三维地层认知虚拟仿真实验系统开发

李 斌，付敬帅，张小娟，孙世刚，苏生瑞，李 鹏

（长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054）

高等学校的实验室肩负产学研任务，是重要的教学活动、科学研究基地[1-2]，在相对薄弱的本科实践教学环节上具有不可替代的作用[3]。虚拟仿真实验教学无疑是推进现代信息技术与教育教学深度融合、促进高等教育内涵式发展的重要举措[4]，事实上，也代表着中国高等教育实验教学发展的重要方向。网络环境下在线学习的实验教学新方式，不只为学生开展探究式自主实验、共享式学习和能动创新性实践提供了信息化手段和可视化平台[5-6]，而且契合了新工科[7]发展和新时代要求，可更有效激发学生求知欲、动手欲、感知欲。在虚拟仿真实验的三维集成环境里，学生可灵活安排时间、综合运用多种信息技术手段，通过虚拟逼真的实验场景和数字形象的模型对象，以开放、自主、交互方式，高效、安全、经济地进行各种实验活动，使成本高、难重复、有危险的实体教学实验得以虚拟仿真完成且可随意重复，既能总体实现真实条件下的教学效果[8]，又能收获即使实体、现场也难达到的实验体验[9-10]。

为了推动虚拟仿真实验教学的开展，教育部于自2017 年起，启动了国家级示范性虚拟仿真实验教学项目的认定工作[11]。2018 年长安大学的“三维地层认知虚拟仿真实验”获得地质类项目陕西省教育厅认定[12]，自此承载该实验的虚拟仿真系统正式上线运行[13]。该系统依托教育部重点实验室的地质工程虚拟仿真实验室自主开发建立，在长安大学地学类3 个本科专业“地质构造学”课程实验教学中发挥辅助作用，助力创新型人才培养[14]。

传统的扁平式地层教学方式受实验设备和实验场地条件限制较大，而且灵活的可视认知不足。若能在计算机网络环境下进行虚拟地层仿真实验，无疑能改变传统实验短板并弥补不可见、难再现的缺憾[15-16]，进而拓展实验空间、革新实验手段、提高实验效果。虚拟仿真实验系统支撑下的三维地层认知实验，能帮助学生更容易完成实验任务，且高效巩固课堂所学，助力地层教学实验步入新境界。

1 虚拟仿真实验系统开发目标

地层三维可视化技术[17]是三维地层认知虚拟仿真系统开发的模型与技术基础。对地层的三维数字建模依赖地质钻孔、地质剖面和地裂缝（可视为浅表断层）[18]等基础数据。作为研究地壳中岩石（层）受地质作用发生变形规律及其机理的地学本科核心课程之一，构造地质学探讨的虽是小区域、小构造[19]，但解决的却是工程地质大问题[20]。

构造地质学实践性较强，隐伏的地层往往不可见，传统的实验教学方式难以满足现代地层认知、学习的需要，因此本研究开发了三维地层认知虚拟实验系统，并通过系统仿真功能，在计算机环境下进行地层认知实验，以取代（至少是补充）过去野外或室内的地层物理模型实验。基于虚拟仿真实验系统，地层可三维呈现、要素可精确量算、钻孔可虚拟设置、地层可直观切割，现实不可见的抽象地层瞬间成为虚拟仿真下逼真的可见地层。因此，不确定、不直观、难重复、量化差等众多地层认知难题，在虚拟仿真实验系统中有望一一化解，且成本低、安全性好、效率高。

B/S 的虚拟仿真实验系统（总体架构如图1 所示）提供的功能是依据实验内容和要求定制而成的。

系统建设的目标是：

（1）实验内容和任务完全在虚拟仿真的实验环境下，对照三维地层模型通过人机交互方式进行操作和完成；

（2）实验流程和具体操作涵盖地层三维建模及其视图导航、地层操作、要素量算等多个知识点，贯穿实验、考核、习题等全部环节；

图1 虚拟仿真实验系统B/S 架构

（3）实验系统具备地层三维模型分层显示、分类展示、岩性查询、空间要素量算、地层剖切等多种功能，实验操作可有效提高学生对地层三维模型使用、识读、判断、分析等综合能力；

（4）实验过程不仅便于学生多快好省地认知地层，构建完整、直观、量化的地层结构知识体系，而且宜于培养学生利用现代信息技术快速获取知识、信息的能力，不仅拓展学生的专业视野，改变学习观念，甚至增强专业认同感和学习自信心。

2 虚拟仿真实验系统设计要点

作为三维地层认知虚拟仿真实验的宿主程序，虚拟仿真系统要能提供虚拟场景下地层立体认知所需的再现、操作、分析的全过程、全要素、全方位整体数字解决方案，实际有效解决基于图纸进行的实验地质构造研判抽象、不直观、难重复的现实难题。

