基于虛擬仿真平臺的野外地質實踐*

冉祥金 薛林福 李偉民 樓仁興 張焱焱

1.吉林大學地球科學學院；2.吉林工商學院

傳統地質實踐教學受教學時間限制不能達到預期效果。虛擬仿真教學方法通過虛擬仿真的方式在一定程度上解決了傳統地質實踐教學存在的問題。本文探索采用自主研發的虛擬仿真教學平臺，以人機交互的方式提供了沉浸式地質實踐教學，以虛實結合的方式提高了教學效果，獲得學生認可。

地質實踐教學是地質類各專業學生掌握地質知識和地質技能十分重要的教學環節，是學生積累地質工作經驗的重要途徑[1,2]。通過開展地質實踐教學，學生能夠從課堂教學中走出來，從實際的野外地質環境中認識巖石、識別各種構造現象、從各種地質現象推斷幾億年來的地質變化，理論聯系實際，鞏固課堂理論教學效果。由于需要在實際的野外地質環境開展實習活動，傳統的地質實踐教學容易受到天氣、環境、人為等各種因素的影響，尤其是在疫情防控期間[3]，導致實習活動受阻。

近年來，虛擬仿真技術的發展，促使各學科開展了不同程度的虛擬仿真實驗。教育部于2013年起，在全國各高校建設了1000所虛擬仿真教學中心，2017年起，又開展了國家級示范性虛擬仿真實驗項目的認定工作，目前已認定750多項，其中包含地質類虛擬仿真實驗項目11項，這些都大大促進了虛擬仿真教學的探索。徐文杰基于“地學云堂”開展了地質實習的混合式教學改革，實現“以學生為中心”的教學模式探索[4]。魏玉帥等搭建了北京周口店野外地質仿真模擬實習教學實驗系統，提升了實踐教學的質量和水平[5]。強偉帆等總結了虛擬仿真技術在地質教學中的應用，指出虛擬仿真是有效增加地質實習教學方法的多樣性、培養學生綜合能力的有效手段[6]。王盛年等應用實景虛擬技術還原了工程地質現場環境，探索了虛擬實踐相關環節，有效解決了實習場地匱乏、經費成本與安全保障的困局，提高了教學效果[7]。另外，海洋地質[8]、野外地質[9]、油田地質[10]等課程都相繼展開了在線虛擬仿真教學方法探討。

本文針對吉林大學地球科學學院開設的《地質教學實習》課程教學現狀，利用前期建設的《野外地質實踐教學虛擬仿真平臺》[11]，探索將虛擬仿真技術運用到該課程的在線教學中，更好地提升實習教學效果。

1 地質教學實習教學現狀

位于遼寧省興城市的吉林大學實踐教學基地是吉林大學地學部開展各類地學相關實踐教學的野外教學實習場所，每年8～9月份，地學部四大學院的相關專業學生開展《地質教學實習》課程。該課程由路線地質教學、實測剖面、地質填圖等組成，其中路線地質教學一般由專業教師帶領學生前往野外進行路線實地踏勘，掌握路線中露頭的巖性、構造，了解各種地質現象及發生的地質事件。

由于受教學時間、地理條件等因素的限制，學生實際能夠觀察和了解到的地質現象受到了很大制約，而野外地質現象十分復雜，這在一定程度上限制了學生的地質視野和未來地質工作的能力。主要存在以下幾個方面的問題與局限性。

1.1 傳統的野外地質實習存在著時間與空間方面的局限性

傳統野外地質實習常常受限于時間、地形、天氣等條件。例如：學生在每個野外教學觀察點上停留的時間十分有限，很難再有充足的時間掌握實習內容，更不能有充足的時間自主地進行觀察、描述與研究。一些典型地質現象位于懸崖峭壁上，為了人身安全，學生難以在任意位置對地質現象進行近距離觀察與描述。很好的教學現象常常由于自然風化或人為破壞而不能長期用于野外現場教學；由于天氣影響，野外教學可能不能正常進行；由于教師數量有限，很難進行一對一的詳細教學；由于各種因素的限制，不能對每條路線都進行野外現場實習。

