虚拟仿真实验在电法勘探实验教学中的应用探索

赵荣春 吕玉增 王洪华 韦柳椰 程一鸣

摘  要：在国家大力推进一流本科教育、一流专业建设的新形势下，立足于专业已形成的人才培养架构，围绕创新型人才培养目标，系统构建自身的优势专业课程，加快推进课程体系建设和教学改革。文章结合桂林理工大学实际，阐述了电法勘探虚拟仿真实验在该校的建设思路，拟通过构建虚实结合的实验教学模式，完善电法勘探实验课程内容，促进专业课程与人工智能和信息技术的交叉融合;深化教学研究和教学方法改革，推进学生实践能力和创新能力的培养;推动该校电法勘探实验教学向工程化、战略化和国际化的教育教学改革方向不断深入，推动一流专业的建设，实现专业内涵式发展。

关键词：虚拟仿真;电法勘探;教学改革;实验教学

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）36-0106-05

Abstract： Under the new situation that the country vigorously promotes the construction of first-class undergraduate education and first-class majors， based on the talent training structure formed by the major， it systematically builds its own advantageous professional curriculum around the goal of innovative talent training， and accelerates the construction of curriculum system and teaching reform. This paper expounds the construction of the virtual simulation experiment， to promote the integration of professional courses and artificial intelligence and information technology， deepen the cultivation of the practical research and innovation ability， promotes the construction of first-class majors and realize the professional connotation development.

Keywords： virtual simulation; electrical exploration; teaching reform; experimental teaching

为深入落实全国教育大会和《加快推进教育现代化实施方案（2018-2020年）》精神，贯彻落实新时代全国高校本科教育工作会议和《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》、“六卓越一拔尖”计划2.0系列文件要求，做强一流本科、建设一流专业，提升高校人才培养能力，实现高等教育内涵式发展，教育部决定全面实施“六卓越一拔尖”计划2.0，启动一流本科专业建设“双万计划”，即2019年至2021年建设1万个左右国家级一流本科专业点和1万个左右省级一流本科专业点[1-2]。为推动一流专业建设，实现高等教育的内涵式发展，教育部先后出台了《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》等与学科、专业、课程建设有关的一系列政策性文件，为国家一流专业建设指明了方向[3-5]。

桂林理工大学勘查技术与工程专业经过60多年的发展建设，取得了一系列丰硕的建设成果[6-8]。当前，专业面临着传统工科专业的升级改造，作为一所地方高校，在国家大力推进一流本科教育、一流专业建设的新形势下，须立足于专业已形成的人才培养架构，围绕创新型人才培养目标，加快推进课程体系建设和教学改革，系统构建自身的优势专业课程。电法勘探课程作为勘查技术与工程专业的核心课程，是我校的传统优势课程，电法勘探实验作为其中的重要组成部分，在培养、提高学生的实践能力和创新能力上具有非常重要的作用，而我校在实验教学、实验室配置、师资队伍等方面还亟需进一步的改革完善，针对电法勘探实验的教学创新和课程教学改革势在必行。

近年来随着虚拟仿真技术的发展，诸多高校已将虚拟仿真技术应用于本科教学中，并取得了很好的应用效果[9-14]。将虚拟仿真技术应用于电法勘探实验教学中，构建虚实结合的电法实验教学模式，促进专业课程与人工智能和信息技术的交叉融合，推进学生实践能力和创新能力的培養。电法勘探虚拟仿真实验可以实现传统实验不具备或难以完成的教学功能，突破传统实验教学受时间地点限制的问题，克服诸多实验教学中存在的安全问题，同时虚拟仿真教学的实施对提高学生综合设计与创新能力，丰富教学内容等也有很大的帮助，为解决我校在电法勘探实验教学中的一系列问题开拓了新的思路，将极大推动我校电法勘探实验课程的改革与创新。

一、电法勘探虚拟仿真实验教学体系建设整体思路

电法勘探虚拟仿真实验系统是建立在电法勘探理论基础之上，以计算机仿真技术、多媒体和网络技术为依托，集实物仿真、实验条件自主设计、数据分析处理及教学管理于一体，具有良好自主性、交互性和可扩展性的综合性虚拟仿真实验教学系统，下面将简述我校电法勘探虚拟仿真实验教学体系建设的思路。

第一，电法勘探虚拟仿真实验系统的设计，必须建立在一套完善的电法勘探观测系统以及真实可靠的电物性异常之上，否则得到的电物性异常将变得毫无意义。要获得准确的电法勘探电物性异常，必须建立在正确的理论基础及实测的数据之上，因此系统的构建需基于数值模拟及模型实验的方法，分析电法勘探在不同观测方式下，不同电物性参数的异常体在观测时的电性异常特征，为后续开展电法勘探虚拟仿真实验平台建设奠定坚实的基础。

