水系沉積物地球化學測量及信息提取虛擬仿真實驗探索

摘要 水系沉積物地球化學測量是開展戰略性礦產定位預測的重要技術手段，其實際工作過程具有危險性大、工作周期長、成本高等特點，學生難以在野外真實場景進行實驗。水系沉積物地球化學測量及信息提取虛擬仿真實驗教學系統建立了“實習區概況”“采樣方法原理”“野外樣品采集”“室內樣品分析與數據處理”“信息提取”等從室內到室外的實際工程場景，實現了水系沉積物地球化學測量從野外樣品采集到室內綜合研究的全場景、全過程再現，實驗完成后系統自動評分并實時反饋，教學效果良好，今后將進一步優化實驗教學內容，擴大共享范圍。

關鍵詞 虛擬仿真；實驗教學；水系沉積物

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.07.002

實驗教學是大學教育體系中實踐性教學的一種組織形式，是高校培養學生創新與實踐能力的直接手段，包括傳統實驗教學模式和虛擬仿真實驗教學模式[1]。近年來，隨著虛擬仿真技術的快速發展，其憑借低成本、高效、交互性、沉浸性、安全性等優勢在高等教育領域的應用日益廣泛，許多高校利用虛擬仿真技術開發的實驗教學項目逐步運用到實驗課程教學中，實現真實場景中難以完成或具有危險性的教學實驗[2-4]，與傳統實驗教學之間形成良好互補，節省了大量時間、人力和物質資源，有效促進了高校教學模式的轉變[5-8]。自2019 年教育部發布《關于一流本科課程建設的實施意見》以來[9]，虛擬仿真實驗教學項目作為虛擬仿真類課程納入一流本科課程建設，截至目前，國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺上線了2684 個虛擬仿真實驗項目，有效實現了優質教育資源的共享。

礦產資源是人類社會生存和進步的核心物質基礎，是經濟社會發展的重要支撐[10]。關鍵礦產的勘查、開發是維護國家能源安全和經濟安全的重要保障[11]。水系沉積物地球化學測量是對水系中的沉積物進行系統的采樣分析，以發現與礦化有關的次生異常，進而追索原生礦體的一種找礦方法[12]。其找礦效率高，是開展戰略性礦產定位預測的重要技術手段，也是地學類專業學生的必修課程教學內容。但由于該實驗（實踐）工作環境具危險性（尤其是高海拔、深切割地區）、野外工作周期長（通常需要數十天）、采樣數量也較多（通常達幾千件）、分析化驗費用成本高等特點，客觀上制約了在野外真實場景開展實驗（實踐）教學的可行性。因此，該實驗內容的學習，大多是通過課堂講解或播放視頻來完成，導致學生理論和實踐脫節，對所學知識缺乏感性認知，創新能力得不到很好的培養和提升，難以滿足國家對戰略性礦產勘查評價人才的需求。

成都理工大學是以地質、資源、環境為優勢的國家“雙一流”建設高校，為深入貫徹能源資源安全觀和實踐育人理念，面向“找礦突破戰略行動”等國家重大戰略的人才需求，緊扣地球科學時空尺度大、綜合性強、環境復雜的特點，設計開發了“水系沉積物地球化學測量及信息提取”虛擬仿真實驗教學系統，將其作為實驗教學的有效手段，旨在提升學生學習積極性，增強其實踐操作能力，在知識技能運用過程中，促進學生個性化思維的發展，培養學生解決高海拔、深切割地區水系沉積物地球化學測量的設計、實施、評價等復雜工程問題的能力，構建更加完整的礦產勘查地質學知識體系，最終達到優化教學效果的目的。

1 虛擬仿真實驗平臺設計

本實驗系統采用B/S 架構，該架構可通過服務器升級完成版本的更新，用戶只需訪問互聯網，即可查看本系統的客戶端，十分便捷。系統依托開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺運行，數據接口可在兩者之間無縫對接，用戶通過互聯網進入平臺即可進行實驗，并通過平臺系統的智能評分、自動批改等服務功能完成實驗考核成績評定。

