基于“虚实结合”的成岩/成矿过程实验教学探索

谢宏 蒋玺 唐波 杜丽娟

［摘 要］岩石学、矿床学是地质类专业的核心课程，笔者针对这些课程传统实验教学中存在的真实场景及原理难以再现、教学资源有限、验证性实验过多等问题，基于“虚实结合”实践平台进行成岩/成矿过程实验教学探索，倡导集实操验证与虚拟仿真于一体的教学方式，构建了虚拟仿真实验教学平台，设计了实验教学内容及教学过程，实现了“虚”“实”教学方式的有效融合。

［关键词］“虚实结合”；虚拟仿真；教学方式；成岩/成矿过程；实验教学

［中图分类号］G642.423［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）06-0049-04

随着互联网、数据库、人机交互、网络通信、虚拟现实等信息技术飞速发展，虚拟仿真实验逐渐应用于高校地质类课程教学中[1]。通过构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，能够展现原本不可视的结构、现象或科学原理，解决目前实验做不到、做不好的问题[2]。“虚”“实”教学方式深度融合，能夠使学生获得真实情境的学习体验，显著改善教学效果。

一、成岩/成矿过程虚拟仿真实验设计背景

成岩/成矿过程虚拟仿真实验教学主要为岩石学、矿床学等课程教学服务。作为地质类专业的核心课程，岩石学、矿床学等课程内容繁杂、理论抽象，通过研究地球内部各种矿物、岩石的成分、结构构造、物理化学特性等，解决岩石、矿石的产生方式、演化历史、分布规律及资源利用等问题。其中，成岩/成矿作用是贯穿课程教学内容的主线。

岩石学、矿床学课程非常注重理论与实践的结合，强调对学生实践能力和创新能力的培养[3]。成岩/成矿过程实验有助于使学生在略显枯燥的理论学习中产生浓厚的学习兴趣与求知欲，加深对理论知识的理解，获得开展科学实验的基本训练。成岩/成矿过程实验教学方式的变革是课程内涵提升的重要抓手。

（一）传统实验存在的问题

传统的岩石学、矿床学实验教学主要基于图片和文字介绍，依靠岩石、矿床的手标本、光/薄片标本进行，往往存在着如下几个问题。

1.成岩/成矿过程难以直观再现，学生难以深入理解

各类岩石、矿产往往要经历数百万年，甚至数亿年的地质变化才能形成，其形成过程漫长而复杂，看不见、摸不着，甚至难以想象，真实成岩/成矿过程及成岩/成矿环境难以再现。已经形成的地下岩体/矿体的分布状态、控矿构造的空间展布、围岩蚀变的发育特征、矿化期矿化阶段的演化等，均难以在野外直接观察到。学生没有接触野外实际的经验，仅依赖理论课堂上讲授的内容、通过碎片式的实验标本，难以复原实际场景[4]。

2.实验教学资源有限，系统性不足

地质类课程实验对样品要求较高，天然样品往往只保留了地质过程最终演化阶段的一些信息，如何从天然样品反演和追踪成岩/成矿的条件、过程和机制是一大难题[5]。各种岩石、矿床类型繁多，地质影响因素复杂，且实验标本的采集工作受到采集者认识水平等主观条件的制约，实验室只能获取部分天然样品，很难完整、系统、典型地展现整条地层剖面或整个矿床的面貌。野外实践教学虽能收集到较全面的资料和数据，但又涉及项目过程周期长、外出实验成本高、野外实验安全风险大等问题[6]。现有资源的零散性致使师生在课堂上只能选择一些主要的知识点进行实践，无法做到面面俱到，难以让学生建立全面的知识体系，基于实验室样品探究成岩/成矿过程实际运行困难。

3.以验证性实验为主，缺乏有效教学手段

传统实验多为验证性实验，如结构构造、矿物质组成、岩/矿石命名、矿床成因验证等。虽然验证性实验能够帮助学生了解岩/矿石的成分、结构，使书本上抽象的理论具体化，但由于传统实验教学中验证性实验占比过大，整个实验过程缺乏启发性、挑战性和探究性，导致学生先于实操获知了实验结果及结论，不可避免地按照先入为主的思维定式展开实验操作，难以根据实验现象综合深入探究成岩/成矿作用过程，这不利于培养学生的设计能力和创新思维，不能完全实现实验初衷。

