構(gòu)造運動與地貌實驗虛擬仿真設(shè)計與建設(shè)

易 層，丁樹文，林麗蓉，石 磊，譚文峰，劉 凡

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070）

0 引言

實驗虛擬仿真是利用信息化仿真相關(guān)技術(shù)創(chuàng)建、重塑（優(yōu)化）或還原實驗實踐教學(xué)場景，實現(xiàn)教學(xué)功能的數(shù)字化資源。實驗虛擬仿真具有突出學(xué)生主體地位、智能化程度高、開放共享特征明顯、對技術(shù)政策依賴強等特點［1］。它是信息技術(shù)與專業(yè)實驗教學(xué)的深度融合，是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，也是實驗教學(xué)改革和發(fā)展的方向。將地學(xué)與虛擬仿真技術(shù)深度融合，是當(dāng)今地質(zhì)學(xué)教學(xué)的迫切需求，也是未來地質(zhì)教學(xué)和科研的一個必然發(fā)展趨勢［2］。

構(gòu)造運動與地貌涉及一系列綜合知識，相關(guān)內(nèi)容一直是《地質(zhì)與地貌學(xué)》課程重難點，對于農(nóng)業(yè)院校的學(xué)生了解土壤分布、土地利用和農(nóng)業(yè)布局、農(nóng)田基本建設(shè)的工程措施等有重要意義［3］。構(gòu)造運動與地貌涉及知識點具有時間尺度長（百萬年為單位）、空間尺度大（板塊運動）、動態(tài)演化復(fù)雜的特點（巖石及地貌均在變化），實驗操作學(xué)生“做不上”。此外，該實驗場所不可及并具有高危性，學(xué)生“做不了”。通過實驗虛擬仿真，可以模擬高風(fēng)險、極端條件下（如火山作用）的實驗，解決地質(zhì)類實踐教學(xué)難開展、地球深部不可見等問題，使實踐教學(xué)不再受時間和空間的限制，有效彌補了傳統(tǒng)實踐教學(xué)的不足［4］。同時，實驗仿真提供了豐富的教學(xué)資源，實現(xiàn)課程實踐環(huán)節(jié)的數(shù)字化，為學(xué)生開展探究性自主實驗、合作學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐提供了先進(jìn)手段［5］。

1 實驗設(shè)計思路

農(nóng)業(yè)院校的學(xué)生學(xué)習(xí)地質(zhì)類課程有別于傳統(tǒng)地質(zhì)院校，秉承“以學(xué)生為中心，以重點內(nèi)容為抓手”的理念，克服“精度欠缺、內(nèi)容單薄、交互不足、應(yīng)用缺乏”等實驗虛擬仿真建設(shè)常見困難［1-2，6］，同時充分調(diào)研，避免重復(fù)建設(shè)［7-9］。設(shè)計知識架構(gòu)合理、符合農(nóng)業(yè)院校學(xué)生學(xué)習(xí)要求的實驗虛擬仿真，服務(wù)于“新農(nóng)科”建設(shè)和“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略實施。

實驗仿真以“構(gòu)造-地貌-巖礦”為主線，時空上由宏觀、中觀到微觀，突出邏輯性和創(chuàng)新性，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律。實驗以地貌為核心，向前追溯到引起地貌形成的構(gòu)造運動，向后延伸到地貌的物質(zhì)基礎(chǔ)——礦物巖石，“致廣大而盡精微”。同時加入了農(nóng)業(yè)與地質(zhì)相關(guān)素材，內(nèi)容著重系統(tǒng)性、實用性和趣味性。

2 實驗方案及建設(shè)內(nèi)容

2.1 實驗整體設(shè)計框架

2.2 實驗內(nèi)容及操作

（1）認(rèn)識構(gòu)造運動及分類。構(gòu)造運動是指地殼的機械運動，也稱地殼運動［3］。根據(jù)地殼構(gòu)造運動的方向分為水平運動和垂直運動。學(xué)生通過模型了解水平運動［見圖2（a）］和垂直運動［見圖2（b）］的特點，用鼠標(biāo)拖動觀察大峽谷隨著時間推移，在地形地貌上顯示的動態(tài)演化過程。此部分需完成4 道思考題。

圖2 構(gòu)造運動基本方式

（2）識別褶皺構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造主要分為褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造。其中褶皺的基本單位是褶曲，包括背斜和向斜兩種基本形態(tài)；圖3 所示為褶曲的形成過程，學(xué)生通過移動下拉框?qū)Φ刭|(zhì)體施加水平方向的作用力使地質(zhì)體形成褶曲，褶曲要素如圖4 所示。

圖3 褶曲的形成過程

（3）識別斷裂構(gòu)造。斷裂構(gòu)造根據(jù)兩側(cè)地質(zhì)體是否有明顯的位移，分為節(jié)理和斷層。學(xué)生通過鼠標(biāo)操作了解斷層面、斷層線等要素，識別正斷層、逆斷層和平移斷層（見圖5）的特點。此步驟學(xué)生除了識別斷裂構(gòu)造的特點之外，還需完成2 道思考題（見圖6）才能進(jìn)入下一步。

