构造运动与地貌实验虚拟仿真设计与建设

易 层，丁树文，林丽蓉，石 磊，谭文峰，刘 凡

（华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070）

0 引言

实验虚拟仿真是利用信息化仿真相关技术创建、重塑（优化）或还原实验实践教学场景，实现教学功能的数字化资源。实验虚拟仿真具有突出学生主体地位、智能化程度高、开放共享特征明显、对技术政策依赖强等特点［1］。它是信息技术与专业实验教学的深度融合，是高等教育信息化建设的重要内容，也是实验教学改革和发展的方向。将地学与虚拟仿真技术深度融合，是当今地质学教学的迫切需求，也是未来地质教学和科研的一个必然发展趋势［2］。

构造运动与地貌涉及一系列综合知识，相关内容一直是《地质与地貌学》课程重难点，对于农业院校的学生了解土壤分布、土地利用和农业布局、农田基本建设的工程措施等有重要意义［3］。构造运动与地貌涉及知识点具有时间尺度长（百万年为单位）、空间尺度大（板块运动）、动态演化复杂的特点（岩石及地貌均在变化），实验操作学生“做不上”。此外，该实验场所不可及并具有高危性，学生“做不了”。通过实验虚拟仿真，可以模拟高风险、极端条件下（如火山作用）的实验，解决地质类实践教学难开展、地球深部不可见等问题，使实践教学不再受时间和空间的限制，有效弥补了传统实践教学的不足［4］。同时，实验仿真提供了丰富的教学资源，实现课程实践环节的数字化，为学生开展探究性自主实验、合作学习和创新实践提供了先进手段［5］。

1 实验设计思路

农业院校的学生学习地质类课程有别于传统地质院校，秉承“以学生为中心，以重点内容为抓手”的理念，克服“精度欠缺、内容单薄、交互不足、应用缺乏”等实验虚拟仿真建设常见困难［1-2，6］，同时充分调研，避免重复建设［7-9］。设计知识架构合理、符合农业院校学生学习要求的实验虚拟仿真，服务于“新农科”建设和“乡村振兴”战略实施。

实验仿真以“构造-地貌-岩矿”为主线，时空上由宏观、中观到微观，突出逻辑性和创新性，符合学生认知规律。实验以地貌为核心，向前追溯到引起地貌形成的构造运动，向后延伸到地貌的物质基础——矿物岩石，“致广大而尽精微”。同时加入了农业与地质相关素材，内容着重系统性、实用性和趣味性。

2 实验方案及建设内容

2.1 实验整体设计框架

2.2 实验内容及操作

（1）认识构造运动及分类。构造运动是指地壳的机械运动，也称地壳运动［3］。根据地壳构造运动的方向分为水平运动和垂直运动。学生通过模型了解水平运动［见图2（a）］和垂直运动［见图2（b）］的特点，用鼠标拖动观察大峡谷随着时间推移，在地形地貌上显示的动态演化过程。此部分需完成4 道思考题。

图2 构造运动基本方式

（2）识别褶皱构造。地质构造主要分为褶皱构造和断裂构造。其中褶皱的基本单位是褶曲，包括背斜和向斜两种基本形态；图3 所示为褶曲的形成过程，学生通过移动下拉框对地质体施加水平方向的作用力使地质体形成褶曲，褶曲要素如图4 所示。

图3 褶曲的形成过程

（3）识别断裂构造。断裂构造根据两侧地质体是否有明显的位移，分为节理和断层。学生通过鼠标操作了解断层面、断层线等要素，识别正断层、逆断层和平移断层（见图5）的特点。此步骤学生除了识别断裂构造的特点之外，还需完成2 道思考题（见图6）才能进入下一步。

图5 断裂构造要素

图6 关于断层的思考题

（4）认识各类型地貌。学生通过图片、文字介绍等，观察水平岩层地貌、倾斜岩层地貌、褶皱地貌和断裂地貌的特点。此部分提供褶皱地貌、节理地貌和断层地貌典型实物照片，加深学生对这一概念的理解。

（5）我国典型地貌——长江。长江是我国第一大河流，同时也是世界稻作文明的中心。它的形成与演化与内外力地质作用息息相关。学生通过鼠标操作，认识长江上、中、下游的地质作用特点（见图7），了解长江的起源及演化进程。学生同时还需要观看一个思政类视频（见图8）并完成6 道思考题。

图7 长江流域地貌模拟

图8 习近平总书记考察长江相关视频

（6）我国典型地貌——恒山断层崖。恒山断层崖是我国典型的断裂地貌。模拟恒山的地形地貌特点（见图9），学生可点击720 云链接查看地貌景观，学生需完成5 道思考题。题目的设置注重课程思政（见图10），培养学生家国情怀。

图9 恒山断层崖地貌模拟

图10 借“愚公移山”的故事设置思考题

（7）我国典型地貌——丹霞山。学生通过鼠标拖动，认识丹霞地貌形成的动态过程（见图11）。动态过程包括陆相红层沉积、重力坍塌形成陡崖、丹霞地貌形成后的演化3 个阶段。注重突出“变”的过程。

现阶段，在乡镇中财政管理与会计核算分属于两个部门，但是在功能的角度上来看，这两个部门之间的联系非常密切的，既是相互监督也相互协调的关系。只有实现二者之间的相互协调相互监督才能实现乡镇财政工作的有序开展。但是，在一部分乡镇当中，相关管理部门对于两项工作进行了混淆，甚至出现了一个部门兼顾两个部门工作的情况，如果财政部门独揽本职工作与会计核算工作，就会出现职权划分的问题，增加了管理工作的难度，也会使得监管部门无法有效实施监管工作。

