野外地质实习虚拟仿真实验教学平台建设与思考

何虎军 杨兴科 焦建刚 肖良 雷万杉

[摘 要] 野外实习是培养合格地质人才的重要环节和专业特色，对培养学生兴趣、巩固专业知识、提高实践能力等有着不可替代的作用。然而传统野外地质教学实习中存在效率低、成本高、互动性和共享性差等问题，虚拟仿真教学很好地弥补了此缺陷。通过以汉中梁山野外地质实习基地为例，介绍了长安大学地质学类专业野外地质实习的发展现状，实习目的和任务，分析了传统野外地质实习存在的问题，探讨了汉中梁山野外地质实习虚拟仿真教学平台建设的思路和拟解决的关键问题。

[关键词] 野外地质实习；虚拟仿真；教学平台

[基金项目] 2019年度长安大学虚拟仿真实验教学培育项目“地质矿产资源三维立体勘查与开发虚拟仿真实验教学平台”（300103691916）；2019年度长安大学高等教育教学改革研究项目“创新实验教学体系研究与实践——汉中梁山野外地质实习虚拟仿真实验教学平台建设”（300103302702）；2020年度教育部第一批产学合作协同育人项目“矿产形成、勘查与开发虚拟仿真教学平台建设”（300202212077）

[作者简介] 何虎军（1979—），男，陕西合阳人，工学博士，长安大学地球科学与资源学院副教授，硕士生导师，主要从事矿产资源定量预测与评价、计算机地学应用教学与研究。

[中图分类号] G642.44 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）02-0146-04 [收稿日期] 2021-05-14

引言

野外地质教学实习是地质学、资源勘查工程等相关地学專业本科生实践教学中必须经历的一个十分重要的实践教学环节[1，2]，通过野外实习的各个步骤和环节的观察、观测、实习、实验，使学生运用并巩固课堂所学理论知识，学会并掌握野外地质工作基本方法，培养地学专业本科生对各种地质现象的野外观察、识别和综合分析能力、独立工作能力及实践动手能力，全面提高本科生地质类专业教学质量，为国家培养高素质、厚基础、重实践的地学创新型技术人才。陕西汉中梁山教学实习基地作为长安大学自筹经费建设的面向地质学类本科生野外教学实习基地，对培养地学相关专业的学生野外地质基本技能发挥了重要作用。野外地质实习是长安大学地质类专业教学的重要内容，也是培养集知识、能力和素质于一体的高素质人才的重要实践性教学环节。随着云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、虚拟现实、3D打印等新一代信息技术发展，如何更好适应高等教育快速发展和人才培养模式的转变，更加有效地利用这个有丰富地质现象的天然实习场地，挖掘其中可充分利用的优秀教学资源，构建新的野外实习教学体系和教学环境[3]，加强学生科学思维和创新能力培养，解决传统野外地质教学实习中存在的诸多问题，已迫在眉睫。因此，本文就汉中梁山野外地质实习虚拟仿真教学实验平台建设的思路进行探索与实践。

一、野外地质教学实习的基本情况与存在问题

（一）野外地质教学实习的概况

西安地质学院（2000年与原西安公路学院、西北建筑工程学院合并为长安大学）作为五大地院之一，先后于20世纪50—80年代初在陕南汉中梁山+西乡罗家河；1984—1989年在汉中梁山（在西北大学实习基地建设基础上，学校投入许多教师进行基地建设）；1990—2000年在河南宜阳实习基地；2001—2013年在安徽巢湖开展野外地质实习。自2014年汉中梁山实习基地建设完毕投入使用后，一直在汉中梁山开展野外地质实习。根据学校的教学计划，一般实习时间为5周，分室内准备和野外实习两个阶段进行。