（二）虚拟仿真实验必要性分析

虚拟仿真技术的快速发展为消除传统实验存在的风险性、局限性和不可实现性等弊端提供了有效的途径。成岩/成矿过程虚拟仿真实验能够生动刻画不同地质背景下壳幔相互作用、地壳演化、构造运动、岩浆作用和流体活动等导致元素活化、迁移、聚集、沉淀和成岩/成矿的过程，揭示岩石、矿床形成的自然环境，实现以虚补实、以虚验实、以虚促实，达到真实实验难以达到的教学效果。

1.以虚补实

成岩/成矿过程虚拟仿真实验能够模拟地下深部地质体的分布特征，可以全方位多角度地展示岩浆/热液—构造—流体—成岩/成矿的耦合关系，实现地质现象和地质过程的动态模拟，将人类历史中不可复见的成岩/成矿过程数字化、可视化，让学生真实观察岩体/矿床的地质特征、控矿因素及时空分布规律[7]，身临其境地体验地质体形成的“源—运—聚—储”等复杂地质过程。

2.以虚验实

通过虚拟仿真验证基础性实验的预设结论，并进行分析研判。例如，将手标本及岩石薄片放在放大镜及偏光显微镜下鉴定砂岩的矿物成分、含量、结构构造，在充分分析石英、长石、岩屑的类型、含量、显微结构及填隙物类型、胶结方式、支撑类型等的基础上，判断砂岩形成的水动力条件、搬运距离的远近、沉积介质的酸碱度、沉积区的气候状况、物源区的岩石性质等，进而推断成岩过程。以此为基础，利用虚拟平台可以清晰地展示砂岩形成作用、沉积环境和成岩过程，对所推断结论加以验证。

3.以虚促实

现代高科技手段构造出的逼真的成岩/成矿过程画面，突破了传统的单一的实验教学方法，极大地增强了学生的沉浸感和真实感，增添了教学趣味性。学生通过在虚拟环境中对推断结论进行验证，在不断知错、改错的过程中，提升对地质现象“将今论古”的解读水平，加深对成岩/成矿相关理论的理解，增强分析解决实际问题的能力。

二、成岩/成矿过程虚拟仿真实验教学平台

（一）基础条件

成岩/成矿过程虚拟仿真实验教学以传统的岩石学、矿床学课程实验为基础，是传统实验教学的有机拓展和升华。它要求实验室配备充足的不同类型岩石标本，以及具有典型代表性的系统的矿石、围岩标本；此外，还要求实验室配备一人一台透射/反射偏光显微镜，并利用数码拍摄技术和网络传输系统将学生显微镜和教师显微镜有机联系在一起，形成显微数码互动实验系统，实现师生之间、生生之间镜下图像的实时传输以及一对一、一对多的交流互动，克服传统显微镜设计的个体性和封闭性带来的教学缺陷[8]。

（二）虚拟仿真实验系统建设

所建设的虚拟仿真实验系统包括成岩/成矿过程虚拟仿真实验室1间、成岩/成矿过程软件1个、典型模型13个、模型存放柜13个、台式计算机2台、模型展示台50套。其中，成岩/成矿过程软件要求包含实验项目的核心模块，能形象反映各类岩石/矿床的形成过程；典型模型要求模型能够反映各类岩石/矿床的形成过程及形成环境，各模型以組合形式表现，针对各类岩石/矿床形成过程中的每个重要阶段均制作一个子模型，所有的子模型最终可以组合成一个外观具备该类岩石/矿床典型地貌特征形式的景观模型，且所有子模型与软件模块所模拟的分阶段对应；模型存放柜用于分别存放13个实验项目的子模型，每个实验项目的子模型数量根据实验项目需表现的画面确定，每个子模型能单独形成独立个体；模型展示台要求展示台与模型尺寸相适应，桌椅配套。

三、“虚实结合”的成岩/成矿过程实验教学实施

（一）实验课程教学内容

“虚实结合”成岩/成矿过程实验课程的教学内容主要为：保留岩石学、矿床学课程传统实验的部分基础实验，包括岩石/矿床手标本的观察、光/薄片标本在透射/反射偏光显微镜下的岩矿鉴定、地质图的判读等。在此基础上，稳步增添专业综合性更强、智能化程度更高的虚拟仿真实验，实现成岩/成矿过程实时观测与分析、成岩/成矿条件变化监测与提示、实验结果网络提交与云存储等功能，展现原本不可视的成岩/成矿过程及原理，充实并拓展传统实验课程体系。

