基于數字露頭的油氣地質實踐教學方法

摘 "要：普通高校實踐教學過程中普遍面臨著教學資源不足的考驗，尤其是油氣地質實習領域。由于教學經費與學時的限制，傳統地質實習的教學質量往往難以得到保障和提高，虛擬仿真輔助教學是這一問題的有效解決途徑。然而，地質實習對虛擬仿真系統的性能與精度提出新的要求，這需要更加精細的技術支持與方法創新。通過研究團隊對數字露頭技術多年的研究，在深入分析野外地質實習的特點與教學質量影響因素的基礎上，提出一套基于數字露頭的地質實習輔助教學方法；以長江大學地球科學學院地質實習教學為案例，依托數字油田虛擬實驗室，建立地質實習虛擬仿真教學平臺；將數字露頭技術應用于地質實習教學環節，為學生提供新的學習方法，激發學習積極性，有效提高地質實習教學質量，助推專業雙一流建設。

關鍵詞：虛擬仿真；數字露頭；地質實習；教學質量；教學方法

中圖分類號：G642 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-000X（2025）10-0123-04

Abstract： In the process of practical teaching， ordinary colleges and universities are generally faced with the test of insufficient teaching resources， especially in the field of oil and gas geology. Due to the limitation of teaching funds and hours， it is often difficult to ensure and improve the teaching quality of traditional geological practice， and virtual simulation-assisted teaching is an effective way to solve this problem. However， geological practice puts forward new requirements for the performance and accuracy of virtual simulation systems， which requires more sophisticated technical support and method innovation. Based on the research team's years of research on digital outcrop technology， based on the in-depth analysis of the characteristics of field geological practice and the influencing factors of teaching quality， a set of auxiliary teaching methods for geological practice based on digital outcrop was proposed. Taking the geology practice teaching of the School of Earth Sciences of Yangtze University as an example， relying on the digital oilfield virtual laboratory， a virtual simulation teaching platform for geological practice was established. The application of digital outcropping technology to the teaching of geological practice provides students with new learning methods， stimulates their enthusiasm for learning， effectively improves the quality of geological practice teaching， and promotes the construction of double first-class majors.

Keywords： virtual reality; digital outcrop; geological practice; teaching quality; teaching method

野外地質實踐是培養石油地質類人才的重要途徑，但野外地質實踐教學面臨著多重挑戰，如學生在野外地質實踐時的經歷是“一次性”的，事后很難身臨其境回顧所學知識；或受許多地質風貌的地形、環境、位置影響，學生不能近距離觀察學習；或受限于教學時間、資金預算，不能讓學生充分學習等。而在各種數字化技術飛速發展的今天，如何將虛擬仿真等技術應用于地質類實踐教學，提升地質教學水平，是地質類教學所面臨的問題。

虛擬仿真（VR）技術已經廣泛地應用于文化、娛樂、工業制造與教育教學各個領域[1]。在擴充教學資源、提高教學質量的需求驅動下，虛擬仿真技術在教學中的應用得到快速發展[2-6]。國內各大高校紛紛申報組建國家級虛擬仿真實驗室和教學中心，成都理工大學就針對礦產勘探相關專業，建設有“三維數字化礦產勘查虛擬仿真系統”，服務于學生的礦山實習教學[7]。

數字露頭借助“天-空-地”不同尺度的數據采集與建模技術建立，是地質露頭的數字化和定量化載體[8]。衛星遙感（天）精度為米級，一般用于大范圍區域地質露頭數據的采集與建模；無人機傾斜攝影測量（空）精度為分米～厘米級，一般用于中等范圍區域地質露頭數據的采集與建模；地面激光雷達（地）精度可達毫米級，一般用于單個露頭點數據的采集與建模。長江大學地球科學學院教科研團隊基于科研項目，積累了大量的數字露頭模型與資料，借助VR技術的支持，將其應用于地質類實踐教學過程中，有效提升了教學質量。

但在地質實習過程，不僅需要近距離觀察巖層的顏色、巖石結構、化石和沉積構造等微觀的地質特征，還需要從宏觀角度觀察地層接觸關系、構造特征與沉積相帶發育等，在精度與性能方面，對虛擬仿真技術也提出了新的要求與挑戰。筆者所在研究團隊多年來致力于高精度數字露頭技術的研究，并依托長江大學中央地方共建空間信息工程中心的數字油田虛擬實驗室，開展地質實習虛擬仿真教學方法的研究。

