淺析虛擬現實技術在地熱地質教學科研中的應用

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(1.西藏自治區地質礦產勘查開發局地熱地質大隊，西藏 拉薩 850032；2.河北地質大學水資源與環境學院，河北 石家莊 050031；3.河北地質大學校醫院，河北 石家莊 050031)

全球范圍內，地熱資源利用量持續增長，開展地熱資源利用的國家已經達到88個。據2020年世界地熱大會報告，在地熱直接利用方面，裝機容量已達到107727MWt，較2015年增長52%；在地熱發電方面，裝機容量已達到15950MWe，較2015年增加27%，并預測世界地熱發電增速將有所放緩。我國的地熱發電裝機容量為34.896MWe，水熱地熱資源地熱供暖裝機容量為14160MWt，溫泉洗浴及療養地熱容量為5747MWt，地源熱泵裝機容量26450MWt[1]；相對于快速增長的地熱直接利用而言，我國地熱發電進展緩慢。鄭克棪對我國地熱的發展歷程和前景進行了展望，分析了地熱發展滯后、不均衡的原因，對未來我國地熱發展進行了展望[2]；朱傳慶等對地熱產業存在的問題及地熱學科專業建設提供了針對性的建議[3]。《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》提出因地制宜開發利用地熱能，隨著2023年世界地熱大會將在我國召開，“十四五”期間我國地熱能開發產業將進入快速發展期，預計全國對地熱地質專業人才的需求量將呈現增長趨勢。

目前，地熱地質相關教學實踐資源建設相對滯后，因此在地熱開發利用不平衡、不充分的背景下，探索“雙碳”目標下地熱地質教學科研虛擬現實教學案例建設，加強高層次地熱應用人才培養，為碳中和技術創新發展提供急需的地熱地質專業人才顯得尤其重要。而實驗實踐教學是其中的重要環節，通過將地熱地質有關實體實驗、科研過程及結果虛擬實現，使學生更好地將理論學習應用于實際中去，提高學生的專業素質；不僅豐富地熱地質專業課程的教學內容，而且相關教學科研成果可更好地向社會公眾進行科學普及。

1 研究現狀

虛擬現實(virtualreality，VR)是以計算機技術為核心，生成與一定范圍真實環境在視、聽、觸感等方面近似的數字化環境。VR從產生之初就受到許多行業的高度關注，特別是需要消耗大量人、財、物以及具有危險性的應用領域。VR也被廣泛應用于公共安全、工業設計、醫學、規劃、交通和文化教育等行業和部門[4,5]。

任升蓮等闡明了VR技術在地學教學中的應用前景及實施方法，建議采用非沉浸式或半實物虛擬仿真的方法實現地學虛擬教學的方案[6]；梁秀娟等利用VR技術建立相關的地質、水文地質模型和專業模型，對含水層結構、地下水流、地下水質和環境地質問題進行了虛擬表達[7]；邱隆偉探討了VR技術在地學類課程教學中的應用前景，其應用有助于促進教學環境的完善和教學理念的改變[8]；彭博從VR技術概念、主要特征及國內外研究現狀等，分析了VR在教育教學及成人教育中的應用前景[9]；周訓等開展了地下熱水循環模擬實驗教學，很好地提升了學生的專業素質[10]；蘇小惠探討了VR技術在風景園林設計應用前景及存在的技術問題[11]；韓雙彪等將復雜的地質現象與VR技術結合，探討了能源地質虛擬仿真實驗教學的必要性、建設思路、功能效果及應用前景[12]；羅珽等討論了該技術在地球科學領域的優勢與前景，以及進一步拓展應用水平還需要解決的相關問題[13]；閆佰忠等通過融合大數據和虛擬仿真技術，構建了基于室內實驗室、室外實驗場、校外實踐基地和多種專業軟件仿真模擬的“四維度”水文地質教學實踐平臺，并得到了很好的應用[14]。

已有的研究及應用成果為本次研究提供了很好的參考，VR技術在地熱地質教學及科研應用過程中，應結合高校及科研院所實際需求、緊密結合已有地熱地質教學科研成果，將有關實驗、科研過程通過VR技術呈現，提升師生的專業素養；并不斷探索將產學研相關成果向社會公眾進行科普，提高公眾的科學素養。

2 發展趨勢及存在的問題

隨著有較高智能化程度的生產工具的研制，VR作為一種全新的顯示方式，正在不斷滿足人們對于信息可視化變革的期待。尤其在VR與地球科學專業結合的領域，通過學科交叉與綜合協同研究，將地球科學學科前沿與高新技術融合，使VR技術成為地球科學研究的一種重要技術手段，為地球科學學科的發展帶來新的變革，尤其在地熱地質交叉熱點學科中的應用，將極大地推動其學科建設與發展。目前VR領域的重要技術問題包括：VR環境的智能程度較低；用戶可交互可操作的功能有限；虛擬和真實世界的融合繁瑣低效；對象演化模式缺乏生命力；虛擬環境呈現的整體沉浸感不足。此外，目前VR內容比較稀缺，形式較為單一，難以滿足行業領域對VR內容大眾化、個性化生產的迫切需求[15,16]。

結合地球科學行業特色高校學科的特色，虛擬現實技術在地熱地質教學科研中的應用，應緊緊抓牢為培養高質量創新型應用人才的主線，讓學生掌握國內外地熱地質學研究理論和應用方面的動態；建設過程中用圍繞地熱地質學的主要研究方法，綜合地下水科學、固體地球物理學基礎及構造地質學等學科知識，充分借鑒科研院所、地質礦產、煤炭及石油類高校相近和類似地熱地質學課程的教學內容，既突出地熱理論基礎的學習，又注重地熱地質學的實際應用；并緊密結合科研項目進行案例講授，將野外地熱地質調查、樣品采集及分析、室內資料等過程通過虛擬現實技術展現出來，系統地培養學生掌握地熱地質相關研究的科學方法，充分運用已有的聯合培養基地，結合場地案例鍛煉學生的野外能力,創新“產教融合、科教融匯”協同育人機制；探索將教學科研成果利用虛擬現實技術進行呈現，向社會公眾進行科學普及。

3 結論

通過上述資料整理及分析，得出以下結論及建議。

結合高校、科研院所的實際需求，開展地熱地質相關課程建設，增加特色的地熱地質教學實驗設計、地熱地質實踐環節等教學內容。將地熱地質有關教學及野外獨特的現象(間歇泉、水熱爆炸、地熱能綜合開發利用等)進行虛擬實現，將理論學習與實際運用結合，提高學生的專業素質。

整合已有地熱地質教學及科研成果，將科研過程及結果通過虛擬現實技術展示出來，豐富地熱地質專業課程的教學內容。

高溫水熱型地熱資源。選取西藏典型的羊八井、羊易及古堆地熱田開展案例教學，介紹高溫地熱田如何經濟合理地進行勘探、開發及利用，為區域高溫地熱綜合利用及工程建設項目熱害防治服務。

中低溫水熱型地熱資源。選取雄安新區及校園開展地熱地質學相關研究案例教學，服務國家節能減排和能源結構調整，支撐雄安新區深部地熱清潔能源高效開發利用，推進綠色校園建設進程。

巖熱型地熱資源。以山東招遠為例，探明該地區巖熱型地熱資源潛力，探索單井換熱技術應用，助力區域新舊動能轉換戰略。

結合“世界水日”“世界地球日”等主題活動，聯合科研院所及地勘一線單位，將地熱地質相關成果利用虛擬技術進行呈現，開展地下水深部循環、節能減排、碳中和等科技志愿服務，面向大中小學及社會公眾進行科普。