地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心建设的探索与实践

刘 财, 杜晓娟, 高淑贞, 潘保芝, 陆继龙, 郭 巍, 陈 晨，陈祖斌，肖长来

(吉林大学 地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心，吉林 长春 130021)

在《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》[1]、《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》[2]和教育部“关于组织开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知”[3]精神指导下，吉林大学依托应用地球物理国家级实验教学示范中心，集中地质、地球物理、地质仪器与钻探仪器、水文与水资源、计算机技术等优势资源，搭建了地质资源立体探测虚拟仿真实验教学平台。借鉴国内外虚拟仿真实验室和实验教学项目建设的经验[4-8]，设计和建设了基础训练平台项目、综合训练平台项目与创新训练实践教学平台项目，经过建设被教育部批准成立国家级地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心(下称中心)。

1 地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心建设意义

地质资源是国家战略资源，石油、天然气被称为工业的血液，金属及非金属固体矿产是工业的粮食，水是生命之源、生产之要、生态之基。资源的开发与利用以资源探测为手段，以查明储量为前提。

地质资源立体探测就是对于同一地区或同一种资源(固体矿产或油气等)分别在空中、地面、地下进行探测，取得信息，为进一步解释研究和资源开发奠定基础，如图1所示。

图1 地质资源立体探测示意图

空中探测是通过遥感遥测、航空探测等技术手段，获取距离地面不同高度的探测数据(信息)；地面探测是在地球表面应用地质勘探、地球物理勘探、地球化学勘探、水文地质与工程地质勘探等技术手段，获取地面探测信息；地下探测是应用钻机获取地下岩芯资料，应用地球物理测井技术获得地球内部一定深度的地球物理信息。对空中、地面和地下探测信息的综合研究，可以建立探测区地质、地球物理、地球化学等综合解释“标尺”，刻画探测区地下物质组成和结构，揭示构造背景及成矿动力学过程，研究成矿规律，建立成矿模型，开展成矿预测和资源潜力评价，拓展资源勘查空间等。实现上述目标，获取空中、地面和地下探测信息是关键问题。该问题也是地质资源探测类学生能力培养的重要方面，因此需要对学生进行地质资源立体探测技术的综合训练。

然而，赋存于地下、具有巨大历史跨度的地质资源形成过程看不见、摸不着，在实验室环境中难以再现，而复杂的地质作用和矿产赋存状态在真实实验实习中也无法重复。同时野外探测仪器、钻探装备结构复杂、价格昂贵、操作难度较大，有的还具有一定危险性。地质资源立体探测真实实验环境具有时间和空间的局限性。

为了克服上述局限性，建设虚拟仿真实验项目，研究探测方法本身具备虚拟仿真特性，应用计算机虚拟仿真和网络技术，虚拟地下条件变化，通过数值模拟、人机交互操作和仿真仪器、装备及其探测过程，获取空中、地面与地下信息，使学生对看不见、摸不着的资源赋存状态及其地球物理响应产生直观认识，完善地质资源探测技术实验与实践体系，实现地质资源立体探测。

地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心建设，为地质资源探测类科学研究方法的扩展和本科生实验教学手段与教学方法的创新创造了有利条件，虚拟仿真实验项目的建设与应用，对于改变实验教学模式、激发学生研究兴趣、培养学生创新意识与创新能力都具有非常重要的意义。

2 地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心建设思路与目标

中心的建设理念是实现“野外现场室内微型化、物理定理定律可视化、数值算法过程动态化、虚拟仿真实验网络化”。在建设过程中以实践教学大纲为依据，以地质资源立体探测人才实践能力、创新意识和综合素质提高为目标，以虚拟仿真实验教学资源建设和平台建设为重点，发挥学科专业全、技术方法全、训练层次全、师资队伍强的优势，坚持科研成果转化机制，用高水平科研成果丰富虚拟仿真实验教学内容，真实实验与虚拟实验相互补充，完善实践教学体系。通过现代化信息手段和探测区域资源库建设，实现实验教学资源与虚拟仿真实验的开放和共享。

中心在基础训练、综合训练和创新训练3个平台上开展虚拟仿真实验教学，面向地质类、水利类、仪器类、测绘类、地理科学类、环境科学与工程类、地质学类、地球物理学类等12个专业，建设30个基础训练和综合训练虚拟仿真实验项目，建设探测区域基础数据库，形成系统化、分层次的实验教学体系，实现实验教学资源的优化配置和集成共享。专业分布如图2所示。

图2 虚拟仿真实验教学中心面向专业一览

中心按照科学规划、虚实结合、资源共享、持续发展的建设思路，通过虚拟仿真实验，实现学科交叉融合、培养学生地质资源立体探测的专业视野及综合分析能力。强化实验技能训练，提高实践能力和创新能力，提升专业综合素养[9]。建成具有示范、引领作用的地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心。