室内准备阶段主要是召开实习动员大会，强调安全注意事项，明确实习目的、任务、要求，宣布实习纪律等注意事项，介绍实习区地质概况，明确野外工作步骤和要求等事项。要求每位实习同学认真阅读实习指导书，并尽可能收集前人资料和文献，以便熟悉实习区的基本地质特征，并要求出发前每位实习同学必须准备好野外实习用品等。野外实习时间30～32天，主要包括路线踏勘、实测剖面、地质填图（含数字填图）、图件绘制和报告编写等。实习期间根据天气情况、学生掌握知识程度和实习进度需要对野外资料及时整理、阶段总结和讲课。

（二）野外地质教学实习的目的和任务

经过多年来野外地质教学实习认识与实践，长安大学野外地质教学实习培养方案认为通过野外教学实习，一是使学生理论联系实际，巩固并加深对已学课程知识的理解和认识；二是培养学生吃苦耐劳、艰苦奋斗、开拓创新、团结合作的精神；三是培养学生热爱地质事业，勇于探索地球奥秘的兴趣；四是培养学生实事求是、科学严谨的工作态度。逐步掌握由点到线、由线到面、点面结合、综合分析的野外工作方法，以及由表及里、由浅入深、将今论古的地质思维方法。

野外教学实习的任务主要是进行区域地质调查方法的系统训练，让学生掌握地质踏勘、剖面测量、地质填图（含数字填图）和地质报告编写的基本知识、方法与技能。培养学生独立从事地质调查设计和野外调查研究的能力，为今后的课程学习和地质工作打下坚实的基础[4]。

（三）传统野外地质教学实习存在的问题

传统的野外地质教学实习实践场地、实习实验内容及其实习过程，均受许多不利于野外现场教学的因素影响，诸如实习地区的地形多为山区、地理位置偏远、交通出行十分不便、实习时间必须固定在不受其他课程教学影响的4～6周连续时间段、经常受天气因素影响很大，如雷雨风雪、高温酷暑等、必须配备理论与实践经验均较丰富的教师及足够数量，师生一起参加固定合适时间段的野外实习调研、观测等，需要为此每年支付高额实习费用，还有重要的安全隐患及众多风险影响。近年来历年的野外教学实习和组织安排成为长安大学和许多高校存在的普遍难以顺利安全高效完成的老大难问题，尤其2020年受突如其来新型冠状肺炎疫情影响此问题变得更加突出。实习教学过程中也存在师生在野外的教学观察点停留时间有限，难以多次反复观察、思考，学生不能从任意角度观察所见到的地质现象，学生自主学习观察时间较少，师生间针对同一地质现象没有更多的互动交流研讨时间，不能实现“一对一”研讨式教学，教学效率较低、实习成本较高，野外教学的地点有限且不能保存、师生互动性和共享研讨性等均存在改变或提高之处。

二、汉中梁山野外地质实习虚拟仿真实验教学平台建设的探索与实践

汉中梁山野外地质实习虚拟仿真实验教学平台建设坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则[5]，以“概念理解和软件应用”为载体，通过采用先进的基于互联网的三维建模和可视化技术，建立汉中梁山野外实习基地核心区虚拟仿真单元，并在此基础上，借用当代数字信息多媒体技术、无人机数字摄影技术和虚拟仿真技术结合等功能，实现野外实习基地基础地质信息查询、实习调研路线布设与选择、野外地质路线观察、地质记录与描述、信手剖面绘制、实测地质剖面和制图、典型地质现象研讨分析等适合于野外教学实习可借用的基本功能，达到“可预习”“可实习”“可复习”的“三可原则”。

完成制作好的实习虚拟仿真实验教学系统，可以让学生通过电脑、手机等大众化设备和普通软件，比较方便的链接于实习虚拟仿真实验教学系统的网络入口，反复学习、观摩或虚拟仿真、或沉浸式进入系统，学习各项野外地质调查工作的基本知识和基本技能，从而能够突破野外地质教学的时间、天气、地域、互动性和共享性等方面的限制[6]，采用野外地质实践教学与虚拟仿真实验教学融合使用，在实习前、实习中、实习后多时段全天候都可以进入本实习虚拟仿真实验教学系统，甚至对有些跨专业的学生完全可以使用此虚拟仿真实验系统代替部分野外实践教学环节，节省部分经费，并能反复观察、观测、实习、作图、典型现象研讨等。能够开辟一条新的强化实践教学的有效途径，改变传统地质专业野外实践教学的原有理念和不可重复性的教学方式，增强学生自主学习的信心和兴趣，全面提升地质学和地质类专业实践教学的水平和教学效率，迎合当代新工科教学改革与实践中的新思路新要求，必须对传统专业进行升级改造，这也是为培养新时代新工科要求背景下的地质学和地质类专业学生的野外探索精神、工程实践能力和创新意识，具有十分重要的作用。