一 "野外地質實踐教學質量影響因素分析

野外地質實習是油氣地質實踐教學的重要環節，一直受到專業教師與教學管理者的高度重視，如何提高地質實習的教學質量，也是教學工作者研究的重難點。野外地質實習的教學效果，受多方面因素的影響，總的來說，包含以下幾個方面。

一是，實踐教學環節內容與課時設置。實踐教學環節課時越充裕，教學效果越好，但受限于教學計劃與培養方案，能設置的野外地質實習課時有限。如何在有限的課時內，安排更為豐富的學習內容，讓學生掌握更多的地質知識，一直是地質實習教學工作追求的方向。能否找到一個途徑，在較短時間內讓學生對全國乃至全世界典型地質現象有一個基本的認識了解，再針對選取的地質實習區域重點研究學習？

二是，實踐教學經費限制。高校投入到實踐教學環節的經費有一定限度，尤其是普通高校，實踐教學經費緊張的問題往往更為突出。但地質實習既是一個知識的學習過程，也是經驗的積累過程。是否能找到一個方案，有效克服實踐教學經費的限制瓶頸，盡可能多地為學生提供不同區域不同地質特征的露頭觀察學習？

三是，授課的方式、方法。除了教師自身的教學研究與思考，教學質量的提高，也需要借助新的教學手段與方法。在地質實習的教學環節過程中，是否有比較好的新技術與教學方法值得引入？

四是，學生的學習習慣與能力。有句俗語“只有教不好的老師，沒有學不好的學生”，反映出學生的潛力是可以挖掘的，需要我們采用合適的方式方法加以引導。傳統的地質實習過程，需要到野外，而且經常安排在暑假假期，學生們需要冒著酷暑頂著太陽在野外實習，條件相對艱苦，一定程度上影響了學生的學習積極性。能否找到一個全新的地質實習的教學模式，實現室內室外相結合，找到一個新的教學方法，使得學生樂在其中？

二 "數字露頭技術特色

傳統野外地質實習存在以下缺點與局限。

第一，勞動強度大，條件艱苦。野外地質實習通常安排在暑假期間，學生需要在高溫酷暑的環境下進行長時間的戶外活動。這不僅增加了學生的體力負擔，還可能導致中暑、曬傷等健康問題，嚴重影響了實習的效果和學生的身心健康。

第二，可觀察范圍局限。由于地理和環境的限制，部分重要的地質現象只能遠距離觀察，無法近距離進行詳細研究。這種局限性使得學生難以全面了解地質結構的細節，影響了學習的深度和廣度。

第三，宏觀性差。在野外實習中，學生的觀察范圍往往局限于特定的點和線，受到視野和道路條件的限制，很難進行全面的宏觀描述和定量測量。這種點、線式的觀察方式難以反映地質現象的整體性和復雜性，導致學生對地質結構的理解不夠全面和準確。

第四，存在安全隱患。部分露頭位置由于特殊的地貌地質條件和道路狀況，存在一定的危險性。例如，陡峭的山坡、不穩定巖層、狹窄的道路等都可能對學生的安全構成威脅。因此，這些地點不適合開展大規模的教學活動，限制了實習的范圍和深度。

隨著攝影測量技術、虛擬仿真技術的發展，數字露頭成為新興的研究領域。國內外部分學者開展了基于激光雷達、高分辨攝影測量建立數字露頭的方法。也有學者運用數字露頭開展地質特征觀察與研究[9-10]。數字露頭技術能克服傳統地質實習的局限，具有以下優勢。

第一，降低勞動強度。傳統的地質實習通常需要學生在野外進行長時間的體力活動，如徒步、攀爬等，對學生體能要求較高。而基于數字露頭技術，學生可以在虛擬實驗室內開展地質實習教學，降低體力消耗，使學生更專注于學習與研究。

第二，宏觀特征刻畫準確。數字露頭技術能對地質結構進行高精度的三維建模，學生可在虛擬平臺上對數字露頭進行隨意縮放，分別從宏觀和局部特征觀察研究地質特征。這種靈活的觀察方式不僅能提高教學的直觀性與全面性，還能幫助學生更好地理解地質現象的整體性與復雜性。

第三，定量化刻畫方便。借助軟件平臺提供的專業工具，學生可以方便地進行產狀的測量、面積的量算、形狀的刻畫等。這種定量化的方法不僅提高了數據的精確度，也為后續的研究與分析提供了可靠的數據支持。