3 虚拟仿真实验教学项目体系

虚拟仿真实验教学项目建设是中心的重点任务之一。中心按照基础训练平台、综合训练平台和创新训练平台，提升、完善和建设虚拟仿真实验教学项目。同时选择具有良好科学研究与教学建设基础的探测区，建设综合教学资源库，支撑上述3个平台项目建设，以实现地质资源立体探测综合训练目标。教学项目总体框架如图3所示。

图3 虚拟仿真教学项目总体框架

3.1 基础训练平台实验教学项目

本平台项目依据实验教学大纲，针对真实实验中实验仪器、实验环境和实验材料等方面的局限性，开发虚拟仿真实验教学项目，实现可视化、人机交互和网络化。完善实验教学体系，实现实验教学大纲要求的效果。项目类别与结构如图4所示。

图4 基础训练平台虚拟仿真项目框架

3.2 综合训练平台实验教学项目

本平台项目依据实习教学大纲，针对野外实习过程中地下情况看不见、摸不着，仪器、装备价格昂贵，不适宜学生实际操作，达不到实习效果等方面的局限性，开发虚拟仿真实习教学项目，针对探测仪器与装备、探测环境、探测目标等进行虚拟仿真，实现可视化、人机交互和网络化，使学生在虚拟环境中完成地质资源探测的实际训练，提高学生的实践能力和工程素质。训练项目如图5所示。

图5 综合训练平台虚拟仿真项目一览

3.3 创新训练平台实验教学项目

创新实验是学生个人或学生小组在基础实验和综合实验以及其他实践活动的基础上，自主选择实验项目、在教师的指导下，进行研究性学习，自主进行实验方法设计，对实验结果进行总结分析，写出研究报告及发表研究论文的过程。中心的虚拟仿真实验教学资源，可以支撑地质资源立体探测相关专业学生的创新研究项目，包括基础性研究项目、综合性研究项目和设计性研究项目，使学生利用探测区地质资料、物化遥数据、钻探数据，构建地下地质体模型，进行地质资源立体探测的有效方法选择、工作流程设计方案验证等综合训练；也可为学生提供探测区域地质综合资料，辅助开展相关地质资源探测问题研究。

3.4 探测区综合教学资源库建设项目

中心在辽宁兴城吉林大学实践教学基地、大庆油田和长春周边实习教学基地区域内，分别选择地质学研究程度高，矿产地质、油气地质和水文与工程地质条件好的区域，作为探测区。在各探测区建设综合数据库，包括地形、地貌、地层、构造、岩石、矿产、岩石力学、岩石物性、岩石成分、水、遥感、气象等模块，同时建设探测仪器数据库，构建探测仪器的信息感知、数据采集以及数据预处理等功能的理论模型，建立地下信息属性探测与仪器参数之间的耦合关系，实现虚拟实验所需的相关操作功能。探测方法原理数据库，为学生提供了地质资源立体探测的探测方法、原理和数值模拟算法等内容。该数据库是基础训练模块、综合训练模块和创新训练模块的支撑，也为学生自主设计和完成实验提供条件和环境。

4 地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心的师资队伍建设

中心重视教师队伍建设及其可持续发展，坚持专业理论教师和虚拟仿真技术研发教师并重，专职与兼职教师结合，校内与校外教师互补的原则，构建了一支科研教学水平高、技术研发能力强、教学经验丰富的师资队伍。队伍结构合理，青年教师和实验技术人员加入到虚拟仿真实验教学项目建设队伍中来，更有利于中心的建设与可持续发展。目前，中心校内教师规模123 人，其中具有正高职称人员59人，占全部师资队伍的48.0%，具有副高职称22人，占全部师资队伍的17.9%，中级职称38 人，占全部师资队伍的30.1%。99 人具有博士学位，占全部师资队伍的80.5%，教师组成结构如图6所示。中心教师尤其是青年教师已经具备虚拟仿真项目研发的基础能力，有多项开发的虚拟仿真项目用于本科生实验与实习教学中。

图6 中心教师组成结构图

应特别赞许的是中心与本校计算机教学中心在师资队伍建设等方面的良好合作。吉林大学计算机教学实验中心是省级实验教学示范中心，计算机教学中心教师和实验技术人员为本中心项目建设与网络建设提供技术支撑。计算机教学中心教师在软件工程与软件自动化、分布式系统、计算机图形学、计算机网络、计算机智能等研究方向取得了国内外公认的成果，在虚拟仿真实验项目建设方面具有较强的研究能力，取得的高层次仿真项目成果得到认可。计算机技术与地质资源立体探测技术交叉融合，已经成为新的研究方向和学科生长点，两个方向已经联合培养本科生和博士研究生，并交换博士后研究人员。

