全方位、立體式野外地質實習虛擬仿真教學平臺構建

收稿日期：2023-05-26" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 修回日期：2023-07-17

作者簡介：丁超，男，講師，博士，研究方向為盆地構造與油氣成藏地質學；宋立軍，男，教授，博士，研究方向為盆地分析與構造地質學；唐文，男，講師，博士，研究方向為復雜地質條件下的地震波場模擬與偏移成像方法。

基金項目：陜西省高等教育學會項目“新時代野外地質實踐教學創新創業教育體系構建研究”（XGH21119）；西安石油大學國際學生教育教學改革研究專項“留學生地質綜合實習‘虛—實’融合教學改革研究與實踐”（JGGJ2023001）

摘" " 要：為解決傳統野外地質實習信息量大，學生地質觀、時空觀難以建立等問題，文章基于目前已建立的虛擬野外地質實習系統的優缺點，提出全方位、立體式野外地質實習虛擬仿真教學平臺構建方案，旨在通過雷達與傾斜攝影測量相結合的三維地質建模方法，建立虛實結合與綜合評價相統一的教學體系，拓展地質實習的空間和內容，培養學生的獨立思考能力與創新能力。

關鍵詞：鄂爾多斯盆地南緣；地質實習；虛擬仿真；教學平臺

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：1002-4107（2024）03-0021-04

一、引言

高等教育的根本任務是立德樹人。在中國特色社會主義新時代背景下如何培養優秀的地學人才，是地質類高校教師應研究的熱點課題。近些年，隨著信息技術的不斷發展，各種實驗實訓仿真項目如雨后春筍般不斷涌現[1-4]。目前，國內外虛擬野外地質實習系統主要有3種類型：第一類是三維虛擬仿真，即通過傳統建模來還原野外地質場景，局部采用地質照片進行表述，優點是野外地質數據采集工作量與信息量較小，缺點是場景還原技術煩瑣，缺乏野外地質坐標及地質現象或地質體的真實場景；第二類是基于云端資料與全球開放的地質數據庫，開展地質現象的實景演示，配套語音與數據信息，優點是內容直觀、真實，系統開發周期短、操作簡便，缺點是互動性差，缺乏地質空間感；第三類是虛擬野外地質實習系統，即基于谷歌地圖，結合手標本和鏡下照片，實現二維電子地圖與野外照片相結合、宏觀與微觀相結合的虛擬仿真教學系統，優點是系統開發成本低、建設快，缺點是無三維實景剖面的還原與支撐。鑒于以上虛擬野外地質實習系統的優缺點，文章所研究的野外地質實習虛擬仿真教學平臺采用雷達與傾斜攝影測量相結合的三維地質建模方法，通過多層級、多尺度模型的集成，還原野外真實地質環境，為學生提供身臨其境的學習體驗，快速提升學生的野外工作綜合能力。

二、地質實習概況

21世紀初，西安石油大學地球科學與工程學院成立，目前設有5個本科專業、6個碩士點。野外地質實習作為地質學類相關專業重要的實踐環節，貫穿教學全過程。該學院大一的地質認識實習、大二的地質綜合實習、大三的專題實習，分別在西安市周邊、米倉山、秦皇島市石門寨、安徽省巢湖市等地的實習基地進行。學院中的每個專業根據教學大綱計劃，規定實習時間為2～4周，分為校內基礎知識學習與野外地質實習。校內基礎知識學習包括實習動員會、區域地質概況講解、實習路線介紹、實習工具使用、實習報告編寫等。野外地質實習包括地質路線踏勘、地質剖面實測、地質填圖、信手剖面和素描圖繪制、野外記錄本填寫等。

野外地質實習的主要任務是培養學生的地質技能、地質思維、嚴謹的工作態度，為學生以后從事地質方面的工作打下良好基礎。然而，野外地質實習時間緊、強度大，使得學生野外記錄往往出現記錄不全、報告不規范、地質空間感和時間感不足等問題，尤其是一些不確定因素的影響，可能導致野外地質實習無法正常進行。