（一）地质背景模拟

梁山地貌主要为丘陵低山，南依濂水河谷地与米仓山相望，北隔汉江与秦岭南坡相依，形成“两山夹一川”的地势格局。梁山向斜是实习基地内最为显著的褶皱构造，并且该向斜亦可清晰的表现在地貌上。为了让学生在实习之前对汉中梁山实习基地的基本地质背景能进行全面深刻的了解和认识，汉中梁山野外地质实习虚拟仿真教学平台在地质背景介绍单元中将通过文字、图片、视频的方式讲解该区域的地质背景，并以地形沙盘+三维动画的形式模拟表现汉中梁山区域构造演化过程（尤其向斜的形成）。

（二）野外场景的真实再现

目前，虛拟仿真野外地质教学系统平台的开发主要有两种方式：一是基于GIS平台，一是基于游戏平台。两种开发方式都没有真实再现野外地质情况[7]。随着无人机和摄影建模技术的出现与普及并飞速发展，真实再现野外地质情况已变成现实。因此，为了更精细、更真实地再现真实野外场景，使学生虽然身在室内，人却如临野外实际现场，本次汉中梁山野外地质实习虚拟仿真教学平台的搭建，采用先进无人摄影测量技术进行野外场景数据采集和建模，将野外地质现象高精度模型活灵活现地展现在学生面前，这样既可以解决传统方法存在的问题，也可以充分发挥长安大学测绘学科的优势，实现学科优势互补。

（三）野外地质路线自主布设

从目前已经建成的野外地质实习平台看，野外路线地质调查还是和传统野外实习思路一样，野外地质路线都是提前布置好的，学生根本不用思考野外路线如何布设，布设因遵循哪些原则等，唯一的区别是只不过虚拟仿真平台是把野外路线搬到了可视化平台上。为了改变传统野外实习模式，更好考核和检验学生对应学知识的掌握程度、自主学习程度、独立观察与分析思考能力，尤其虚拟仿真平台上展示的是一个逼真的汉中梁山三维环境，完全不用像野外布线要考虑实际地形（哪些地方可以去哪些地方到不了），所以，本次汉中梁山野外地质实习虚拟仿真实验平台构建时，专门增加了野外地质路线自主布设模块，完全可以让学生根据自己所学的专业知识，并结合自己所了解的汉中梁山实习基地所有教学点的具体信息和自己的兴趣选择性，自主进行与野外地质调查路线配套的有关路线的设计与选择（图1）。

（四）岩矿石标本三维模型资源库建设

考虑到目前已有的野外地质实习虚拟仿真教学平台在每一个具体露头地质点上学生仅能观察到该点岩矿石的野外照片，不能对岩矿标本进行三维旋转，任意放大多角度观察，且野外地质实习存在随着自然或人为等原因，原来采集标本的地质体、矿床体可能不复存在，岩矿体的光、薄片和古生物化石内部构造，仅能在室内实验室观察等问题[8]，本次将采用三维建模和虚拟仿真技术等构建汉中梁山实习基地岩矿石标本三维仿真资源库，使学生在每个需要观察的露头地质点上，能三维旋转，任意放大多角度观察露头岩矿石及其接触关系，同时可以观察岩矿石显微照片和晶体模型，这样有利于学生建立多尺度、多层次的地质研究思维方法，有利于更多标本的反复观察和描述，丰富标本认知经验，同时岩矿石标本三维模型资源库的构建可以为其他课程（例如结晶学与矿物学、矿床学等）提供教学素材。

