張剛陽，陳翠華，王國芝，丁 楓，郎興海，陳 思，霍 艷，趙 亮

成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059

實踐教學

礦產勘查地質學虛擬仿真實驗教學體系的建設與實踐

張剛陽，陳翠華，王國芝，丁 楓，郎興海，陳 思，霍 艷，趙 亮

成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059

礦產勘查地質學是資源勘查工程專業(yè)的核心專業(yè)課，是培養(yǎng)學生工程實踐能力重要的實踐性、綜合性和應用性課程。在教育部推進“虛擬仿真實驗教學”和“卓越工程師培養(yǎng)計劃”的背景下，本文介紹了成都理工大學建設的礦產勘查地質學課程虛擬仿真實驗教學資源，實現(xiàn)了科研成果向實驗教學資源的轉化，初步形成與“實體實驗”優(yōu)勢互補、相輔相成的虛擬仿真實驗教學體系。

礦產勘查地質學；虛擬仿真；實驗教學

資源勘查工程專業(yè)是成都理工大學特色學科專業(yè)之一，人才培養(yǎng)質量和學科排名優(yōu)勢顯著。2008年被批準為“國家級特色專業(yè)”，2011年獲批教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”專業(yè)[1]。該專業(yè)以培養(yǎng)學生在西部地區(qū)復雜地形地質條件下，具備固體礦產資源勘查的工程設計能力、工程實踐能力和工程創(chuàng)新能力為目標。礦產勘查地質學是資源勘查工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，是一門實踐性、綜合性和應用性很強的課程，在培養(yǎng)學生資源勘查的工程設計、實踐和創(chuàng)新能力方面具有重要地位[2-5]。因此，實驗教學資源的建設是礦產勘查地質學課程內涵提升的重要內容，在培養(yǎng)學生工程實踐能力方面具有重要意義，受到了許多地質學家和教育家的格外重視[6-10]。

為推動學科專業(yè)與信息技術的深度融合、深化國家級實驗教學示范中心的育人戰(zhàn)略、培養(yǎng)學生的工程實踐能力，教育部實施了“卓越工程師”教育培養(yǎng)計劃和“虛擬仿真實驗教學示范中心”建設計劃[11-12]。在此背景下，依托成都理工大學地質學國家級實驗教學示范中心和資源勘查工程卓越工程師培養(yǎng)計劃，我們開展了礦產勘查地質學虛擬仿真實驗教學資源的建設工作。基于虛擬仿真技術以及Surpac、Micromine和3DMine等三維礦業(yè)工程軟件和現(xiàn)有的西南地區(qū)礦產勘查科研成果，開展了“地球化學測量”、“探槽、鉆探、平硐工程設計和地質編錄”等一系列虛擬仿真課程實驗項目的內容建設，實現(xiàn)我校科研成果向實驗教學資源的轉化，初步形成了與傳統(tǒng)實體實驗教學系統(tǒng)優(yōu)勢互補、相輔相成的礦產勘查地質學虛擬仿真實驗教學體系。

一、礦產勘查地質學的特色和實驗教學難點

1.課程的特色

礦產勘查地質學是資源勘查工程專業(yè)的核心專業(yè)課程。課程以礦床學為基礎，綜合巖石學、礦相學、構造地質學、勘查地球化學等多門專業(yè)基礎課，以礦產預測和勘查評價為中心內容，以提高礦產勘查效果為目的應用地質學。課程主要包括礦產預測、礦產勘查與礦產資源評價等基本教學內容，它不僅需要現(xiàn)代地球科學和礦產勘查科學的理論教學，同時需要配套開展礦產資源的預測、勘查和開發(fā)等相關的工程實踐教學[3]。

為了培養(yǎng)學生的工程實踐能力，礦產勘查地質學課程之前的專業(yè)基礎課程從室內實驗和野外實踐等兩個層面開展了一系列的實體實驗教學。學生在大學前兩年先后完成了基礎地質實驗室和礦床地質實驗室開設的室內實驗教學，以及峨眉山野外地質認識實習、四川江油馬角壩綜合地質填圖實習等兩個野外實踐教學，初步具備了地質學方面的知識基礎和野外地質技能。礦產勘查地質學課程安排在大學三年級，設計有48學時的理論教學和32學時的實驗教學。在此之外，為強化學生工程實踐能力的訓練和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在完成生產實習之后的大四上學期，安排了160學時的綜合課程設計，以保障充足的學時數量，專門開展礦產勘查的實踐性、綜合性和應用性的實驗教學。

礦產勘查地質學的實踐教學主要是開展找礦遠景區(qū)圈定、勘探方法的選擇和勘探工程的布置、勘探工程編錄和圖件編制、礦體資源量計算等實驗教學內容。實驗方法主要基于Mapgis、Surfer平面圖形軟件和Excel等數據表，培養(yǎng)學生在礦產預測和礦產勘查等方面的工程實踐能力。然而，對于礦產勘查過程中區(qū)域地球化學探礦、重型山地工程的地質編錄、礦山開采和選礦實驗等重要勘查手段和礦山采選作業(yè)等內容的實踐教學，由于各種條件限制難以開展。