第二，构建虚拟仿真实验教学平台，这是虚拟仿真实验最核心的部分，以基于三维电法勘探数值模拟为基础的计算程序，依托可视化软件Delphi、Python、Matlab等开发可供用户交互操作的软件平台，构建不同类型实验项目的实物仿真场景，通过该平台能够自主设计电法勘探的采集装置、自定义异常体的类别及形态、设计不同的地质背景等，可根据自定义的采集方式及异常类型，实时显示符合实测异常形态的电阻率异常信息。

第三，构建虚拟仿真实验教学平台的后台支撑层，用以保障实验项目正常开放运行，负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平台应包括几个功能子系统：学生系统登录、安全管理、数据管理、资源管理与监控等。通过支撑层实现虚拟仿真实验平台的共享开放，学生可以通过账号进行登录使用，管理人员可实现后台监控与管理维护。

二、电法勘探虚拟仿真实验教学体系建设内容

电法勘探课程是我校勘查技术与工程专业的核心课程，其中电法勘探实验部分的主要内容是通过实验使学生掌握仪器操作、勘探工作方法、数值计算和数据解释的一般方法，加深对课程基本知识的理解，加强动手能力，掌握实践技能。其中电阻率剖面法实验、电阻率法测井实验、高密度电法实验、大地电磁法测深实验、可控源电磁法测深实验为核心部分，因此虚拟仿真实验的建设应围绕以上实验展开。

（一）虚拟仿真电阻率剖面法实验

电阻率剖面法实验是指A、M、N、B电极距保持不变，同时沿一定剖面方向逐点观测视电阻率，研究剖面方向地下一定深度的岩、矿石电阻率变化的方法。目前我校该实验的方法通过水槽实验开展，然而受限于水槽模型及设备精度等问题，实验效果不是很好。虚拟仿真电阻率剖面法实验的建设，第一，要能模拟出不同背景场下的测量;第二，能自定义测量装置，如联合剖面法测量、对称四极剖面法测量、温纳测量等常见测量方法;第三，可自定义异常体类型及大小、位置;第四，具备测量设备仿真操作界面，异常曲线可实时显示，数据可导出。

（二）虚拟仿真高密度电法勘探实验

高密度电法勘探兼具电剖面和电测深的特点，凭借工作效率高、反映地电信息丰富、施工简便等优点，被广泛应用于堤坝勘查、工程物探、水文地质勘探等各方面，高密度电法探测深度在几米到一百多米的范围，而校园环境类很难提前预埋大深度异常体，从而影响实验教学效果。高密度电法勘探虚拟仿真实验的设计，第一，应具备实物仿真场景，形象地展示实际工作的场景，如图1所示;第二，可自定义采集装置，具备温纳排列、偶极排列、三极排列、施伦贝谢尔排列等测量功能;第三，可自定义背景场及异常体类型、大小、位置。

（三）虚拟仿真电阻率测井实验

电法测井通过将供电点或测量点放置于地下，加深了电法探测的深度，同时还可以减小地表覆盖层以及人文干扰对测量的影响。目前我校电法测井实验主要在水槽中开展，数据观测方式及实验设备相对落后。第一，虚拟仿真电法测井的建设，应建立起系统的观测方式，具备地-井观测、井-地观测、井-井观测等观测方式;第二，可自定义井旁异常体类型;第三，可实时显示电阻率异常曲线，数据可导出。

（四）虚拟仿真电磁法测深实验

电磁法测深主要分为大地电磁法测深与可控源电磁法测深，电磁法设备通常对电磁场的响应比较敏锐，校园及其周边的工业用电、高压电线等会产生大量的干扰，极大影响了大地电磁测深的效果，致使实验的教学效果不佳。虚拟仿真电磁法测深实验，首先，应构建理想的仿真场景，避免外界因素形成的干扰，同时可以自定义异常体类型及空间位置。其次，可模拟MT、AMT下的大地电磁数据采集及数据成像。最后，可控源电磁法测深实验，可模拟电偶极源、磁偶极源下不同收发距的频率域测深实验。