1.2 野外實踐過程中，學生視野受限，無法了解全貌

在野外地質實踐教學過程中，由于考慮到地形、安全性，當進行野外地質觀察時，學生只能看到一個地質現象的局部，難以了解地質現象的全貌，從而制約了學生對地質現象的全面了解能力。

1.3 傳統的“教師講，學生聽”的教學方式限制了學生的自主性

傳統野外地質實踐教學的主要方式是教師沿路線邊走邊講，學生跟著老師邊觀察邊記錄，在這種教學方式下，學生用于自主觀察的時間較少，往往不能充分掌握野外教學內容，野外觀察和研究的能力不能得到充分鍛煉。

1.4 野外實踐教學資源豐富，無法共享

學生通常只能在有限的地方進行野外地質實習，而地質科學需要具有大量復雜地質現象觀察的經驗，野外地質經驗越豐富，發現和解決地質問題的能力就越強，有限的實踐教學是制約地質教學質量提高的瓶頸。

針對上述問題，通過引入虛擬仿真技術，建設了“野外地質實踐教學虛擬仿真平臺”，以虛實結合的方式，對傳統的野外地質實踐課程進行了有效地補充。

2 野外地質實踐教學虛擬仿真平臺

“野外地質實踐教學虛擬仿真平臺”（以下簡稱平臺）是在無人機、傾斜攝影三維建模、空間數據庫、人工智能等技術支持下構建的新一代野外地質實踐教學系統（如圖1所示）。平臺旨在充分利用現代信息技術，將虛擬仿真與野外地質實踐教學緊密結合，通過構建不同尺度實景三維虛擬仿真地質環境，使學生在該環境中對各種地質現象進行觀察、描述，測量各種地質體的產狀要素，研究地質體之間的空間相互關系及形成先后次序。目前該系統已集成了遼寧興城實踐教學基地的11條野外路線地質實景模型，并整合了路線地質教學相關的教學內容。基于該平臺，學生可以隨時隨地觀察相關路線概況及地質露頭，了解地質野外實習基地情況，學習野外地質知識、掌握野外地質工作技能、擴展知識范圍。

平臺分為網頁版和交互版兩種類型，網頁版目前已主要集成以下功能：

2.1 集成了地質觀察路線的教學內容

目前平臺已經集成了興城市釣魚臺、龍回頭、臺里、首山、夾山、牤牛山、尖山、上長茂、白廟子、華山鎮、上黑魚溝等11條地質教學路線，形成“觀察內容與要求、路線概況、虛擬地質路線、觀察點1～n、問題與思考”等教學內容。

2.2 集成了各路線的實景三維模型及各教學點的實景模型

平臺不僅集成了各條路線的實景三維模型，而且集成了各個教學點的實景模型。學生通過鼠標可以操作路線模型，尋找野外踏勘的路徑及環境，通過鼠標旋轉與縮放功能細致入微地觀察地質露頭的巖性、構造、古生物等特點。

2.3 平臺自動記錄了用戶鼠標所在的GPS經緯度信息

平臺所集成的模型是通過無人機傾斜攝影技術建模的，該技術保留了無人機照片中的GPS信息，所生成的模型是包含真實GPS經緯度坐標的。因此，通過算法，平臺可以將學生鼠標所處位置的經緯度坐標進行正確顯示。學生可以通過鼠標記錄所觀察地質教學點的GPS信息，以便在野外記錄本中規范記錄。

交互版主要提供了交互控制虛擬人物開展虛擬實習

的功能（如圖2所示）。用戶通過鼠標或鍵盤操作虛擬人物，在實景模型中開展虛擬實習。場景中提供了任務領取、GPS測量、地質錘取樣、虛擬記錄本等功能，真實地模擬了學生在野外進行路線地質實習的情景。

3 野外地質實踐教學虛擬仿真平臺在地質教學實習課程中的應用

平臺所提供的各項功能為開展野外地質實踐教學虛擬仿真提供了基礎保障，教師可以通過平臺所提供的功能來布置教學任務和安排，學生利用平臺即可領取教學任務，開展虛擬實習。基于平臺可以開展自主野外實習、虛擬野外實習、輔助野外實習等多種方式的野外地質實習。