2.傳統(tǒng)課程教學面臨的難點

與資源勘查工程相關的綜合性探礦工程實驗項目，具有高成本、高風險、高投入和周期長的特點，進行相關實驗教學非常困難，所以傳統(tǒng)的實體實驗教學主要依靠圖片和文字介紹，難以滿足這類大型綜合性實驗項目的實驗教學需求，主要存在如下問題。

（1）實驗特殊條件的限制，難以在真實的實驗教學平臺開展。如礦產勘查的野外工程設計和地質編錄等系列實驗項目，包括地球化學測量、探槽工程、鉆探工程、平硐工程等屬于大型、綜合型實驗，其相關的工程設計、地質編錄、野外采樣等具體實驗內容，要求的野外保障條件高，野外工程延續(xù)時間長達數年，并且具有各種不確定的安全因素，學校不具備開設相應實驗教學的條件。

（2）地殼深部地質體形成過程，控礦規(guī)律分析等屬于大型綜合性的實驗項目，難以在室內或者野外開展真實的實驗。地質礦產的形成過程往往經歷數百萬年，其形成過程看不見、摸不著，真實環(huán)境難以再現(xiàn)。地下礦體的分布狀態(tài)、含礦構造的延伸、圍巖蝕變的帶狀特征、成礦期次階段的演化等內容，均難以在野外直接觀察到。而虛擬仿真實驗則能夠模擬地下深部地質體的分布特征，可以全方位多角度的展示巖漿－構造－流體－成礦的耦合關系。

（3）放射性鈾礦等核資源勘查工程屬于高危、高污染的實驗教學內容。由于鈾礦物樣品具有放射性，礦物長期儲存和展示的空間具有放射性殘留，對環(huán)境和人體具有一定的危害。因而鈾礦物標本的識別和鑒定等現(xiàn)有開設的實驗教學內容需要格外注意安全防護，每次實驗時間過短，難以開展有效的實驗教學內容。鈾礦床勘查等實驗內容，一直沒有開展具體實驗。

為了克服上述局限性，我們利用計算機仿真技術結合三維礦業(yè)工程軟件，以我?，F(xiàn)有的科研項目成果轉化為虛擬仿真實驗教學資源，初步實現(xiàn)在虛擬環(huán)境下礦產勘查綜合性實驗項目的教學。

二、虛擬仿真實驗教學資源的建設

1.建設的原則和目的

礦產勘查地質學課程虛擬仿真實驗的建設是成都理工大學實施高等教育信息化建設和地質學國家級實驗教學示范中心建設的重要內容之一。虛擬仿真實驗建設遵循“以實為本、以虛補實、虛實結合、安全共享”的原則[11-12]。其主要目的是：

（1）以礦產勘查地質學課程的虛擬仿真實驗資源的建設，帶動相關課程利用虛擬仿真技術，解決地學專業(yè)部分實驗項目在真實條件下難以實現(xiàn)、具有放射性危害實驗項目、實驗項目成本高周期長等實際問題。

（2）加強學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求。學生可以利用虛擬仿制實驗資源，開展“預查－普查－詳查－勘探”等全流程勘探工程的設計、工程驗證、地質編錄、儲量計算，提高實驗教學效果，增強學生的工程設計能力和創(chuàng)新能力。

（3）以共享礦產勘查地質學優(yōu)質的實驗教學資源為核心，推進各地學相關專業(yè)與信息技術的深度融合，將科研成果轉化為實驗教學資源，搭建一個開放的平臺—礦產資源勘探開發(fā)的虛擬仿真教學訓練平臺，面向校內外開放，發(fā)揮平臺效益的最大化。

2.平臺的構建

按照礦產勘查和開發(fā)利用的不同階段，虛擬仿真實驗教學的建設具體分為找礦遠景分析、礦區(qū)尺度勘查和礦產資源開發(fā)利用等三個平臺，分別設置不同的實驗項目。與傳統(tǒng)實體實驗教學系統(tǒng)構成虛實結合、優(yōu)勢互補、相輔相成的實驗教學框架（圖1）。

圖1 礦產勘查地質學課程實驗教學項目的建設框架

（1）找礦遠景分析平臺。

找礦遠景分析，即指在某一區(qū)域通過區(qū)域地質調查、礦產調查、化探、物探及遙感等工作手段，確定有利的找礦靶區(qū)，為進一步勘查工作提供依據。本平臺實驗項目以課程教學大綱為基礎，依據行業(yè)技術規(guī)范，結合近年取得的教學及科研成果資料，綜合利用空中遙感圖像、區(qū)域地形地質圖、區(qū)域化探資料等，形成多源地質信息的空間疊合，圈定找礦遠景區(qū)。其中涉及的虛擬仿真實驗項目主要為區(qū)域水系沉積物采樣仿真模擬。