圖5 斷裂構(gòu)造要素

圖6 關(guān)于斷層的思考題

（4）認(rèn)識各類型地貌。學(xué)生通過圖片、文字介紹等，觀察水平巖層地貌、傾斜巖層地貌、褶皺地貌和斷裂地貌的特點。此部分提供褶皺地貌、節(jié)理地貌和斷層地貌典型實物照片，加深學(xué)生對這一概念的理解。

（5）我國典型地貌——長江。長江是我國第一大河流，同時也是世界稻作文明的中心。它的形成與演化與內(nèi)外力地質(zhì)作用息息相關(guān)。學(xué)生通過鼠標(biāo)操作，認(rèn)識長江上、中、下游的地質(zhì)作用特點（見圖7），了解長江的起源及演化進(jìn)程。學(xué)生同時還需要觀看一個思政類視頻（見圖8）并完成6 道思考題。

圖7 長江流域地貌模擬

圖8 習(xí)近平總書記考察長江相關(guān)視頻

（6）我國典型地貌——恒山斷層崖。恒山斷層崖是我國典型的斷裂地貌。模擬恒山的地形地貌特點（見圖9），學(xué)生可點擊720 云鏈接查看地貌景觀，學(xué)生需完成5 道思考題。題目的設(shè)置注重課程思政（見圖10），培養(yǎng)學(xué)生家國情懷。

圖9 恒山斷層崖地貌模擬

圖10 借“愚公移山”的故事設(shè)置思考題

（7）我國典型地貌——丹霞山。學(xué)生通過鼠標(biāo)拖動，認(rèn)識丹霞地貌形成的動態(tài)過程（見圖11）。動態(tài)過程包括陸相紅層沉積、重力坍塌形成陡崖、丹霞地貌形成后的演化3 個階段。注重突出“變”的過程。

現(xiàn)階段，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)中財政管理與會計核算分屬于兩個部門，但是在功能的角度上來看，這兩個部門之間的聯(lián)系非常密切的，既是相互監(jiān)督也相互協(xié)調(diào)的關(guān)系。只有實現(xiàn)二者之間的相互協(xié)調(diào)相互監(jiān)督才能實現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)財政工作的有序開展。但是，在一部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)當(dāng)中，相關(guān)管理部門對于兩項工作進(jìn)行了混淆，甚至出現(xiàn)了一個部門兼顧兩個部門工作的情況，如果財政部門獨攬本職工作與會計核算工作，就會出現(xiàn)職權(quán)劃分的問題，增加了管理工作的難度，也會使得監(jiān)管部門無法有效實施監(jiān)管工作。

圖11 廣東丹霞山地貌模擬

（8）我國典型地貌——張家界峰林。張家界峰林是我國節(jié)理地貌的典型代表。學(xué)生通過模型及720 云全景照片識別節(jié)理地貌的典型特征（見圖12）。

圖12 張家界峰林地貌模擬

（9）我國典型地貌——四川四姑娘山。四川四姑娘山是我國褶皺地貌的典型代表。學(xué)生通過模型及720 云全景照片識別褶皺地貌的典型特征（見圖13）。

圖13 四川四姑娘山地貌模擬

（10）我國典型地貌——黃山一線天。黃山一線天是我國節(jié)理地貌的典型代表。學(xué)生通過模型識別節(jié)理地貌的典型特征（見圖14），同時需完成1 道思考題（見圖15）。

圖14 黃山一線天地貌模擬

圖15 黃山地質(zhì)地貌相關(guān)答題

（11）野外采集礦物標(biāo)本。采用游戲界面模擬地質(zhì)隊員在野外采集礦物標(biāo)本的過程，學(xué)生使用鼠標(biāo)及鍵盤控制人物的行走及標(biāo)本敲擊、采集（見圖16（a）、（b））。野外采集標(biāo)本在短暫的實驗課時中無法完成，滿足以虛補實的要求，同時增強了學(xué)生沉浸感。

圖16 地質(zhì)隊員野外采集標(biāo)本過程

（12）礦物鑒定。礦物巖石鑒定是地質(zhì)類實驗課程的重要內(nèi)容［10-12］，課堂上學(xué)生觀察的標(biāo)本存在特征不明顯、易損壞等缺陷，此步驟模擬實驗操作，將野外采集的礦物巖石通過與實驗室同樣的方法（小刀、白瓷板、放大鏡、稀鹽酸）進(jìn)行鑒定（見圖17），學(xué)生通過鼠標(biāo)點擊工具包，分別選用小刀、白瓷板判斷礦物的硬度及條痕特征，通過放大鏡觀察礦物的微觀形貌，通過滴稀鹽酸判斷礦物是否為碳酸鹽礦物。素材借助課堂標(biāo)本拍攝處理獲取，注重凸顯標(biāo)本的重要特征供學(xué)生觀察，此部分內(nèi)容與課程虛實結(jié)合、以虛補實。此部分需完成3 道思考題。

