资源勘查工程专业虚拟仿真实验教学建设的探索与实践

陈 思，王国芝，陈翠华，丁 枫，郎兴海，张刚阳

成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059

一、资源勘查工程专业虚拟仿真实验教学的建设背景

赵鹏大院士提出的“五强”地学创新人才的知识、能力、素质结构框架中，强调了对学生工程实践能力及工程创新能力培养的重要性[1]。而资源勘查工程专业作为地学类的一门工科专业，以现代地球科学基础理论和矿产勘查科学理论等理论基础为指导，运用现代技术方法对矿产资源进行勘查和开发，对学生的工程实践和工程创新能力的培养尤为重要[2-3]。

目前全国开设资源勘查专业的高校有50余所，综合整理国内多所院校资源勘查工程专业本科生培养计划，本科大学生课程体系基本划分为通修通识课程、学科基础课程、专业课程、资源调查实习、生产实习、毕业实习和综合课程设计。虽然设置的集中实践环节及课堂实验可以在很大程度上培养学生的实践动手能力，让学生了解和掌握勘查相关的技术方法，但总体来看，各高校在工程实践的系统性、全面性以及衔接性上还存在一定的不足。

资源勘查工程专业作为成都理工大学传统优势专业之一，始建于1956年，前身是石油勘探及找矿专业，1998年正式更名为资源勘查工程专业，2008年和2011年先后获批为“国家级特色专业”和教育部“卓越工程师教育培养计划”专业[4]，2017年通过了工程教育专业认证。在构建资源勘查工程专业实验教学体系中，我校目前通过课程实验教学、峨眉地质认识实习、马角坝地质填图实习、生产实习、毕业实习5个实践环节去强化学生的实践动手能力[5]，而对于一些高成本、高风险、高投入和周期长的大型综合性工程实践[6-9]，比如数百平方公里范围的物（化）探、放射性矿床的采样编录等野外实践工作，传统的实验项目及野外实践难以实现，虚拟仿真实验为解决这一难题提供了可行途径。2015年，成都理工大学成立了省级“地质矿产资源三维立体勘探开发虚拟仿真实验教学中心”，正式开展虚拟仿真实验教学建设。

二、资源勘查工程专业虚拟仿真实验教学体系构建的基本思路

虚拟仿真实验教学中心建设工作应以“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”为指导思想[8，10]，注重“基础性、系统性和层次性”的虚拟仿真实验教学体系构建，设计具有“一流、特色、精品”的虚拟教学实验项目[11-12]。

就资源勘查工程专业而言，其虚拟仿真实验教学体系建设应首要注重其专业特色的全面性、系统性和衔接性。由于资源勘查工作时间周期较长，从前期的寻找矿产到中期的评价矿产，再到后期的开发矿产，一般需要经历数十年的时间；研究内容知识面广，涉及多门学科交叉综合应用，主要包括基础地质研究、矿床地质研究、水工环地质研究、矿石选冶性能研究、矿床经济评价研究等工作内容；研究对象的空间尺度跨度大，可由公里级（区域尺度）到米级（矿区尺度），进而到微米—纳米级（矿物尺度）。因此，虚拟仿真实验教学虽是课堂教学和集中实践环节的重要补充，一方面要与传统实验、实践课程进行有效衔接，弥补传统实验难以实现的实践环节，做到“虚实互补”；另一方面，实验项目内容的设计应围绕“专业课程”体系展开，注重全面性和系统性（表1）。我校根据资源勘查工程专业的课程知识体系及培养目标，重点围绕区域找矿远景分析→矿区勘查→矿山开发利用这三个实验平台开展虚拟仿真实验教学实验项目建设（图1）。

表1 资源勘查工程专业课程体系[4]

找矿远景分析平台主要包含区域地质（矿产）调查、化探、物探等实验项目内容，其主要目的是通过一系列区域找矿方法手段的应用实习，使学生掌握各种手段在野外应用的技术流程，学会综合分析实验中获得的地物化遥相关数据，进行半定量—定量成矿预测，圈定找矿靶区。

图1 资源勘查工程专业虚拟仿真实验项目建设总体框架

矿区尺度勘查平台主要包含勘探类型的确定、勘查工程设计、探矿工程取样与地质编录、矿体的圈定等实验项目内容，其主要目的是使学生学会合理部署勘查工程，获取工程揭露矿体信息，确（圈）定矿体。