第四，保障特殊地質條件下的地質實習過程中學生人身安全。在某些特殊地質條件下，如陡峭的山崖、復雜的地形或存在潛在危險的區域，傳統地質實習可能面臨較大的安全隱患。而數字露頭技術可以在虛擬環境中模擬這些危險場景，學生無需親臨現場即可進行學習和研究，從而有效保障了學生的人身安全。

因此，基于數字露頭技術的地質實習虛擬仿真教學方法，不僅是提升教學質量的有效解決方法，還能為學生提供更加便捷、安全、全面的信息平臺。

三 "基于數字露頭技術的地質實習方法

將數字露頭技術融入傳統的地質實習教學中，開創了“野外+室內”相結合的地質實習新模式。

室內預習與野外實習相結合：以傳統的野外地質觀察實習為基礎，利用先進的數字露頭技術，在學生正式進入野外實習前，增設一個室內“預習”階段。通過高清圖像和三維模型等手段，生動、直觀地展現即將在野外遇到的各種地質現象，幫助學生提前熟悉并明確重點學習內容。

問題導向的野外實習：鼓勵學生帶著在室內預習階段產生的疑問參與實地考察。實習過程中，指導教師會緊密結合前期室內學習的內容，采用“驗證式”教學法，即在現場直接驗證理論知識，引導學生通過觀察和實踐來解答疑問，加深理解和記憶。

深化學習與回顧：完成野外實習返回教室后，學生有機會從微觀細節到宏觀整體，對所見所聞的地質構造進行深入分析和多次復習。這一過程不僅彌補了傳統野外實習“一次性”體驗的不足，還有助于鞏固學習成果，培養學生的獨立思考能力和科研素養。

擴展學習資源：依托于構建的全國各區域典型數字露頭模型數據庫，為學生提供了豐富的額外學習材料。這些資源不僅能夠拓寬學生的視野，增加專業知識的廣度和深度，同時也顯著提高了地質實習的教學質量和效果。

通過上述措施，新的“野外+室內”地質實習模式不僅增強了教學互動性和實效性，也為培養高素質地質專業人才奠定了堅實的基礎。

四 "基于數字露頭技術的油氣地質實踐教學

（一） "露頭數據采集

針對通山地質實習的內容和目的，選取包含典型地質現象的野外露頭，主要包括構造、沉積、儲層、烴源巖和火山巖等地質露頭。這些露頭的選擇旨在全面覆蓋地質學中的主要研究對象，為學生提供豐富多樣的學習素材。為了確保數據的高精度和全面性，運用三維激光掃描儀（REGISTER 360）、賓得高清相機（賓得645D）、全站儀（TS02Power-5）等專業設備，開展了地質露頭的數據采集工作。這些數據不僅為地質實習提供了豐富的教學資源，還為教師提供了更多的教學手段和方法，使得地質實習的教學內容更加豐富和多樣化。

（二） "模型建立

為了全面提升通山地質實習的教學質量和科研水平，收集通山縣地質實習區域數字高程模型數據體與高清遙感影像數據，運用GIS技術構建地理三維場景，在此基礎上，基于采集的地質露頭海量數據，建立通山地質實習基地數字露頭庫。整個建模過程如下：首先基于全站儀精確的空間定位數據，使用RISCAN軟件對三維激光點云數據進行空間定位與拼接，形成完整的三維點云模型。之后運用Geomagic軟件對點云數據進行去噪處理，去除不必要的噪聲點，保留關鍵的地質特征?；谔幚砗蟮狞c云數據，建立地質露頭的三維骨架模型。最后運用貼圖大師軟件，給地質露頭三維骨架模型貼上高清紋理，賦予模型真實的紋理和顏色，使得數字露頭模型具有高精度的幾何形態與逼真的視覺效果。通過上述步驟，最終完成了通山地質實習基地的數字露頭三維模型的建立。

（三） "教學軟件研發

針對地質實習教學需求，研發了三維可視化教學軟件，結合長江大學中央地方共建空間信息工程中心的數字油田虛擬實驗室軟硬件平臺，構建了地質實習虛擬仿真教學平臺。

平臺設置了野外地質實習路線及多個途徑點，大視野能觀察地質風貌，拉近視野則觀察各種高精度巖石模型，且每個巖石與其巖性、構造、地質事件等詳細信息相關聯，巖石知識具有高度完整性，幫助學生快速建立知識體系，而非單一化、碎片化學習。