圖17 用小刀測量石英硬度

（13）常見礦物圖鑒。通過高清礦物圖片及文字素材，展示常見的共37 種礦物的特點（見圖18）。學(xué)習(xí)后需完成答題共3 道。

圖18 礦物概覽

（14）野外采集巖石標(biāo)本。此步驟原理及操作同步驟（11）。

（15）巖石鑒定。利用地質(zhì)與地貌學(xué)教學(xué)實驗室的標(biāo)本，對其進(jìn)行三維激光掃描。包括巖漿巖（花崗巖）、沉積巖（砂巖、礫巖）、變質(zhì)巖（板巖、大理巖）三大類代表性巖石（見圖19）。學(xué)生通過在課堂學(xué)習(xí)到的操作技能對巖石類別進(jìn)行鑒定。此部分需完成4 道思考題。此部分通過構(gòu)造-地貌-巖礦關(guān)系圖（見圖20），幫助學(xué)生對實驗仿真總體設(shè)計的理解。

圖19 巖石模型

圖20 構(gòu)造-地貌-巖礦邏輯關(guān)系

（16）常見巖石圖鑒。通過高清礦物圖片及文字素材，展示常見的3 大巖共96 種巖石的特點（巖漿巖47 種，沉積巖26 種，變質(zhì)巖23 種）。學(xué)生需進(jìn)一步鞏固巖石學(xué)知識。

3 實驗特色

3.1 實驗設(shè)計特色

（1）突出“觀宏與探微”。板塊運動的宏觀性和礦物的微觀形貌均是課堂不易開展的實驗內(nèi)容。仿真系統(tǒng)從時空尺度上分為宏觀、中觀和微觀3 個部分。宏觀以構(gòu)造地質(zhì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，分別從靜態(tài)和動態(tài)全面展示構(gòu)造運動與地質(zhì)構(gòu)造特征；中觀以地貌學(xué)為基礎(chǔ)，體現(xiàn)典型地貌的特征和分布；微觀以礦物巖石學(xué)相關(guān)理論為基礎(chǔ)，以地貌物質(zhì)組成為切入點，從野外采樣到標(biāo)本鑒定和顯微鏡下薄片觀察。從宏觀到中觀再到微觀的設(shè)計理念增強系統(tǒng)邏輯性，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律。

（2）實現(xiàn)“克難與交叉”。農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境等非地質(zhì)類專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)地質(zhì)類實踐課程具有較高難度，尤其是構(gòu)造運動與地貌相關(guān)內(nèi)容。實驗設(shè)計抓住學(xué)生學(xué)習(xí)的痛點，完成重難點教學(xué)內(nèi)容的仿真，解決了知識點難理解，教學(xué)環(huán)節(jié)不易開展的難題［13］。同時，拓展了傳統(tǒng)課堂的知識體系，以“構(gòu)造-地貌-巖礦”為主線，注重多學(xué)科交叉，通過有限的資源完成豐富的模型仿真，符合通過實驗仿真提升傳統(tǒng)課程的深度與廣度的要求［14］。

3.2 教學(xué)方法創(chuàng)新

（1）“紅色”引領(lǐng)，“綠色”發(fā)展。良好的實驗虛擬仿真教學(xué)項目需緊緊圍繞立德樹人的根本任務(wù)［15］。在教學(xué)方法融入課程思政，引導(dǎo)學(xué)生不僅要知山知水，還要治山治水，才有青山綠水。

（2）“以美育人，美美與共”。通過圖片、動畫和視頻向?qū)W生展示壯美山河和精美礦物巖石標(biāo)本，激發(fā)學(xué)生對課程的熱愛和對專業(yè)的自信。

（3）以“變”應(yīng)“不變”。通過模擬地貌的前世今生，讓學(xué)生了解地貌、巖石是在不斷變化的，突破思維定式，培養(yǎng)學(xué)生“變”的思維，體現(xiàn)課程高階性。

4 結(jié)語

建設(shè)高質(zhì)量實驗虛擬仿真教學(xué)課程是發(fā)展高質(zhì)量高等教育的具體任務(wù)，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)方式、實現(xiàn)“智能+教育”的具體舉措［16］。構(gòu)造運動與地貌實驗虛擬仿真自2021 年納入《地質(zhì)與地貌學(xué)實驗》《自然地理學(xué)實驗》教學(xué)大綱，至今共有1 000 余學(xué)生使用。學(xué)生使用虛擬仿真系統(tǒng)后，學(xué)習(xí)效果顯著增強，對“構(gòu)造-地貌-巖礦”有更清晰的認(rèn)識，并應(yīng)用于土壤與地質(zhì)教學(xué)實踐及土壤普查等科研項目。學(xué)生能力和素質(zhì)得到提升，學(xué)生評價該實驗仿真“專業(yè)性強、素材豐富、融合課程思政及趣味性”。