虚拟现实技术在构造地质学实践教学中的应用

张津宁，能 源，马 骁，朱 骁，王文洁，2，3

[1.中国石油大学(北京)克拉玛依校区，新疆克拉玛依，834000；2.新疆克拉玛依市青少年科技活动中心，新疆克拉玛依，834000；3.新疆极客未来教育科技有限公司，新疆克拉玛依，834000]

一、引言

实践教学是高校教学工作的重要组成部分，是深化课堂教学的重要环节，是学生获取、掌握知识的重要途径。随着高校实践育人工作的落实，国内高校实践育人工作内容与形式不断丰富，取得了很大成绩，积累了宝贵经验。然而，实践育人特别是实践教学依然是高校人才培养中的薄弱环节，特别是基础学科专业的实践教学方案明显滞后，与培养拔尖创新人才的要求还有差距。[1]随着信息化、数字化产业应用的逐步推进，实践教学模式也随之改变。人工智能、大数据等高新科技与传统实践类教学相结合[2]，是打造“新工科”，培育实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才的重要途径。

构造地质学课程是理论课程与实践课程的结合。[3]课堂上的理论知识需要配合地质实例讲解才能使学生清楚明白，而实践教学需要在学生掌握理论知识的前提下才能强化学生的地质认识。构造地质学课程中理论教学与实践教学相辅相成。随着科技的发展，多种教学产品和技术手段被应用于传统的地质学科。其中，虚拟现实技术所建立的户外虚拟环境与野外构造地质实践教学内容和观察对象具有共性，即虚拟现实技术可还原真实的野外构造地质现象。因此，运用虚拟现实技术打造数字化野外地质场景，建立信息化和数字化多元教学平台，将理论教学与实践教学融合起来，是构造地质学的新教学方案。

二、构造地质学实践教学的特点与需求

地质学是一门注重实践的学科。在地质学专业课程的教学过程中，学生需要进行大量的实践操作和野外地质考察来满足理论教学中无法满足的直观认识需要，培养空间想象能力，通过地质实践提高学生的观察思考能力、逻辑思维能力、实践操作能力和项目组织能力。因此，在构造地质学教学过程中，实践学习是必不可少的重要环节。[4]目前，国内外高校构造地质学实践教学方式为开展野外地质踏勘，集中组织学生到野外地质实习基地开展地层接触关系、褶皱形态、节理分布、断层结构、同沉积构造等野外构造地质现象的观察与描述。野外地质踏勘是实践与理论相结合的重要教学环节。这种实践教学方式在国内外已得到广泛认可，成为传统构造地质学实践教学的重要组成部分。[5]当前，人工智能、大数据、云计算等前沿科技逐步取得技术性突破。对高校而言，如何借助高新技术突破传统教学模式，引入前沿科技教学手段，成为当前构造地质学教学改革的重要议题。

三、虚拟现实技术在教学中的可行性分析

虚拟现实技术是通过对客观世界的数字化处理，建立人与虚拟环境相交互的数字模型，实时传递给用户一种逼真的、不受生理条件和时空限制的感官信息，以获得在多种环境下相对真实的感官体验。虚拟现实技术已经在多个教学领域进行了尝试，特别是在实践教学、实验操作和情境教学中取得了较好的教学效果。[6]构造地质学野外实践教学具有综合性和灵活性[7]，教师可运用虚拟现实技术搭建数字化场景，制订野外环境和虚拟现实相结合的教学方案。野外地质实践是通过对典型地质现象的野外观察和现场实践，提高学生对构造地质现象的判断能力、观察能力和空间想象能力，帮助学生将课堂上所讲述的理论地质特点与野外地质现象融合起来，观察实际的构造特征，强化地质认识，切实提高构造地质学知识点的运用能力。虚拟现实技术运用到构造地质学实践教学中，主要体现在两个方面。

一是将实际的构造地质现象在虚拟场景中进行还原，录制出具有代表性的、与理论知识点相对应的野外地质影像。通过录制虚拟场景中的野外实际地质影像，可以展现出典型的地质特点；通过观察高清地质影像，可以描绘地质图件。虚拟地质场景中的缩放功能可以对地质现象细微的变化进行识别，展现出真实的地质特点。

二是利用虚拟现实技术建立一套多个虚拟地质场景的集合体，搭建出完整的虚拟野外地质实习基地。在实际的野外地质实习基地有多个观察点，教师在每个观察点可以给学生讲解不同的构造地质现象，形成一个实习体系。虚拟现实技术可以加载多个虚拟场景，与野外地质实习基地的多个观察点具有匹配性。在虚拟野外地质实习基地中，按照野外踏勘行进路线切换不同场景，可以完成一整套构造地质实习任务。