西安石油大學所處的鄂爾多斯盆地南緣構造位置特殊，包括渭北隆起、渭河地塹構及秦嶺造山帶等二級構造單元，巖石類型較為齊全，地質構造與沉積現象較為豐富，是進行地質實習的理想場所。為此，作者和實習帶隊教師通過不斷地調研和學習，基于鄂爾多斯盆地南緣地質實習，探索并制定出一套全方位、立體式野外地質實習虛擬仿真教學平臺建設方案。該平臺建成后，既可滿足地質類專業學生的認識實習、綜合實習、專題實習等需求，還可為地質單位、油田企業的人才培訓提供野外地質實習虛擬仿真平臺。

三、野外地質實習虛擬仿真教學平臺構建

（一）平臺建設目標與特色

根據“以學生為中心、以產出為導向、持續改進”的OBE（Outcome Based Education，成果導向教育）理念，構建點、線、面、體一體化時空分布格局。虛實結合的野外地質實習虛擬仿真教學平臺，融合了科教育人、探索創新的教學方式，解決了學生在野外地質實習中基本地質知識和技能掌握不牢固、對地質體或地質現象的空間感薄弱、創新能力不足等問題，同時，提升了學生觀察描述、獨立思考、團結協作等能力。總體目標如下：在野外地質實習前了解區域地質概況，如巖石類型、沉積環境、構造特征等，拓展野外地質實習的空間與實習內容；通過虛擬仿真教學平臺的實訓，學生強化對地質知識的理解，形成地質演化的時空概念，培養地質思維與創新能力；在虛擬仿真教學平臺的交互場景中，學生通過學習模式、考試通關模擬，培養動手操作和觀察能力；在野外地質實習路線模擬中，需要多人共同協作完成地層的描述、產狀的測量、數據的分析等實習任務，以此培養學生組織協調和團隊協作等能力。

與傳統野外地質實習相比，虛擬仿真教學平臺優勢明顯：一是具有豐富的數字化野外地質信息，提升了學生野外地質實習的質量和效率；二是虛實結合的地質場景，可以讓學生多尺度、多角度觀察地質現象，彌補了傳統野外地質實習的不足；三是實訓不受天氣、環境等因素影響，可以安全、便利地完成地質實習；四是通過普通模式與過關模式相結合、教學式與沉浸式相結合、圖片與視頻講解相結合等多種學習模式，提升了學生了解地質、熱愛地質的興趣。

（二）平臺構架與功能設計

在調研國內外虛擬仿真實習系統的基礎上，教學團隊重點研討了北京大學、吉林大學、西南石油大學等高校的虛擬野外地質實習教學系統[5-7]，擬定了虛擬仿真教學平臺的基本模塊，包括基礎數據采集模塊、系統功能模塊、后臺管理模塊等。虛擬仿真教學平臺的主要功能包括實習路線漫游、實測剖面教學、分析功能、底圖的插入與切換、實習路線管理、考核評價管理等。其中，實習路線漫游實現對實習路線的三維飛行漫游，支持踏勘路線在線查看和用戶自主設計踏勘路線，并對路線沿途的典型露頭進行在線文字介紹、音頻或視頻講解。實測剖面教學包括在地質的核心區域進行巖層劃分在線講解、剖面地形分析、在線地層劃分與測量（如長度測量、面積測量、高度測量、角度測量）。分析功能支持實時等高線提取與剖面地形分析，提供沿線飛行模擬及圍繞某個地質點位（露頭）進行環繞飛行。底圖的插入與切換包括地形圖、地質圖、高清影像等數據的切換，同時支持經緯度定位和地名搜索。根據平臺內容權限的設定，師生可以根據各自的需要和興趣點對實習路線進行添加、編輯和刪除等操作。考核評價主要是依據學生完成實習情況、單元測試與綜合測試成績、PPT匯報情況綜合打分，管理的功能權限由教師控制。