为此，虚拟仿真系统的功能设计是关键，地层模型的建立是基础。地层模型基于地质剖面、地层钻孔等真实数据，采用分区建模思想，应用TIN+GTP 混合数据结构，在顾及地裂缝的前提下建构完成[21-22]。从视图导航、模型操作、查询量算、地层分析和外围服务这5 方面所涵盖的18 个知识点的操作入手，对虚拟仿真系统的功能进行了系统详细设计和艰辛探索[13]。搭建功能完备实验平台的目的和任务就是借助虚拟仿真技术，三维再现地质地层结构，在虚拟仿真环境下模拟地层形态、分析地层特征、量算地层要素，即用虚拟仿真技术手段和直观形象的认知方式，实现对地层认知的高效率、可重复再现。

建立的虚拟仿真实验系统由5 个功能模块组成，对接实验项目的18 个知识点（如图2 所示）。

（1）视图导航模块包括旋转平移缩放、视点控制、第一人称视角等功能；

（2）模型设置模块包括拔高系数设置、分层显示、分类展示和岩性着色等功能；

（3）查询量算模块包括地层岩性查询、距离与面积量算等功能；

图2 虚拟仿真实验系统功能结构

（4）三维分析模块包括虚拟钻孔、地层剖面、地层剖切等功能；

（5）外围服务模块包括用户登录、实验考核和习题练习等功能。

3 虚拟仿真实验系统特色

本虚拟仿真实验教学系统本着“它山之石”（以非地质的GIS 技术开发实验平台）“可以攻玉”（解决地质工程等地学专业的地层认知实验问题）的初衷，完全独立自主开发完成。系统采用了流行、成熟、便于推广的B/S 架构搭建，所用工具包括：

（1）开发平台：IntelliJ IDEA 2018、Vscode。

（2）编程语言：JAVA、JavaScript。

（3）后台数据库：PostgreSQL10+PostGIS2.5。

由于自主开发，系统后期的维护便利，开放性好，可塑性强。依托科研项目真实数据建立的实验用三维地层模型可靠，实验流程完整，功能内容对接，实验既能强化学生基于现代信息技术手段从网络获取知识的能力，也能解决不直观、重复难、成本高、示教差等问题。系统集成、开通的网站讨论区和网络讨论群，方便用户进行线上讨论、线下交流，从而全方位提升了实验乐趣和学习效果。

学生通过网络和终端设备，通过在线导航、量算、分析完成断层、断面、断距等地层认知实验中涉及的教学内容，既解决了以往对操作流程认识不足的问题，又为实验设计、参数变化提供了可能，还加深了对地层相关概念的理解。相比传统实体实验教学，学生主动参与度提高，学习灵活性加强。

不仅如此，系统还具备登录、习题和考核等实用功能。以知识点评价指标体系为考核依据，考核按占比，虚实结合在线进行，主要涉及模型操作、查询量算和三维分析等要点。作为考核结果的实验报告总体能反映学生在线实验内容掌握程度、实验操作熟悉程度、地层认知完整程度等。

可见，立足三维地层认知实际需要开发的本虚拟仿真实验教学系统，在模型操作、网络互动和自主探究方面形成一定特色。

（1）模型操作灵活。通过钻孔数据等真实数据建立实际地层三维模型，并在直观形象、身临其境的系统环境下，通过丰富的操作功能，虚拟仿真实验系统能够全方位展示地层形态结构，量测地层表面对象距离，量算地层表面对象多边形区域面积，剖切地层获取似断层的地裂缝断距特征信息，使学生在系统提供的虚拟实验场景中进行地层认知实验。

（2）网络互动方便。在教师的组织引导下，学生通过网络在线学习地层相关知识、掌握系统操作与使用，借助线上讨论区和线下讨论群互动进行学习，节省了时间，方便了交流。

（3）自主探究容易。虚拟仿真实验顺应了信息化、网络化的大势，契合了学生认知特点和习惯，易于调动和发挥学生的主观能动性，客观上也为学生自主学习、自主实验和自主创新的学习探究新模式提供了便利条件和可能途径。

4 结语

将虚拟仿真技术引入高等教育实验教学环节，使实验教学方式多样化、信息化势在必行。虚拟仿真实验不仅能解决教学中很多传统、滞后的瓶颈问题，还能在更大范围内实现教学资源共享，促进教学质量提高。长安大学建设的“三维地层认知虚拟仿真系统”是对地层认知实验信息化、网络化的初步探索和有益尝试，但要适应新工科对实验教学创新型人才培养的新要求，在虚拟仿真实验教学的探索实践中，还需认真总结、逐步完善、以点带面、不断拓展，建立更完备的实验系统。