（五）评价体系创新

传统野外地质实习是根据学生在整个实习过程中的表现，对基础理论知识、野外地质工作技能和方法及实习区主要地质现象的掌握情况，最终完成实习报告的质量三个方面按2∶3∶5的比例，给学生进行总体评定。汉中梁山野外地质实习虚拟仿真教学通过野外记录、测试、操作和综合实习报告四个方面按2∶2∶2∶4的比例，综合对学生的成绩进行总体评定。并且将评价结果及时反馈并用于指导和教学，明确教学方法改进方向，激励学生充分利用汉中梁山野外地质实习虚拟仿真平台，开展大学生科研训练计划、大学生国家创新实验项目计划等创新实践活动。随着汉中梁山野外地质实习虚拟仿真教学平台的建设，建立高校间野外地质实验教学项目成绩认可，学分转换机制。

结语

以汉中梁山野外地质实习基地为原型，通过采用先进的基于互联网三维建模和可视化技术，构建汉中梁山野外地质实习基地地质场景的实景三维地质模型，真实地再现汉中梁山野外地质实习基地野外地质实习过程，具有良好的交互与感知能力，全面提升野外实践教学水平和效率，实现“互聯网+”野外地质实践自主学习和研究及双向互动式教学。汉中梁山野外地质实习虚拟仿真教学平台的构建，将为进一步宣传汉中梁山野外地质实习基地，最终将其打造成为国家级地质实践教学基地具有重要的意义。

参考文献

[1]余际从，刘粤湘，李杰，等.我国野外地质教学实习基地建设的问题与突破口[J].中国地质教育，2013（4）：1-5.

[2]何翔，华洪，赖绍聪，等.秦岭多学科综合性野外实习基地建设的探索与实践[J].中国地质教育，2012（1）：44-46.

[3]鹿晓阳，李明弟，李轶.创新实验教学体系的研究与实践——国家虚拟仿真实验教学中心和国家实验教学示范中心建设[J].山东高等教育，2015（3）：41-46.

[4]李勇，赵虹，苏春乾，等.汉中梁山地质教学实习基地实习指导书（未出版）[M].西安：长安大学，2015：1-92.

[5]吕新彪，徐四平，陈志军，等.矿产形成、勘查与开发虚拟仿真实验教学中心建设思路与进展[J].实验室技术与管理，2014，31（9）：6-9.

[6]牟宗龙，万志军，张源，等.基于虚拟仿真技术的实验类课程资源建设及教学模式探索[J].教育教学论坛，2020（1）：384-386.

[7]桑学佳，薛林福，冉祥金，等.基于摄影建模的虚拟野外地质教学系统研究[J].中国地质教育，2020（2）：83-87.

[8]陈志军，张娅，吕新彪，等.岩矿石标本三维建模技术及其教学资源库建设[J].实验室研究与探索，2017，36（11）：140-145.

Construction and Consideration of Virtual Simulation Experiment Teaching Platform for Field Geological Practice

HE Hu-jun， YANG Xing-ke， JIAO Jian-gang， XIAO Liang， LEI Wan-shan

（School of Earth Science and Resources， Chang’an University， Xi’an， Shannxi 710054， China）

Absrtact： Field practice is an important link and special feature in training qualified geological talents， which plays an irreplaceable role in cultivating students’ interest， consolidating professional knowledge and improving practical ability. However， there are problems existing in the traditional teaching of field geological practice such as low efficiency， high cost， poor interaction and sharing， and the virtual simulation teaching can make up for these defects very well. Taking Liangshan field geological practice base in Hanzhong as an example， the paper introduces the development status， objectives and tasks of field geological practice of geology major in Chang’an University， and analyzes the existing problems of the traditional field geological practice， and discusses the idea of constructing the virtual simulation teaching platform of field geological practice in Liangshan， Hanzhong and the key problems to be solved.

Key words： field geological practice； virtual simulation； teaching platform