基于虚拟仿真平台的人才培养方案探索——以资源勘查工程专业为例

赵忠海，崔晓梦，周佳峥，荆曌怡

（辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000）

随着互联网技术的不断发展，以高新技术为核心的知识经济将占据主导地位，国家的综合实力和国际竞争力将越来越取决于教育发展、科学技术和知识创新的水平。人才作为教育的主体，是发展知识经济最关键、最根本的因素，培养和造就一批兼具科研与实践能力的高素质综合人才队伍亟不可待。就资源勘查工程专业而言，其作为一门实践性、综合性很强的地学类工科专业，以现代地球科学基础和矿产勘查科学等理论为基础，运用现代技术方法对矿产资源进行勘查和开发，其过程尤为注重学生工程实践和创新能力的培养[1]。赵鹏大院士提出的培养“五强”地学创新人才框架中，也强调了对学生工程实践能力及综合能力培养的重要性[2]。

传统教学人才培养模式是以课程为导向，重视通识基础课、学科基础课和专业课的讲授，忽视了学生实践能力的培养[3]。其教学方式的单一化，也难以实现学生沉浸式和交互式学习，难以促进学生学习积极性。而新一轮教育革命的推进，使教育信息化成为信息时代教育改革发展的必然要求[4-6]。在传统教学的基础上，运用现代计算机技术、信息技术、数字模拟技术和三维可视化技术等手段，结合实体实验教学系统，建立一种各实验教学平台与各自对应的实物实验室相结合的“虚实结合、相互补充”的新型实验教学系统——虚拟仿真实验教学体系[7]。虚拟仿真实验教学可以使学生通过网络在线学习与研究，身临其境地获取野外知识，客观形象地观察地下岩体结构、地质构造，进而提高学生的野外工作技能和实践能力，激发学生科研兴趣，促进学生学习积极性和自主性。

为此，辽宁工程技术大学（以下简称“我校”）依托辽宁省实验教学示范中心——虚拟仿真实验教学示范中心，构建了具有一定示范性、共享性和行业特色的领先型实验教学平台和虚拟仿真实验教学体系。为解决传统教学模式下真实勘查项目条件不具备、实际操作困难、涉及高危、高成本等问题提供了具体方法，对着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平，积极探索“智能+教育”的人才培养方案产生了积极的影响。

一、课程教学现状分析

资源勘查工程是集地质理论、勘查技术、矿业经济与环境及矿业政策法规于一体的综合性专业。该专业主要培养知识、能力、素质各方面综合发展，系统掌握资源勘查工程基本理论、基本方法和基本技能，具有创新精神、实践能力和一定矿产资源勘查、评价和管理能力的专业技术人才[8]。为更高质量地完成专业培养目标，学校在基本理论、课程实践方面仍需改进。

（一）基本理论方面

1.教学方式固定化、模式化。目前教学授课模式仍以书本为主，虽现有较多老师使用多媒体作为教学手段，教学内容随图片和视频的引入极大地促进了学生的理解和学习积极性，但由于资源勘查专业开设课程庞杂，涉及知识范围广，地下岩体结构、构造等三维形态复杂多变，单以二维授课方式难以让学生对其建立直观概念。

2.教材内容与现场实践存有偏差。教材更新速度蜗行牛步，导致其内容与现场实践偏差较大，学生所学知识在实践中使用条件有限。以地球物理勘探为例，教材中的电阻率法、激发极化法、大地电磁法等多是之前的传统方法，目前勘探单位使用较多的广域电磁法、航空瞬变电磁法等在教材中涉及较少，使学生在校学习和和实际应用产生断层，不能紧密联系。

3.资源共享困难。目前教学建设在数据采集、开发使用等方面不具备统一平台，导致资源勘查专业内难以实现资源共享，大大降低了科研效率和教学质量水平。

（二）课程实践方面

实践教学是资源勘查专业人才培养的关键环节[9]。目前学生实践环节主要包括野外实践教学（野外现场观察和勘探）和实验室实践教学（室内岩石标本和各类显微标本观察），两者结合文字及相关图件来分析地质构造和形成过程。

野外实践教学受专业的影响在诸多方面受到限制：一是资源勘查专业主要涉及地下岩体结构、地下构造、资源分布等方面，实践场地多为野外的崇山峻岭，地质条件艰苦，危险系数高，学生自身安全难以保证。例如矿产勘查野外作业中的槽探工程、钻探工程等，其相关实地工程设计、野外采样、地质勘查等，都需要较高的安全条件保障，学校难以达到保证每个学生生命安全的实践教学条件。二是地下岩体、矿体形成过程等现象难以开展真实实验。例如地壳深部地质体的形成往往经历数百万年，其真实环境难以再现，地下岩体分布形态、含矿构造等不借助勘查手段也难以直接观察到。三是野外实践周期较长，少则数周，多则半年。大部分矿产勘查项目从开始到结束往往需要经过几年的时间，从而导致学生要想系统地学习野外实践知识需要的周期较长。但是，对学校、学生来讲，并没有足够多的时间用于参加野外实践。四是部分实践涉及的项目施工耗资较大，且不可逆转，实践无法重复。五是目前在新冠病毒肺炎疫情的大环境下，学校严格防控人员出入，外出实习机会骤减。多重限制条件导致学生实习机会较少，对野外实践缺乏理性认知。