本實驗教學系統分為五層進行構建，分別為數據層、支撐層、仿真層、通用服務層和應用層（圖1）。數據層主要存放虛擬實驗的課程庫、典型實驗庫、標準答案庫、實驗數據以及用戶信息等實驗所需的基礎元件；支撐層設置了服務器監控、域管理、數據傳輸與存儲、安全子系統等功能子系統，其主要職責是負責整個實驗系統的運行、維護和管理；仿真層主要針對實驗中的人物、器材及實驗場景提供實驗所需的仿真器，并為通用服務層提供實驗結果數據的格式化輸出；通用服務層主要包括實驗教務管理、實驗教學管理、理論知識學習、實驗資源管理、智能指導、實驗結果自動批改、實驗報告管理、教學效果評價、實時交流與協同等虛擬實驗教學環境所需的一些通用支持組件，同時提供相應的集成接口工具，以便第三方虛擬實驗軟件可被集成于平臺進入統一管理；應用層是在前述四層建設完成的基礎上實現本實驗的教學應用和開放共享，實驗教師可根據教學需要，利用服務層提供的各種工具和仿真層提供的仿真模型進行典型實驗場景和教學環節設計，開展實驗教學。

本實驗系統涉及的三維模型及其場景的制作、交互及發布主要基于當前主流的虛擬仿真軟件及計算機技術實現。其中，三維模型數據來自現場拍照采集和3DsMax 創建，并統一存儲。仿真支持平臺采用基于.NET 框架的結構形式和Microsoft.NET 運行庫。3D 場景瀏覽、交互及功能發布采用Unity3D 技術，系統前臺頁面展示部分采用HTML、CSS 相結合的形式，并借助Unity Web Player Plugin插件實現瀏覽器中的3D 場景展示與交互，3D 虛擬場景與頁面通信采用Javascript 編輯腳本實現。

2 虛擬仿真實驗建設內容

水系沉積物地球化學測量及信息提取虛擬仿真實驗教學系統主要包括“實習區概況”“采樣方法原理”“野外樣品采集”“室內樣品分析與數據處理”“信息提取”“考核評價”六大教學模塊，實現了對高海拔、深切割地區水系沉積物地球化學測量設計、野外樣品采樣、室內樣品分析測試、樣品分析數據處理、成礦預測與評價等室內設計→野外采樣→室內綜合研究的“全鏈條”“全場景”實際工程過程的高度模擬，解決了學生對實際工程問題“碎片化”理解的問題，提高了學生解決復雜工程問題的能力。

模塊一：實習區概況。包括交通位置、自然地理條件以及地質概況，用戶可以通過三維沙盤仿真模型，通過俯視觀察研究區概況，了解實習區的交通位置、自然地理條件、地層、構造、巖漿巖和礦體分布等特征。

模塊二：采樣方法原理。包括勘查地球化學的原理、地球化學找礦的主要方法以及水系沉積物測量的適用條件等，用戶通過自主學習掌握相關基礎知識點。

模塊三：野外樣品采集。模擬了室內采樣點布設、樣品編號和野外采樣裝備（羅盤、放大鏡、鐵鏟、樣品袋、記錄卡和標記罐等）以及野外實際工程場景，用戶以虛擬工作者的身份使用野外采樣裝備前往虛擬工程場景中，完成指定采樣點的樣品采集。

模塊四：室內樣品分析與數據處理。室內樣品分析主要包括由樣品烘干、混勻、細碎、縮分裝樣、溶解樣品及液體分析等6 個要素組成的樣品分析流程，通過各個環節所需實驗工具生動地展示了整個處理流程。數據處理主要要素包括描述統計、直方圖、多元統計分析（相關分析、聚類分析、因子分析）以及異常下限計算（傳統法、EDA 法、含量―面積分形法），通過數據處理軟件對實驗室樣品分析所得數據進行處理。

模塊五：信息提取。主要包括單元素異常提取、綜合元素異常提取以及異常評價，實驗在虛擬的三維沙盤模型上動畫演示異常圖繪制過程，以及如何圈定綜合異常，對異常信息進行評價。

模塊六：考核評價。實驗過程中共設計了15 道考核題，分布在上述五個教學模塊中，其考核評分邏輯是每一道題設有1 個正確答案和多個錯誤答案，每選擇一次錯誤答案會扣分，直至選對為止，教師可以從學生選擇答案的錯誤頻率以及錯誤選項內容判斷學生的真實掌握情況。