因此，采用虚拟现实技术搭建虚拟野外地质场景，重塑典型野外地质现象，数字化地质信息，建立一套野外地质虚拟现实教学方案，具有可行性。

四、虚拟野外地质实习基地的设计与构建

虚拟地质场景的搭建应建立在野外地质现象的基础上。因此，选取典型的野外地质剖面，进行系统的地质踏勘是构建虚拟地质场景的前提。中国石油大学(北京)克拉玛依校区以新疆分布的宏伟山系、大型盆地作为构造地质学专业教学的天然课堂，发挥区域优势，已经建立了多个野外地质实习基地。在野外地质实习基地中，选取北天山大龙口剖面开展了系统的野外踏勘工作。

大龙口剖面位于北天山东段，博格达山北麓，准噶尔盆地南缘。受新生代北天山向北强烈挤压隆升作用的影响，大龙口地区发生抬升剥蚀，露出了较为齐全的沉积地层，发育了多种典型的构造变形样式，如大龙口剖面中部发育多种复杂褶皱组成的大型背斜构造，称为大龙口背斜，大龙口背斜北侧发育大型的逆冲断裂带，背斜南部发育以古土壤为界线的不整合面。诸多典型的构造地质现象使大龙口剖面成为教科书级别的野外地质实习基地，每年接待地质实习团队十次以上，多家高校和地质相关单位在此均有踏勘实习记录。

中国石油大学(北京)克拉玛依校区位于中国西部地区，将新疆天山造山带作为实例，具有极大的地质教学优势。校区构造地质学教学团队利用无人机和单反相机等设备，赶赴天山造山带东部地区，针对大龙口剖面典型构造地质现象进行野外地质信息的高清拍摄和录制，经过后期数字化处理和建模，打造虚拟野外地质实习基地，作为构造地质学野外虚拟现实教学的实验性方案。

经过多次野外地质剖面的详细踏勘及地质场景的有效录制，构造地质学教学团队分别采集了8组具有代表性的构造地质场景，录制内容涵盖了地层界线识别标志、岩层组合关系、不整合面特征、差异风化现象、古土壤风化壳特征、倒转褶皱特征、褶皱组合样式、背斜构造、节理组合样式、逆断层构造等多个重要知识点，形成了从老地层至新地层的野外地质踏勘路线。完成地质影像采集后，教学团队运用数字化处理与拼接软件将采集的高清影像资料构建成多个虚拟地质场景。按照野外地质踏勘路线设定场景顺序，建立一个完整的虚拟野外构造地质实习基地。利用云技术将虚拟野外地质实习基地共享至网络，在课程群建立云连接，搭建一个可多人、多地、线上观察的虚拟现实构造地质实践教学课堂。虚拟野外构造地质实习基地具有知识点覆盖全面、构造现象典型、野外踏勘路线完整、地质影像清晰等众多特点，可有效支撑实践教学的应用。

五、虚拟现实技术应用及效果

虚拟现实技术搭建的虚拟野外构造地质实习基地，在构造地质等实践教学中得到了充分的运用。同时，虚拟野外构造地质实习基地也在理论教学中进行了应用尝试，达到了预期效果。

(一)实践教学应用

构造地质学的实践教学分为室内构造地质实习和野外构造地质实习两个实践教学阶段，这两个实践教学阶段都尝试利用了虚拟野外构造地质实习基地。

1.室内构造地质实习

室内构造地质实习需要将理论课程中所涉及的典型构造特征进行分析，绘制相关地质图件，包括沉积岩层的原生构造、节理、褶皱、断层等内容。根据典型的构造特征，讲解研究方法和技术。在教学过程中，教师提取虚拟野外构造地质实习基地中典型的构造现象，进行观察和分析，使学生抓住构造特点和细节，同时使他们获得了直观的、具有空间感的深刻认识，加深了其对知识点的掌握程度。学生利用虚拟野外地质场景观察大龙口剖面典型的褶皱构造，绘制大龙口剖面素描图，对褶皱构造的特点进行描述。通过虚拟野外地质场景中录制的断层构造开展地质观察和构造分析，学生掌握了断层构造发育区的空间特征、构造几何形态和断层组合关系，利用高清影像，开展地质图件的绘制工作，大大提高了图件绘制的准确度。

2.野外构造地质实习

野外构造地质实习前期教师需要提前讲解地质实习基地中主要的构造地质现象，以便学生在野外踏勘时有效地抓住知识点。教师可以运用虚拟野外地质场景开展野外踏勘前期的讲解，使学生在野外地质实践前对地质现象有初步认识，熟悉实践教学路线。在踏勘前期讲解过程中，利用虚拟野外地质场景展示野外实习内容，组织学生提前进行预习，特别是针对复杂的大龙口褶皱和断层，这几种构造现象需学生在踏勘前复习理论知识点，厘清褶皱和断层的构造要素，才能在开展野外实习中真正掌握实习内容，达到教学目的。同时，在野外地质实习过程中，学生可访问虚拟野外地质实习基地的线上功能，利用手机或电脑配合实际的地质观察，利用在线评论功能，进行互动交流，利用信息备注功能在每个虚拟地质场景中添加个性化注解，对每个地质现象进行描述，将所学知识点进行实际运用。