（三）地質路線的數據采集設計

基于無人機的傾斜攝影技術、三維掃描技術和近景攝影測量技術，獲得口鎮、銅川市、韓城市、延安市、宜川縣（壺口）等剖面高清晰三維模型，以及對相應剖面采集的手標本進行高精度三維建模。虛擬仿真教學平臺基于數據采集共設計了5條地質路線，包括太古界、古生界、中生界、新生界的地層，以及各種構造變形、斷裂、植物化石等。

1.淳化石橋—涇陽口鎮—富平金粟山地質路線

設計野外實習觀察點8個。

地層與巖石：中奧陶統馬家溝組白云巖、灰質白云巖、白云質灰巖，上奧陶統平涼組薄層灰巖，中二疊統石盒子組、上二疊統石千峰組長石質石英砂巖和巖屑長石砂巖。構造現象：口鎮-關山斷裂、圣人橋北逆沖斷層、圣人橋南正斷層、東風渡-響洛潭地層皺褶。外動力地質作用：碳酸鹽巖地層差異風化，溶洞，冶峪河的下切作用與側向侵蝕作用，河流階地。

2.銅川金鎖關—焦坪地質路線

設計野外實習觀察點5個。

地層與巖石：上三疊統延長組長8、長9油層組長石砂巖，長7油層組張家灘頁巖，長4+5油層組長石砂巖，下侏羅統延安組石英長石砂巖或長石砂巖，中侏羅統安定組粗砂巖，下白堊統宜君組、洛河組含礫砂巖或礫巖。構造現象：節理與斷層、動植物化石。外動力地質作用：風成砂巖、球形風化等。

3.臨潼驪山冷水溝地質路線

設計野外實習觀察點4個。

地層與巖石：始新統紅河組粉砂巖與砂巖、中新統寇家村組砂巖與礫巖、上新統灞河組砂巖與含礫砂巖、第四系洪積扇礫巖層與黃土。構造現象：階梯狀正斷層、張節理。外動力地質作用：黃土沉積、滑坡與崩塌。

4.韓城薛峰川—禹門口地質路線

設計野外實習觀察點16個。

地層與巖石：太古界涑水群片麻巖、長城系霍山組石英砂巖；古生界寒武系、奧陶系灰巖和白云巖，上石炭統本溪組石英砂巖，下二疊統山西組、中二疊統石盒子組砂巖，上二疊統石千峰組長石砂巖、粉砂巖；中生界中下三疊統劉家溝組至紙坊組砂巖、含礫砂巖，上三疊統延長組長10至長1油層組長石砂巖和巖屑長石砂巖。構造現象：渭河地塹北部邊界的反轉斷層、正斷層、節理。外動力地質作用：黃河向源侵蝕、河漫灘、河流階地。

5.延安—壺口地質路線

設計野外實習觀察點5個。

地層與巖石：中下侏羅統延安組延6油層組石英長石砂巖、延10油層組厚層砂巖，中下三疊統紙坊組砂巖，上三疊統延長組長6油層組長石砂巖和巖屑長石砂巖。構造現象：斷層與節理。外動力地質作用：壺口瀑布、黃河河床與河漫灘、中國陸上第一口油井與地表油苗。

（四）地質路線教學中的思政元素融入

1.職業素養

堅持以科學的態度看待地質問題、分析地質問題，培養實事求是、不斷創新的科學精神。在金鎖關淌泥河—何家坊地質路線教學中，首先教師講述上三疊統延長組長7油層組張家灘頁巖的巖性特征、地層沉積構造現象、古生物化石情況等知識，其次學生自行觀察與分析，最后師生討論張家灘頁巖的沉積環境與地質意義。在教學過程中，涉及了油氣成因的兩種觀點，一種是有機成因說，另一種是無機成因說。根據野外地質觀察與分析，結合地層含有的古生物情況，分析得出油氣的來源應屬于有機成因。而油氣無機成因說，主要是學者基于宇宙的行星和隕石中含有甲烷，以及地球上火山活動中形成的烴類氣體提出的。兩種觀點都有相應的地質證據，不能完全否定任一觀點，以此培養學生嚴謹的科學態度和分析復雜地質問題的能力。