3 虛擬仿真實驗教學實施過程

本虛擬仿真實驗教學采用線上為主、線下為輔的方式進行。線下主要由授課教師在實驗課堂引導學生進行實驗內容的預習以及實驗操作指南的模擬練習。學生在基本掌握實驗內容及線上實驗操作流程后，在線上完成實驗。整個實驗過程中，學生可隨時通過實驗系統提供的實驗操作手冊、PPT 課件、實驗項目簡介視頻、實驗項目操作引導視頻等教學資源進行學習。在實驗過程中及實驗完成后，如果遇到疑問，可隨時在線尋求授課教師解答。授課教師在線上進行集中教學管理、資源管理、考核管理和線上答疑。實驗教學過程中，授課教師還可隨時通過線上提問等互動方式激發學生的學習能動性，對實驗的相關知識點進行拓展延伸學習，充分發掘學生的創新潛能，提高其解決實際工程問題的能力。實驗中的測驗考核主要側重于學生對實驗相關知識點及實驗操作流程的掌握程度，以賦值評分的方式計入考核，最終匯總作為實驗總成績。授課教師可根據各考題得分情況及最終評分結果掌握學生的學習效果，總結教學經驗，持續改進。

4 虛擬仿真實驗教學的特色

4.1 實驗設計特色

①科研成果轉化為教學內容。將團隊成員參與的國家重大項目的科研成果轉化為教學案例，重新構建教學內容，實現對水系沉積物地球化學測量室內設計→野外采樣→室內綜合研究的“全鏈條”“全場景”實際工程過程的高度模擬，解決了學生對實際工程問題的“碎片化”理解問題，加深了其對相關基礎知識和基本理論方法的系統性掌握。②虛擬仿真與數據處理技術的融合。實驗不局限于針對操作流程的模擬，還將三維仿真與數據處理及信息提取相融合，實現數據處理過程及結果在三維場景中的呈現，多方案的數據處理過程體現了實驗內容的高階性和挑戰度。③完善地質學類實驗教學體系。水系沉積物地球化學測量是地質學類相關專業學生必修的教學內容，但實際工程場景中開展該實驗存在高危險、長周期、高成本等問題，而國內目前暫無該類型的虛擬仿真實驗教學資源，本實驗項目可有效完善地質學類實驗教學體系。

4.2 教學方法特色

本實驗項目基于“以學生為中心”的原則，模擬了水系沉積物采樣設計、野外樣品采集、室內數據分析、數據處理以及信息提取等“全場景”工程環境，開發了多元化的“工程項目式”實驗模塊，由學生來主導實驗過程，完成實驗任務，有效激發學生學習的主動性，提升其解決復雜工程問題的能力，實現教學方式從傳統的驗證型實驗向探索型實驗的轉變。

4.3 評價體系特色

細化考核點，注重過程考核，強化持續改進。實驗項目設計了詳盡的實驗考核要求和評分標準，在一些重要的交互式操作之前，會有相關知識點介紹，操作步驟完成之后還會針對性對相關知識點進行考核，對學生經常忽略的知識盲點進行查漏補缺；如果問題回答錯誤，學生可以返回上一步再次進行操作和答題，提高學生發現問題、解決問題的能力。該實驗系統能夠對學生的實驗情況進行全過程記錄，系統根據學生答題情況自動評分，并將數據反饋給教師，教師可隨時進行在線指導，反饋數據也能為實驗內容的完善和教學改進提供參考。

5 結語

水系沉積物地球化學測量及信息提取虛擬仿真教學實驗改變了傳統教學模式，讓學生通過高度交互、沉浸體驗的方式，身臨其境地去探索水系沉積物地球化學測量的室內設計、野外樣品采樣、室內綜合研究的“項目式”全鏈條實際工程過程。虛擬仿真教學讓學生由被動學習變成主動探索，實現了基礎理論知識和基本技能的生動呈現，學生可以突破時空限制自主學習并得到教師的及時反饋。該虛擬仿真實驗教學系統自投入使用以來，取得了較好的教學效果，今后課程組將根據校內外用戶的使用效果和反饋意見，持續優化教學內容，改進教學方法，吸納行業內高校教師和企業專家共建虛擬教研室，擴大共享范圍。

*通信作者：陳思

基金項目：教育部產教融合協同育人項目“新工科背景下礦產勘查課程教學改革與實踐研究”（230803579284828）；四川省高等學校創新性實驗項目“水系沉積物地球化學測量及信息提取”；成都理工大學教學改革項目“西南地區資源勘查工程專業虛擬教研室的建設與實踐”（JG2130001）。

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