平臺構建了長江大學的地質文化長廊的三維模型，集納了中國南北方豐富多樣的地層標本。該長廊不僅展示了各種高精度巖石樣本，還通過數字化技術，為每一種巖石與其在全國各地分布的多種地貌特征建立了詳盡的索引關聯，實現了從單一巖石到多元地貌學習的跨越。學生們不僅能夠深入學習每種巖石的詳細知識，還可以將其置于全國范圍內多樣化的地貌環境中進行研究。這種學習方式有助于學生更全面地理解巖石的形成背景及其在不同地理條件下的表現，學生也可以更加直觀地掌握巖石與地貌之間的聯系，提高他們的綜合分析能力。這一創新舉措極大地豐富了地質學的教學資源，為學生提供了一個直觀、全面的學習平臺，從而加深學生對地質學原理的認識和應用，有效助力了油氣地質類教育教學水平。

（四） "虛擬仿真教學實踐

為了提升長江大學地質學專業學生的野外地質實踐教學質量，我們充分利用地質實習虛擬仿真教學平臺，采取了一系列創新的教學措施：在野外地質實習之前設置4學時室內虛擬仿真教學，室內熟悉野外地質露頭地質特征，明確野外地質實習內容和相關知識點。這種預習方式不僅提高了學生的認知水平，還為野外實習打下了堅實的基礎；利用室內虛擬仿真教學，學生帶著問題進入野外地質實踐教學環節，實習指導教師針對帶著“問題”的學生，開展驗證式教學，講解相關地質現象與知識點。這種問題導向的教學方法不僅激發了學生的學習興趣，還提高了他們的主動探究能力，使他們在實際操作中更加有針對性和目的性；配備專業機房，搭建了40臺計算機的教學實驗室，安裝了數字露頭三維可視化軟件和全國各地區典型數字露頭模型庫，這些資源為學生提供了豐富的學習材料和工具，使他們能夠在野外實習后進行反復復習和擴展學習，加深對地質知識的理解和掌握。

通過對學生調查問卷和考試考查成績的分析，學生普遍歡迎這種新的學習模式，這種現代化的學習方式使學生們對地質實習教學產生了濃厚的興趣，并且有效提高了教學效果與質量。實踐表明，數字露頭技術在地質實習虛擬仿真教學中發揮了重要作用，能夠很好地滿足教學需求，有效提升了教學質量和學生的綜合素質。這種創新的教學模式不僅為地質學專業的教學改革提供了新的思路，也為其他相關專業的教學提供了有益的借鑒。

1）室內虛擬仿真教學環節：基于長江三峽地質長廊數字模型，運用虛擬仿真教學手段，講解野外地質實踐教學過程將涉及的各類巖石類型與特征。可以展示鏡下薄片礦物組份、結構特征、孔縫發育等微觀尺度特征；也可以通過地質長廊數字模型上的巖石標本展示巖面結構、粒度、顏色等中等尺度特征；還可以鏈接跳轉到對應的野外露頭三維模型展示不同巖性地層厚度、沉積構造的宏觀發育特征。

2）野外實踐教學環節：基于室內虛擬仿真教學的基本認識和帶有的“問題”，指導教師帶領學生到野外露頭現場，充分運用榔頭、鹽酸試劑、放大鏡和羅盤等常用地質考察工具，對室內教學環節的認識進行觀察驗證，針對問題現場探討。

3）受限于實踐教學環節課時和經費，當學生返回學?？偨Y野外地質實踐教學所學的知識與撰寫實習報告時，可能會有所遺忘，可以通過教學實驗室內虛擬仿真教學平臺進行復習，或者通過從數字露頭庫中調取全國不同地區類似地質特征露頭進行擴展學習。

五 "結論

1）明確了影響油氣地質實踐教學質量的關鍵因素，如課程設置、經費限制、教學方法等；分析了數字露頭技術應用到地質實習虛擬仿真教學的優勢，如刻畫準確、勞動強度低、安全性高等。

2）提出了基于數字露頭的虛擬仿真輔助教學新方法，制定了對應的基于數字露頭的地質實習教學方案。針對長江大學地球科學學院地質實習需求進行實踐，建立了通山地質實習基地典型數字露頭，依托數字油田虛擬實驗室，搭建了地質實習虛擬仿真教學平臺，為學生提供了豐富的學習資源與互動體驗。

3）針對相關專業班級，開展了基于數字露頭的地質實習教學，為學生提供了新的學習方法，提高了學生的學習積極性，提升了教學質量。

4）借助地質實習虛擬仿真教學平臺，實現野外實習過程的“預習”、反復學習、擴展學習，提升知識掌握的深度與廣度；老師可以在有限的實習經費下，有效提高地質實習教學效果，進一步還可開展基于數字露頭庫的地質研究工作，實現科研創新。

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