2.團隊合作

在解決地質學領域復雜科學問題時，學生應能夠尋求多學科的團隊合作，具備組織、協調和管理能力。在野外地質實習中，團隊合作貫穿實踐全過程，尤其在野外踏勘階段最為突出。在開展野外地質實習前，5～7名學生組成一組，每個學生在組內有相應的分工，并配備地質工具。在野外實測地形剖面教學過程中，教師先講解實測地形剖面的方法、數據記錄的內容和格式，然后帶領學生測量一兩個導線，剩下的實測工作則讓學生獨立完成。在學生開展野外地形實測過程中，教師一方面要檢查數據的內容和格式是否正確，另一方面要提醒學生注意安全。同時，應強調學生之間的相互合作，保證每個學生都能積極地投入到野外地質實習中，各盡其職，各負其責。

3.科研自信

在淳化石橋—涇陽口鎮—富平金粟山地質路線中，教師先講解地層特征與巖性組合，然后介紹區域構造演化與成因機制，并以鄂爾多斯盆地南緣獨特構造位置為切入點，引入我國在構造地質學相關領域取得的科研成果，通過地質力學學說、波浪狀鑲嵌構造學說、斷塊構造說、地洼構造說、多旋回構造說、板塊構造學說等具體實例講解，使學生切實體會到我國老一輩地質學家的科研創新精神，以及我國地學研究為國際地學領域做出的重要貢獻。

4.家國情懷

中華優秀傳統文化的基本內涵之一就是家國情懷。在野外地質實習中，教師應有機融入中華優秀傳統文化，培養德才兼備、具有家國情懷的地學人才。例如，驪山腳下的華胥鎮，有著中華民族“伊甸園”的美譽，是中華民族歷史中母系氏族社會杰出首領——華胥氏的部落的所在地，全國性的華胥文化研討會也多次在藍田縣召開。在臨潼驪山冷水溝地質路線中，教師帶領學生參觀驪山的“兵諫亭”，介紹張學良、楊虎城為了建立抗日民族統一戰線活捉蔣介石，發動了西安事變的愛國壯舉。開展中華優秀傳統文化和愛國主義教育，有利于提升學生的文化素養，激發學生的愛國情懷。

5.生態文明

近些年，國家高度重視生態文明建設，推動生態文明建設取得積極成效，習近平總書記也指出，“綠水青山就是金山銀山”。在韓城薛峰川—禹門口地質路線中，在學生了解地層沉積構造演化的同時，教師帶領學生參觀薛峰水庫的建設與保護，引起學生共鳴，引導學生樹立生態環境保護意識，使學生直觀感受生態文明建設的重要意義。

6.民族文化與石油精神

教師以禹門口—龍門鎮黃河流域的地質現象為背景，講解中國的母親河——黃河流域的演化，以及中華民族的發展歷史。同時，通過中國陸上第一口油井的介紹，引入陸相生油理論的創立，使學生切實體會老一輩石油地質學家的愛國、無私與奉獻精神，也使學生意識到我國油氣勘探水平已處于國際前沿，進而樹立“四個自信”。

（五）評價體系與預期成效

1.評價體系

傳統的野外地質實習評價體系由平時成績、野外記錄本成績、實習報告成績構成，較難發揮學生的主觀能動性。文章設計的野外地質實習虛擬仿真教學平臺評價體系包括在線學習評價、單元考核、綜合考核、創新能力匯報等（表1）。在線學習評價考核學生實習資料調研情況、在線實習路線學習與完成情況等。單元考核內容較多，主要包括地層產狀和地形坡角的測量、典型礦物和三大巖（巖漿巖、沉積巖、變質巖）的識別、地層巖性及其組合特征、古生物研究、沉積環境與沉積相的分析、斷層與節理的識別、地面流水和風的地質作用、第四紀黃土及其地質災害等內容。綜合考核主要包括野外記錄格式與內容、地質現象素描與信手剖面圖繪制、實習報告的撰寫方法與內容等。創新能力匯報以專題的形式進行，主要包括地質構造演化、沉積巖與沉積環境、古生物特征及其演變等內容。在此環節，學生需在教師的幫助下，自主設計地質路線并多人協同完成專題任務。