在開始實習前，學生可以通過平臺預習地質路線實習內容，了解實習路線地理位置、地質背景、主要觀察內容等，發現地質問題和擬要重點觀察的地質內容，有助于在實習過程中有的放矢地學習。在實習過程中，也可以通過手機、PAD等電子設備了解更多的地質觀察內容。

疫情防控期間，我院針對無法前往實習基地進行實習的同學，采用本平臺開展了線上實習，學生普遍評價本項目給他們帶來了前所未有的體驗。學生能夠真實地觀察野外的實際地質情況，可以從地面、空中的任意角度和任意位置觀察野外地質露頭，全面觀察與描述野外地質現象；可以使用GPS、放大鏡、測繩等虛擬工具，獲得了更多的野外地質知識。

目前，平臺自2018年上線以來，總瀏覽次數已達到71105人次，其中獨立訪客達到3808人，訪問平臺的IP地址數目累計達到3889個（如表1所示）。

表1 平臺訪問情況Tab.1 Platform access

平臺針對性地解決了以下幾方面問題：

3.1 突破了野外地質實習時空等方面的局限性

野外地質場景的虛擬仿真提供了一個良好的野外地質知識學習和野外地質研究的虛擬環境，學生可以通過電腦、手機等設備學習野外地質工作技能，掌握野外地質知識，從而能夠突破野外地質實踐教學的時空等方面的限制，為野外地質實踐教學開辟了新的途徑。

3.2 提升了野外實踐教學的效果與質量

虛擬野外地質環境是在20多萬張無人機航拍照片和手工拍攝照片的基礎上，采用傾斜攝影技術合成的實景三維模型，這些實景三維模型除了包含路線地質教學內容外，還包含了大量豐富的多尺度野外地質信息，在這樣的虛擬仿真環境中，學生具有身臨其境的感覺，可以從不同視角和不同位置觀察地質現象，了解地質現象的全貌和細節，加深地質知識的理解，提高野外地質實踐教學質量。

3.3 改變了傳統野外地質實踐教學方式

平臺提供了自主學習、虛擬學習與研究等多種野外實踐教學方式，可以根據實際情況進行教學方式選擇。如果要訓練學生自主學習和研究能力，可以采用自主學習方式進行路線地質教學。在這種教學方式下，學生可以先進行虛擬實習，然后在教師的監督下進行實地實習。如果實習時間有限或受其他因素限制，可以采用虛擬實習方式學習野外地質知識。

3.4 實現了野外實踐教學資源的數字化和網絡共享

通過地質實踐教學虛擬仿真提供的豐富教學資源，學生可以通過資源共享在多個虛擬基地開展野外地質實習，可以了解不同地質環境下發育的地層、巖石和構造特征，通過這種方式可以擴大學生的野外地質知識視野，積累豐富的野外知識，了解豐富多樣的地質環境，從而可以有效提高實踐教學質量。

4 結論

在野外地質實習過程開展基于虛擬仿真項目的移動學習，具有靈活性、交互性和共享性的特點，通過“虛實結合”的學習方式可以有效提高野外實踐教學效果，有利于開展研究型、綜合型實習，提高學生獨立發現問題、獨立思考、獨立研究的能力。

基于虛擬地質實踐教學平臺，可以在任何有網絡的地方開展地質實踐，大大突破了以往受天氣、時間、地形等因素的限制，使野外地質實踐教學進入了一個新的發展階段。學生可以在實習的不同階段應用該項目進行野外地質知識的學習，提高了學習效率，并可以顯著開拓學生對地質現象理解的深度與廣度。

虛擬地質實踐教學平臺可以集成國內外典型地區的地層、巖石、構造、古生物等方面的資料，以三維、VR、圖片等多種形式充分展現出來，給學生能夠通過該平臺學習大量的實際地質知識，從而可以大幅擴展學生的地質視野，提高對地質科學的興趣，提高學習效率、提高地質知識的掌握程度。