矿山开发利用平台主要包含矿山三维建模、资源储量计算、典型的地下开采和露天开采方法、选矿方法等实验项目内容。其主要目的是使学生熟悉矿山开发的基本布局、开采工程和设备、矿山开采及选冶基本流程等，学会如何对矿产资源进行定量经济评价，并制定优化的开发利用方案。

将资源勘查工作的基本理论与技术方法融入实验平台各项实验项目中，实习内容由“如何寻找矿产资源”“如何确定及圈定矿体”“如何开发矿产资源”层层递进，使学生对矿产资源勘查工作的阶段性、层次性有一个系统全面的掌握。

三、虚拟仿真实验项目建设的技术应用

目前国内外高校虚拟仿真实验教学采用的信息技术主要包括：多媒体技术、可视化技术、仿真技术、虚拟现实技术、虚拟仿真技术、增强现实技术、虚拟世界、3D打印技术、人机交互技术、遥现技术[13]。

我校虚拟仿真中心以教学实用需求为原则，对各项技术应用效果以及实验项目的建设周期进行了考察论证，目前主要采用了虚拟仿真、可视化等应用较为广泛的相关技术（表2）。

可视化、虚拟仿真和人机交互技术主要是应用于大型野外综合实践虚拟仿真教学中，解决大型工程野外实践周期长、成本高、风险高等问题。利用3DMAX、Surpac、3DMine、DIMINE等三维建模软件制作野外场景，建立地表地下三维地质模型，通过Unity 3D等三维引擎进入虚拟场景，可利用虚拟头盔、操控手柄等VR设备，在虚拟实验室设定的场景里进行实验操作，实验项目包括：野外地质填图、物化探、探矿工程取样及编录（附图1）、矿体圈定、资源储量计算等。通过这一系列实验，帮助学生建立矿产资源勘查方法和理论的系统性认识，了解矿产勘查整个周期所涵盖的各项工作内容及相关衔接性，掌握各项工作操作方法和流程。

表2 虚拟仿真实验教学主要信息技术

多媒体、遥现技术主要是应用于专业基础理论课程的虚拟仿真教学中，学生可以远程网络的方式进行课前预习和课后复习，通过制作精品课程视频、电子课件，利用Qt Creator等软件开发“显微镜下矿物岩石鉴定仿真实验”等实验项目（附图2），帮助学生进一步巩固专业理论知识。

四、虚拟仿真实验管理信息化平台的建设

虚拟仿真实验教学是实践国家教育信息化的重要手段之一，虚拟仿真实验管理信息化平台的建设是虚拟仿真实验教学运行的重要保障。我校依托于校园网络建立了虚拟仿真实验教学中心远程网络信息管理平台，开启虚拟仿真实验中心的信息服务、实验项目管理和实验教学信息化管理等管理功能，通过设置管理员、教师、学生、游客多方账号不同权限，实现实验教学资源管理、实验教学过程管理和实验成果展示、信息共享等目的（图2）。

图2 虚拟仿真实验管理信息化平台框架示意图

五、今后探索的方向

1.虚拟仿真实验教学体系的探索

虚拟仿真实验教学属于实验教学体系的其中一个分支，其首要的目标任务就是在现有条件下不便或无法进行实地（体）实验时，能够“以虚补实”，填补或完善该专业（或课程）实验教学体系的空白（或不足）。但作为一类以虚拟仿真技术为主要手段开发设计的实验教学项目，它应有相对独立和系统的课程实验体系，比如我校“地质矿产资源三维立体勘探开发虚拟仿真实验教学中心”正在建设的“找矿远景分析平台－矿区尺度勘查平台－矿山开发利用平台”，力求较为系统地概括目前资源勘查工程专业课程体系所涉及的各类工程实践环节，随着学科建设的不断深化、专业课程体系的不断修订、专业技术理论的不断更新，以及当前技术领域的不断拓宽，虚拟仿真实验教学体系都需要与时俱进进行相应的调整、补充与完善。