实验室实践教学中，涉及到实验室可使用设备台套数不足、实验室可操作空间有限等实际问题，在教学过程中多采用老师实际操作演示、学生记录的教学方式，同时受课长时间的限制，导致学生可实际独立练习的时间有限，受益较浅，大大降低了教学效率和学生实际动手能力。

为了克服上述局限性，我校申请建设了地质矿产资源勘查与开发虚拟仿真实验教学平台，结合多媒体、大数据、三维建模、人工智能等网络化、数字化、智能化技术手段，将现有的勘查、科研项目成果转化为虚拟仿真教学资源，初步建立基于虚拟仿真实验平台的实践教学。

二、虚拟仿真实验教学体系建设

虚拟仿真实验教学是教育信息化的有效手段之一，是适应信息化条件下知识获取方式和传授方式、教和学关系的重要变革，是基于现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措[10]。

（一）建设思路

资源勘查虚拟仿真实验教学体系是以地球科学新成果和现代成矿理论为基础，以计算机技术、数字模拟、互联网技术等手段为依托，结合实物仿真、实验条件自主设计、数据分析处理及教学管理，形成的具备开放性、交互性和可扩展性的综合性实验教学体系[11]。我校虚拟仿真实验教学体系建设思路如下。

第一，该系统的设计建立在真实可靠的野外实践采集数据之上，对野外数据进行处理与制作开发，为建设虚拟仿真平台奠定基础。

第二，构建虚拟仿真实验教学平台，以可视化软件为用户交互操作平台，构建不同类型实验项目的实物仿真场景，我校自主研发了直径8 m 的360 度沉浸式环幕仿真教学平台（图1）和能够同时容纳60 人开展实验教学的VR+虚拟仿真平台（图2）。

图1 360 度沉浸式环幕仿真教学平台

图2 VR+虚拟仿真平台

第三，构建虚拟仿真实验教学平台的后台支撑层、管理系统，用以保障实验项目正常运行，负责整个基础系统的运行、维护和管理。

（二）建设内容

目前，我校虚拟仿真教学体系主要内容为以下三个虚拟实验教学系统：（1）普通地质学实践三维虚拟实验教学系统；（2）矿床学三维虚拟实验教学系统；（3）岩石学三维虚拟实验教学系统。每个教学系统划分了多个仿真实验，如图3 所示。

图3 虚拟仿真实验教学体系建设内容

三、虚拟仿真技术特点及在教学改革中的应用效果

资源勘查虚拟仿真实验教学体系具有其专业特色的全面性、系统性和衔接性，与传统现场教学相比具有以下基本特点。

（一）仿真性和虚幻性

可实现真三维效果，模拟客观世界中当前存在或不存在的真实环境，有效解决传统野外教学地质空间和时间难以建立的难题。

（二）交互性和沉浸性

虚拟仿真系统中使用者可获得多种真实感知，有身临其境之感，实现沉浸式和交互式学习，提升学生自主学习能力、科研素质和创新能力。

（三）共享性

多媒体、互联网等技术的引用，使野外实践教学不受时间、地点等条件的制约，并实现教学资源高度共享。

虚拟仿真实验教学作为课堂教学和集中实践环节的重要补充，一是改进了传统实践教学手段和方法的单一，解决了教学方式固定化、模式化，难以实现沉浸式和交互式学习的问题；二是新的教学形态及丰富的教学资源提高了学生学习积极性及自主学习能力；三是实现了传统教学模式下难以完成或不具备的教学功能。资源勘查主要研究地下深部岩体构造及分布状态等内容，虚拟仿真实验可通过数据基础构建理想的虚拟场景，直接有效地观察其分布形态，提高实验教学及研究的效率；四是实现了勘查现场的虚拟仿真，尤其涉及不可逆的工艺及不安全的场所，勘察人员不需要到野外就能体验真实的工作环境，为矿山安全生产、人员生命安全提供重要技术保障。

四、结束语

虚拟仿真技术使学生不仅可以直观、便捷和高效地学习掌握现代地球科学基础和矿产勘查科学等理论知识，深刻理解矿产形成的背景、条件和分布规律，而且可以通过虚拟仿真平台对三维矿产地质模型进行观察研究，通过补充新的野外数据，分析地质模型的改变情况，提出成矿的新观点、新认识，深化成矿理论。可见，虚拟仿真技术在地质矿产领域对高素质人才的培养，具有明显的优越性。

构建虚拟仿真实验教学体系是进一步丰富教学理念，深化和完善教学内容和教学方法，实现教育信息化的重要举措。随着现代信息化技术的不断更迭，虚拟仿真实验存在着巨大的发展空间和广阔的发展前景。