学生在“实”的教学环节中，学会判断岩/矿石成分、结构、构造，初步分析岩/矿石成因；通过虚拟仿真“虚”的实验，记录成岩/成矿过程，改变成岩/成矿条件，观察成岩/成矿过程的状态变化，在教师的引导下分析实验现象，辨析实验方案存在的问题，从而做到既知道实验结果“是什么”，又领会到实验过程“为什么”。

（二）虚拟仿真实验教学过程

按照教学改革思路，笔者摸索并确立适合地质学特色的教学运行模式：以实为本，以虚补实，虚实结合。本文以岩浆爆发成岩/成矿过程实验项目为例，介绍虚拟仿真实验教学过程及效果。

第一步：“实”的教学环节，主要进行标本观察和图件判读。利用手标本及光/薄片标本，借助放大镜、透射/反射偏光显微镜判定岩/矿石成分、结构、构造、围岩蚀变等，收集山东蒙阴、辽宁瓦房店等地金刚石典型矿床的地质资料，包括矿床地质图、剖面图等，初步分析矿床成矿作用过程。

第二步：选择虚拟仿真外观模型。根据实验对象、内容及要求选择实验外观模型（见图1），建立岩浆爆发成岩/成矿过程的整体映像。

第三步：根据实验步骤，用4个子模型呈现岩浆爆发成岩/成矿过程（见图2）。

子模型1表现的是地下深处（地幔）岩浆房中的岩浆处于高温、黏稠、熔融状态。子模型2表征了岩浆房中的高温高压超基性岩浆通过深大断裂快速上升，直达地表。子模型3展现了地幔岩分熔→晶出原生矿物共生组合（如橄榄石、铝镁铬铁矿、镁铝榴石、金刚石等）→快速冷凝形成具有斑状结构、气孔状构造、流纹状构造等的喷出岩的过程；此过程中，地幔碳在深大断裂上升通道中由于温度压力骤降，快速冷凝结晶形成很小的、呈晶芽状的金刚石。子模型4呈现的是金刚石矿床——岩浆爆发矿床的形成过程。深大断裂中的金刚石与炭质围岩混染，金刚石晶体长大，同时由于挥发分膨胀，岩浆爆发，在爆发岩筒中金刚石初次富集；已形成的火山通道被熔浆所胶结的爆发角砾岩所充填，通道常被堵塞，致使堵塞部分以下的压力重新增高，达到极限时又引起新的爆发，金刚石再次富集；经过多次岩浆爆发作用，金刚石被携带和富集于爆破岩筒或裂隙的某一部位中，形成岩浆爆发成因金刚石矿床。

四、结语

成岩/成矿过程虚拟仿真实验作为一种新型的教学方式，与真实实验相互补充，既能避免实验完全虚化而与实际脱节，又能弥补传统教学条件的不足，打破空间、时间的限制，有效促进实验教学的形象化、鲜活化，解决实验条件不足、不便开展的问题，同时还能丰富实验内容、提高实验效率。通过营造支撑本科教学、硕博培养的仿真模拟综合性实验环境，能够充分发挥学生自主学习的主观能动性，增强学生的实践能力及分析和解决复杂问题的能力。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 强伟帆，郭艳军，周哲，等.虚拟仿真技术在地质学中的应用[J].高校地质学报，2020，26（4）：464-471.

[2] 董桂伟，赵国群，王桂龙，等.高等工程教育虚拟仿真实验教学的分析与思考：基于278项国家级虚拟仿真实验教学项目的描述性研究[J].实验技术与管理，2022，39（12）：199-204.

[3] 陈华勇，程佳敏，张俊岭.多维度矿床学研究：现状与未来展望[J].地质科技通报，2022，41（5）：1-4.

[4] 唐利.隐伏矿床定位预测虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].教育教学论坛，2021（24）：1-4.

[5] 熊小林，侯通，王小林.实验矿床学的发展现状和前景展望[J].地球科学，2022，47（8）：2701-2713.

[6] 林伯韬，王振宇，侯冰.石油工程岩石力学课程实验教学改进措施探讨[J].大学教育，2023（8）：56-58.

[7] 石文杰，李艳军，谭俊，等.三维可视化矿产勘查实验教学系统建设及应用[J].中国地质教育，2023，32（1）：82-87.

[8] 曹俊，陶继华，胡宝群，等.显微数码互动实验系统在“岩浆岩石学”实验教学中的应用研究[J].东华理工大学学报（社会科学版），2020，39（5）：492-495.

［责任编辑：周侯辰］