軍，張婭，呂新彪，等.巖礦石標本三維建模技術及其教學資源庫建設[J].實驗室研究與探索，2017，36（11）：140-145.

Construction and Consideration of Virtual Simulation Experiment Teaching Platform for Field Geological Practice

HE Hu-jun， YANG Xing-ke， JIAO Jian-gang， XIAO Liang， LEI Wan-shan

（School of Earth Science and Resources， Chang’an University， Xi’an， Shannxi 710054， China）

Absrtact： Field practice is an important link and special feature in training qualified geological talents， which plays an irreplaceable role in cultivating students’ interest， consolidating professional knowledge and improving practical ability. However， there are problems existing in the traditional teaching of field geological practice such as low efficiency， high cost， poor interaction and sharing， and the virtual simulation teaching can make up for these defects very well. Taking Liangshan field geological practice base in Hanzhong as an example， the paper introduces the development status， objectives and tasks of field geological practice of geology major in Chang’an University， and analyzes the existing problems of the traditional field geological practice， and discusses the idea of constructing the virtual simulation teaching platform of field geological practice in Liangshan， Hanzhong and the key problems to be solved.

Key words： field geological practice； virtual simulation； teaching platform