三、电法勘探虚拟仿真实验在教学中的主要作用

电法勘探实验教学，是培养专业创新型应用人才的重要教育环节，然而现实中却限于实验条件或安全方面的考虑，一些典型的电磁法物性异常现象，难以通过实测数据呈现，影响了实验教学的效果，制约了我校对高素质人才培养的需求。为缓解电法勘探实验教学方面的不足，我校于2018年先后建成了电法测井仿真实验平台、电阻率法探测仿真实验平台，如图2-图5所示。仿真实验平台主要由实物仿真沙盘、模拟显示系统、电动控制系统组成，该系统可通过图片、立体模型和动态演示，使学生看到电法勘探野外数据采集的工作现场及工作流程，加深勘查技术与工程及相关专业的学生对电法勘探数据采集的理解，也可用于对其他相关专业学生或社会人员做科普性展示，然而该系统观测方式较为单一，不具备自主设计实验项目的能力。

电法勘探虚拟仿真实验教学的建设，可极大缓解传统实验教学中面临的一系列问题，促进电法勘探实验教学的改革创新，其具体可表现在以下几个方面：

（一）解决传统电法实验中设备台数少、更新慢的问题

电法勘探设备动辄数以十万计，学校购买的设备数量只有几台甚至一台，在大班教学的情况下，课堂上学生只能很多人使用一台仪器，两个课时的实验课，很难做到每个人都能学会仪器的操作使用，而虚拟仿真实验只需要一台联网计算机，即可模拟仪器设备功能，利用虚拟现实技术真实再现实验过程，节约成本和空间，且无需各种实验耗材、实验过程安全性高。因此采用虚拟仿真实验与实体操作相结合的教学模式，可极大改善因仪器设备短缺对教学带来的影响。

（二）实现传统实验不具备或难以完成的教学功能

电法勘探实验的目的是探测地下空间异常体的形态，因此实验场地必须预埋不同类型的异常体，例如：低阻体、高阻体、板状体、球体以及各种组合异常体，同时还要尽量避免各种人文因素的干扰。然而现实的校园环境中却限于实验条件或安全方面的考慮，难以通过实际的操作解决。一些典型的异常现象，难以通过实测数据呈现。虚拟仿真实验可构建理想的实验场景以及异常体形态，通过虚拟场景，可以在地下空间构建任意的异常类型，通过仿真计算获得理想的实验数据，改善电法勘探实验教学的效果。

（三）突破传统实验教学受时间地点限制及诸多的安全问题

虚拟仿真实验可利用云平台自主登录，学生在课前、课后都可以自主学习相关内容并进行仿真实验，课上再配合实物设备进行实验，可以很大程度地提高学生学习的自主性和学习效率，加深对专业知识的理解，突破了传统实验教学受时间地点限制的问题，克服了常规实验教学中存在的安全问题。

（四）构建“互联网+”实验教学体系新形态，实现学生主动性和创造性学习

将虚拟仿真技术应用于电法勘探实验教学中，构建虚实结合的电法实验教学模式，促进专业课程与人工智能和信息技术课程的交叉融合，有利于学生迅速理解和掌握实验技术，为学生主动性、创造性学习创造了良好条件。学生高效率做完实验后，基于实验教学课和线上虚拟仿真实验，自主进行实验设计，验证实验相关理论，加深理解基础理论知识，将学生变成实验的主体，充分发挥其个性和潜质，激发其灵感和创造力，从而提高学生创新能力、实践能力和综合素质。

（五）构建虚实结合的实验教学新方法，推进电法勘探实验教学改革创新

虚拟实验教学能有效解决传统实验教学存在的诸多问题，但本身也尚存不足，只有将传统实物实验和虚拟仿真实验有效整合，形成虚实结合、优势互补的混合式实验教学模式，才能更好地启发学生进行自主性、创新性和探究性学习，同时虚拟仿真教学的实施对提高教师队伍教学能力、拓展实践领域、丰富教学内容等也有很大的帮助。

四、结束语

电法勘探作为勘查技术与工程专业的核心必修课程，是我校的传统优势课程。电法勘探实验作为电法勘探课程中的一个重要组成部分，是学生巩固专业知识、培养工程意识和创新意识、掌握工程实践技能和创新能力的重要途径。构建虚实结合的实验教学模式，突出运用融合计算机技术、互联网技术，促进专业课程与人工智能和信息技术的交叉融合，可极大地改变实验教学环境、内容与模式，丰富实验教学资源，有助于加强学生对专业知识的理解和掌握，拓展学生的知识面，激发学生对先进科学技术知识的追求，培养和提高学生的实践能力和创新能力，推动我校电法勘探实验教学向工程化、战略化和国际化的教育教学改革方向不断深入，推动一流专业的建设，实现专业内涵式发展。

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