5 虚拟仿真实验教学中心的特色与创新

地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心在建设过程中不断研究与创新，形成了自己的特色。

(1) 多学科多方法集成，实现地质资源立体探测实践教学体系。地质资源立体探测涉及到多个学科，如地质资源与地质工程、测绘科学与技术、环境科学与工程、水利工程、计算机科学技术等，分散在不同学科和不同实验教学中心中，彼此关联度不足。中心以虚拟仿真实验项目为牵引，集成多学科、多方法的优势，共同建设虚拟仿真实验项目和实验教学资源，在实践教学层次上实现了多学科、多方法的综合。

(2) 实践项目体现大地质工程特点，实现方法、仪器、探测目标一体化。中心虚拟仿真实验教学项目和实验教学资源的建设，体现了大地质工程的特点，即以地质任务为目标，集中多学科、方法、技术与仪器，分别获取空中、地面、地下综合信息，有利于学生综合能力和工程意识的培养。克服了传统实习过程中仪器、方法和目标脱节的弊端。在实践教学层次上实现了方法、仪器、探测目标一体化。

(3) 为学生在大学阶段知识与能力转化搭建了平台。学生在大学阶段不仅学习科学知识和专业知识，更重要的是提高能力，提升素质[10]。实践训练是学生专业能力提高与专业素质提升的重要环节。中心虚拟仿真实验教学项目和实验教学资源的建设，为学生搭建了平台。学生根据中心教学资源库提供的真实数据和资料，在虚拟仿真环境中，学生根据学到的探测方法和仪器，自主完成测区设计，取得探测结果，在学校阶段运用典型探测区实际资料，自主完成实践训练项目，将所学知识转化为解决科研和生产实际问题能力，培养了创新意识和创新能力[11-12]。

6 地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心的开放与共享计划

(1) 加强信息化建设。提升虚拟仿真实验教学中心信息化建设水平，建立资源共享的网络技术交流平台，进一步加强与校内、校外、高校、科研院所和开发企业在系统研发和软件制作等方面合作共享。进行教学资源动态管理，达到网络化教学资源高效快捷应用。

(2) 完善共建共享机制。以机制创新促进虚拟仿真实验教学中心的可持续发展，进一步创新虚拟教学资源的共建机制，采用引导性投入，吸引地质资源相关企业和单位投入虚拟仿真教学资源建设，共同开展虚拟教学资源的开放和应用推广。

(3) 深化校企合作。以虚拟仿真实验教学资源建设为牵引，扩大与合作企业合作的深度和广度，包括共建可视化实验室、合作建设地质资源立体探测可视化实验课程和教材、扩展“双导师制”培养本科生的范围等。完善与合作企业的共建、共管、共用的实验资源建设与共享机制。建立起校企合作“互利互惠”的激励机制，推进校企合作可持续发展。

[1] 中华人民共和国教育部. 教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见[Z].2012.

[2] 中华人民共和国教育部. 教育信息化十年发展规划(2011—2020年)[Z].2012.

[3] 教育部高教司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知：教育部高教司函：[2013]94号[Z].2013.

[4] 石松泉，沈红，梁伟，等.虚实结合的电工电子实验教学体系的设计[J].实验技术与管理，2008，25(8)：184-186.

[5] 蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2011,28(8)：76-78.

[6] 许家瑞，周勤，陈步云，等，构建创新实验教学体系的探索与实践[J].实验技术与管理，2009,26(5)：1-4。

[7] 许秀云，张玉梁. 依托现代信息技术提高实验教学质量[J].实验室研究与探索，2011，30( 5) ：130-132.

[8] 吴海燕，虚拟技术在工业工程实验中的应用设想[J].实验技术与管理，2002,19(3)：43-45，49。

[9] 冯端. 实验室是培养创新人才的摇篮:从卡文迪什实验室看实验室的作用[J].实验室研究与探索，2008，27(10)：1-3，5.

[10] 胡轩魁，吴艳，薛梅.更新人才培养观念创新人才培养模式:5所高校创新型人才培养模式的实践与探索摘编[J].中国地质教育，2010(2):26-31.

[11] 郑秀华，刘莎，吕建国，等. 浅谈国际型人才培养—参加欧盟Erasmus Mundus 国际合作项目的一点体会[J].中国地质教育，2010(1):116-120.

[12] 齐建国，张文桂. 建设一流实验室的思考[J]. 实验室研究与探索，2006，25(6):706-709.