图11 广东丹霞山地貌模拟

（8）我国典型地貌——张家界峰林。张家界峰林是我国节理地貌的典型代表。学生通过模型及720 云全景照片识别节理地貌的典型特征（见图12）。

图12 张家界峰林地貌模拟

（9）我国典型地貌——四川四姑娘山。四川四姑娘山是我国褶皱地貌的典型代表。学生通过模型及720 云全景照片识别褶皱地貌的典型特征（见图13）。

图13 四川四姑娘山地貌模拟

（10）我国典型地貌——黄山一线天。黄山一线天是我国节理地貌的典型代表。学生通过模型识别节理地貌的典型特征（见图14），同时需完成1 道思考题（见图15）。

图14 黄山一线天地貌模拟

图15 黄山地质地貌相关答题

（11）野外采集矿物标本。采用游戏界面模拟地质队员在野外采集矿物标本的过程，学生使用鼠标及键盘控制人物的行走及标本敲击、采集（见图16（a）、（b））。野外采集标本在短暂的实验课时中无法完成，满足以虚补实的要求，同时增强了学生沉浸感。

图16 地质队员野外采集标本过程

（12）矿物鉴定。矿物岩石鉴定是地质类实验课程的重要内容［10-12］，课堂上学生观察的标本存在特征不明显、易损坏等缺陷，此步骤模拟实验操作，将野外采集的矿物岩石通过与实验室同样的方法（小刀、白瓷板、放大镜、稀盐酸）进行鉴定（见图17），学生通过鼠标点击工具包，分别选用小刀、白瓷板判断矿物的硬度及条痕特征，通过放大镜观察矿物的微观形貌，通过滴稀盐酸判断矿物是否为碳酸盐矿物。素材借助课堂标本拍摄处理获取，注重凸显标本的重要特征供学生观察，此部分内容与课程虚实结合、以虚补实。此部分需完成3 道思考题。

图17 用小刀测量石英硬度

（13）常见矿物图鉴。通过高清矿物图片及文字素材，展示常见的共37 种矿物的特点（见图18）。学习后需完成答题共3 道。

图18 矿物概览

（14）野外采集岩石标本。此步骤原理及操作同步骤（11）。

（15）岩石鉴定。利用地质与地貌学教学实验室的标本，对其进行三维激光扫描。包括岩浆岩（花岗岩）、沉积岩（砂岩、砾岩）、变质岩（板岩、大理岩）三大类代表性岩石（见图19）。学生通过在课堂学习到的操作技能对岩石类别进行鉴定。此部分需完成4 道思考题。此部分通过构造-地貌-岩矿关系图（见图20），帮助学生对实验仿真总体设计的理解。

图19 岩石模型

图20 构造-地貌-岩矿逻辑关系

（16）常见岩石图鉴。通过高清矿物图片及文字素材，展示常见的3 大岩共96 种岩石的特点（岩浆岩47 种，沉积岩26 种，变质岩23 种）。学生需进一步巩固岩石学知识。

3 实验特色

3.1 实验设计特色

（1）突出“观宏与探微”。板块运动的宏观性和矿物的微观形貌均是课堂不易开展的实验内容。仿真系统从时空尺度上分为宏观、中观和微观3 个部分。宏观以构造地质学为理论基础，分别从静态和动态全面展示构造运动与地质构造特征；中观以地貌学为基础，体现典型地貌的特征和分布；微观以矿物岩石学相关理论为基础，以地貌物质组成为切入点，从野外采样到标本鉴定和显微镜下薄片观察。从宏观到中观再到微观的设计理念增强系统逻辑性，符合学生认知规律。

（2）实现“克难与交叉”。农业资源与环境等非地质类专业的学生学习地质类实践课程具有较高难度，尤其是构造运动与地貌相关内容。实验设计抓住学生学习的痛点，完成重难点教学内容的仿真，解决了知识点难理解，教学环节不易开展的难题［13］。同时，拓展了传统课堂的知识体系，以“构造-地貌-岩矿”为主线，注重多学科交叉，通过有限的资源完成丰富的模型仿真，符合通过实验仿真提升传统课程的深度与广度的要求［14］。

3.2 教学方法创新

（1）“红色”引领，“绿色”发展。良好的实验虚拟仿真教学项目需紧紧围绕立德树人的根本任务［15］。在教学方法融入课程思政，引导学生不仅要知山知水，还要治山治水，才有青山绿水。

（2）“以美育人，美美与共”。通过图片、动画和视频向学生展示壮美山河和精美矿物岩石标本，激发学生对课程的热爱和对专业的自信。

（3）以“变”应“不变”。通过模拟地貌的前世今生，让学生了解地貌、岩石是在不断变化的，突破思维定式，培养学生“变”的思维，体现课程高阶性。

4 结语

建设高质量实验虚拟仿真教学课程是发展高质量高等教育的具体任务，是创新人才培养方式、实现“智能+教育”的具体举措［16］。构造运动与地貌实验虚拟仿真自2021 年纳入《地质与地貌学实验》《自然地理学实验》教学大纲，至今共有1 000 余学生使用。学生使用虚拟仿真系统后，学习效果显著增强，对“构造-地貌-岩矿”有更清晰的认识，并应用于土壤与地质教学实践及土壤普查等科研项目。学生能力和素质得到提升，学生评价该实验仿真“专业性强、素材丰富、融合课程思政及趣味性”。