相較于傳統評價體系，該評價體系有利于學生更好地掌握野外地質實習知識，培養了學生的團隊合作意識，激發了學生的主觀能動性。

2.預期成效

野外地質實習虛擬仿真教學平臺建成后，可以滿足本科生和研究生的野外地質實習需求，有利于提高地質學相關課程實踐教學整體水平，滿足創新型人才培養需求。預期成效如下：提升學生野外地質實習技能，提高學生野外記錄本和實習報告的撰寫質量，預計課程達成度指標增加5%～10%；彌補“普通地質學”“構造地質學”“沉積環境與沉積相”“石油地質學”等課程的課內地質實習

的不足，間接節省實習經費；全面提升學生地質創新能力，為全國大學生地質技能競賽提供平臺，提高學生的獲獎質量和數量；滿足非地質類專業學生的實習需求，每學期提供四五周的上機使用時間。

四、持續建設與社會服務計劃

（一）后續建設與更新內容

野外地質實習虛擬仿真教學平臺中的構造類型與構造變形樣式組合是地質構造演化到現今的結果。要想精確地還原地質構造演變過程，使學生建立更加直觀的地質時空觀，教師需要進行地質模型的物理模擬。在野外地質構造詳細研究的基礎上，教師通過擠壓、伸展、走滑等構造模擬裝置，設置相應的實驗地質參數，經過不斷的模擬與驗證，尋找模擬結果與現今構造具有最高相似度的演化過程，為鄂爾多斯盆地南緣的構造演化機制與動力學解釋提供重要的地質模型，更好地補充與完善野外地質實習虛擬仿真教學平臺的核心內容。因此，野外地質實習虛擬仿真教學平臺與地質構造變形物理模擬實驗室相結合是后續建設與更新的重要內容。

（二）社會服務計劃

1.面向地質單位和油田企業的教學推廣與應用

西安市擁有眾多的地質單位和油田企業，如中國冶金地質總局西北地質勘查院、陜西省地質調查院、西安地質礦產勘查開發院有限公司、陜西延長石油（集團）有限責任公司、中國石油長慶油田勘探開發研究院等，這些企事業單位每年都會招聘大量畢業生進行崗前培訓。野外地質實習虛擬仿真教學平臺可以滿足大量的野外地質技能、地質調查等方面的實訓需求，多方位、多層次提高崗前培訓效果。除此之外，企事業單位每年都會開設地質類技術人員專業技能的強化與提高班，而將培訓需求與仿真優勢相結合，充分發揮野外地質實習虛擬仿真教學平臺的信息共享與合作交流等作用，有利于實現校企一體化平臺建設[8]。

2.面向中小學生研學的服務計劃

通過野外地質實習虛擬仿真教學平臺，中小學生能夠了解石頭的“前世今生”，體驗地球的“滄海桑田”，感受自然界的“神奇力量”，學習地球科學知識。同時，可結合地質路線中的人文歷史與自然生態環境，弘揚中華優秀傳統文化，展現我國生態文明建設取得的重要成就，將地球科學與家國情懷、生態建設相融合，傳遞科學知識，服務社會。

五、結束語

文章提出的全方位、立體式野外地質實習虛擬仿真教學平臺的構建方案是以鄂爾多斯盆地南緣地質認識實習為基礎，基于三維地質建模方法，構建了5條野外地質教學路線的區域、露頭、標本3個尺度的模型，通過多層級、多尺度模型的集成，還原野外真實地質環境，為學生提供身臨其境的虛擬教學環境，不僅拓展了野外地質實習教學的方式和內容，提高了野外地質實習教學的效率，還最大限度地激發了學生學習地質的興趣，提升了學生的自主學習能力和實踐創新能力，從而更好地培養地學領域的建設者和接班人。

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■ 編輯∕陳晶