2.虚拟仿真技术应用的探索

目前国内各高校建设虚拟仿真实验项目应用较多的还是多媒体、遥现、可视化、虚拟仿真和人机交互技术，其主要原因还是基于这些技术的应用普及性及开发周期可行性。对于同一课程内容的实验项目来说，应用不同的技术开发，其开发成本及周期不同，呈现的效果也大不相同。比如“坑道地质编录实验”，用PPT 、视频这类多媒体技术制作出的电子课件，可以较好地通过图像或解说来展示坑道地质编录的原理方法、技术要求及编录流程，使用者的学习方式主要以理解记忆为主；而利用虚拟仿真技术及VR等交互技术开发的虚拟互动实验，可以让使用者置身虚拟场景中，根据提示环节，按步骤流程进行规范操作，加强了使用者的动手能力，并通过“切身实践”强化了记忆。显而易见，这两类技术开发出来的实验项目，就用户的体验效果来说，后者展示出的沉浸、逼真效果，以及实验各环节步骤中的人机互动易使使用者对实验过程印象更加深刻，能更好地掌握知识点。但从实验项目开发周期及开发技术难度这个角度来考虑，多媒体技术更易实现。

随着虚拟仿真技术研究的不断深入，新兴技术的涌现及研发周期的缩短，将会有更多不同体验效果的虚拟仿真项目出现，开发设计一个课程实验项目可采用的技术可能会有多种选择或组合。而课程实验项目采用哪些技术方法来开发设计，需要根据实验预期目的、教学效果以及当前技术开发能力等因素综合考虑，但实验内容和教学效果应该是首要考虑的。

3.虚拟仿真实验管理体系的探索

基于虚拟仿真技术本身的专业性及各类学科建设需求的多样性，目前大多数院校都是根据自身专业特色，在校（院）建立一个“虚拟仿真实验教学中心”实体机构，中心骨干人员主要由学校和学院主管实验教学的管理人员及专业教师兼任。这样的管理组织构成相对简单，执行力强，且专业教师比例较高，可保证在相对较短的时间内，实验项目及硬件设施建设的高效性，适合虚拟仿真中心建设的初期阶段，其建设的主要目标在于实验教学资源的建设。

但作为实验教学的一个分支，虚拟仿真实验教学中心的前期基础建设完成后，从虚拟仿真中心建设的中（远）期总体规划、实验教学资源建设、实验教学团队建设、保障激励机制建设、开放共享建设、实验教学过程质量监督与评价机制建设等各个环节，都必须纳入学校的实验教学管理体系中，与学校总体规划与管理完好衔接。

因此，虚拟仿真实验管理体系的建设，应做好可持续发展的长远规划，使虚拟仿真实验教学中心在管理运行中，其管理制度的制定与完善、管理模式的创新、实验教学人才的引进和稳固、教学资源的更新完善、教学质量的监督管理等各环节相互促进，日臻完善。

六、结束语

自2013年，教育部提出建立具有中国特色的教育信息化体系，并启动国家级虚拟仿真实验教学中心的审批建设工作[14],迄今已有100所院校被遴选为国家级虚拟仿真实验教学中心，其中，包括南京大学“地球系统科学虚拟仿真实验教学中心”、东北大学“金属矿山岩石力学与安全开采虚拟仿真教学实验中心” 、重庆大学“矿山开采与安全虚拟仿真实验教学中心”等多所与地质矿产专业相关的院校。我校的“地质矿产资源三维立体勘探开发虚拟仿真实验教学中心”旨在以培养学生的工程设计、工程实践和工程创新能力为主要目标[15]，在为学生提供实习教学资源这一主要功能的同时，学生还依托虚拟仿真中心建设平台，完成了多项国家级、省级大学生创新创业项目，发表了数篇科技期刊论文，取得了较好的效果。目前，我校虚拟仿真实验中心已完成了软硬件基础设施的初步建设，但在教学资源的创新、管理体系的完善、仿真新兴技术的应用、人才队伍的巩固、对外共享平台的运行等很多方面仍需进一步探索，加强与虚拟仿真建设有关的高校及公司企业之间的交流合作，吸取新观念、了解新技术、借鉴新模式，积极推进教育信息化建设。

附图1 探槽工程布设及编录采样虚拟仿真实验

附图2 显微镜下矿物岩石鉴定仿真实验