运用虚拟现实技术开展构造地质学实践教学，使学生加深了对构造特征的认识，全方位掌握了构造地质学实践教学内容，强化了学生的动手能力，为学生建立空间想象能力提供了新的训练方案。

(二)理论教学应用

1.虚拟野外地质场景的应用

在构造地质学理论课程教学中，教师主要按照教学大纲讲解构造地质知识点。构造地质学理论教学需要紧密结合实际的地质现象。在理论教学过程中，野外地质图片和构造地质模式图是课程的主要素材。学生观察地质图片和模式图往往无法有效建立起空间感，缺乏对构造地质特点的直观认识，这是构造地质学理论教学的短板。因此，虚拟野外地质场景可以在理论教学中发挥重要作用。虚拟野外地质场景指对具有典型构造地质现象的野外剖面利用全景鱼眼镜头和无人机摄像设备全方位拍摄，经全景图像拼贴数字化处理，重点突出构造变形特点，建立一个可浸入式观察的虚拟场景模型，上传至云端，实现可多人在线观察的虚拟野外地质场景。学生在课上和课后均可以利用虚拟野外地质场景对构造地质学理论课程中讲到的内容进行有针对性的观察和分析，实现理论与实际相结合，有效掌握知识点。

2.虚拟野外地质实习基地的应用

通过虚拟现实技术搭建的虚拟野外地质实习基地可以直接运用到理论课程中，将构造地质知识点与相对应的虚拟构造场景进行配合讲解以达到良好的教学效果。例如，教师在讲解褶皱构造章节时，结合虚拟野外地质场景，利用实际的大龙口褶皱构造来分析褶皱要素、形态及组合形式，使学生深刻掌握构造地质相关概念，获得直观认识。在讲解断层构造章节时，利用虚拟地质场景中大龙口背斜北侧断层进行具体分析，使学生清楚地观察到断层的几何要素、结构样式及组合关系，直观认识断层两侧岩层的位移关系。

(三)应用效果评价

通过虚拟现实技术在构造地质实践教学中的应用，学生在构造地质学课程中获得了良好的学习体验，并得到了积极的正面评价。

中国石油大学(北京)克拉玛依校区构造地质学教学团队经过一学期的教学尝试，资源勘查工程专业49名学生对虚拟野外地质实习基地的利用率达到了100%，登录线上虚拟野外地质实习基地次数达到了107次，人均登录次数为2.18次。学生对虚拟现实技术在构造地质教学中的应用效果评价在95%以上。在期末总结时，学生通过虚拟野外地质实习基地的应用和体验，给出了“新颖的授课方式”“提高了对构造地质学的兴趣”“强化和加深了对理论知识的理解”“生动有趣的课堂”“空间想象能力大幅度提高”等正面反馈，得到了广泛的积极评价。

在虚拟野外构造地质实习基地应用期间，学生利用周末和假期到学校周边野外地质露头区进行地质影像录制，并独立建立了微型虚拟野外地质场景。针对课程中学习的重要知识点，进行了地质信息标注，并以小组的形式对所录制的虚拟地质场景进行了讲解。通过虚拟现实技术在构造地质学中的应用，学生对前沿科技的探索热情高涨，有效提升了动手能力、创新能力和实践精神。

参照中国石油大学(北京)克拉玛依校区构造地质学教学团队将虚拟现实技术引入传统基础学科的成功案例，其他专业教师多次与构造地质学教学团队进行讨论交流，寻求借鉴教学经验，开始着手尝试将虚拟现实技术应用于所在专业，有效推进了信息化、数字化技术产品在高校教学中应用的进程。

六、结语

高校传统专业实践教学结合人工智能、大数据、云计算等前沿科技开展教学改革，是培育实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才的重要途径。虚拟现实技术可有效推进构造地质学实践教学的信息化和数字化应用进程，拓展构造地质学专业实践教学体系。虚拟现实技术在实践教学和理论教学的应用中均获得了良好的教学效果，为学生带来了新颖的学习体验。为深化虚拟现实技术在构造地质教学中的应用，高校、企业和科研院所三方应加强合作，本着优势互补、合作共建、共同发展的原则，增强创新实践意识，打造“产学研”教学平台，为地质专业人才培养提供了新思路和新方案。