（2）礦區(qū)尺度勘查平臺。

本平臺項目依據實習教學大綱，在學生完成課程傳統(tǒng)教材配套的室內實習項目基礎上，增加虛擬仿真實驗項目輔助開展實驗教學。本平臺實驗項目利用Surpac、3DMine等三維礦業(yè)工程軟件，將典型礦山遙感影像圖、地表地質圖、鉆孔資料和礦石品位數據資料轉化為虛擬三維數字礦山。在虛擬三維數字礦山的基礎之上，設計探槽工程布置和地質編錄、平硐工程布置和地質編錄（含放射性礦產的輻射檢測）、鉆孔工程布置和地質編錄等虛擬仿真實驗項目。項目主要建設斑巖型銅礦、熱液脈狀鉛鋅礦、放射性礦產等不同成因類型的虛擬三維數字礦山。虛擬三維數字礦山依照真實數據資料，建立具有屬性數據的地質塊體、構造線、蝕變巖塊體和礦體塊體模型等。在此基礎之上，學生可以在礦區(qū)范圍內任意地點任何方向，根據勘探階段的不同，設計和布置勘探工程。平臺系統(tǒng)能夠及時生成對應的勘探工程剖面圖，反饋工程探礦結果。平臺同時具備虛擬仿真情景模擬，可以開展探槽、平硐和鉆孔工程的地質編錄實驗。在可視化條件下、人機交互，使學生在虛擬環(huán)境中完成礦區(qū)勘查工作的訓練。

（3）礦產資源開發(fā)利用平臺。

礦產資源開發(fā)利用平臺主要開展了資源量儲量計算、礦山開采和選礦過程等仿真實驗。資源量儲量計算實驗，針對塊狀、板狀、不規(guī)則狀等礦體形態(tài)利用三維礦業(yè)工程軟件，完成距離冪次反比法、多種克里格法等方法的儲量估算、分類和報告。礦山開采主要通過虛擬平臺和三維礦山工程軟件的結合，展示給學生露天開采和地下開采的基本特征。礦山露天開采主要展示開采優(yōu)化、排產、進度計劃以及爆破、運輸等開發(fā)方案；礦山地下開采，主要展示地下礦山的開拓、掘進、爆破、鏟、裝、運等過程，使學生身臨其境理解主要的采礦過程和采礦方法。

選礦過程仿真實驗主要開展礦產資源綜合利用方面的實驗教學，主要模擬選礦車間從破碎篩分、磨礦分級、選別作業(yè)和產品處理等主要過程，選礦方法主要模擬浮選、重選、磁選等方法，使學生在虛擬環(huán)境中初步了解礦石開采之后，選礦的基本過程。

3.礦產勘查虛擬仿真實驗教學的特色

（1）建立了涵蓋從“空中”、“地面”到“地下”等三維立體空間資源探測技術的虛擬仿真實驗教學。虛擬仿真實驗教學資源的建設，體現(xiàn)了資源勘查工程的專業(yè)特點，集中空中、地面、地下找礦勘探信息，實現(xiàn)在虛擬環(huán)境下多層次空間、多視角下地質礦產資源的三維立體勘查，在實踐教學層次上體現(xiàn)了多學科多方法的優(yōu)勢，有利于學生綜合能力的培養(yǎng)。

（2）初步建立復雜地形地質條件下，從區(qū)域找礦、礦產勘探到開發(fā)利用的全流程虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。以礦產資源勘查為主體，初步建立在多時空尺度上貫穿礦產資源勘查和開發(fā)利用的整個過程的虛擬仿真實驗，與實體實驗教學系統(tǒng)構成虛實結合、優(yōu)勢互補、相輔相成的實驗教學體系。

（3）部分創(chuàng)新性科研成果轉化為虛擬仿真實驗教學資源。利用我校承擔的西南地區(qū)多個大型－超大型礦床的科研項目和1∶5萬區(qū)調、化探和礦調項目成果，涉及礦產勘查、礦床成因研究、成礦預測和區(qū)域地質等研究內容，將科研成果轉化為虛擬仿真礦產勘查實驗教學資源，豐富了礦產勘查地質學、礦床學等專業(yè)核心課程的實踐教學內容，形成鮮明的教學特色。

三、結語

實踐教學與課堂理論教學是培養(yǎng)資源勘查工程專業(yè)學生實踐能力和創(chuàng)新能力的兩大教學體系。建立科學、合理、循序漸進的課堂理論教學是實踐教學體系的基礎，而開展綜合性、實踐性、應用型的實踐教學項目是塑造“卓越地質工程師”的重要途徑。虛擬仿真實驗技術初步解決了通常實體實驗教學無法實現(xiàn)的實習內容，如展示三維空間地質體形態(tài)、野外礦產勘查工程部署和地質編錄，放射性鈾礦勘查等實驗教學項目。Mapgis、Surpac、Micromine、3DMine等專業(yè)地質軟件與虛擬仿真技術結合，為礦產勘查工程虛擬仿真實驗實驗教學提供了技術支持。礦產勘查地質學虛擬仿真實驗的建設與現(xiàn)有的“實體實驗”優(yōu)勢互補相輔相成，初步實現(xiàn)我校部分科研成果向實驗教學資源的轉化，進一步增強了培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，提升了我校虛擬仿真實驗教學平臺的建設水平。

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Title:Construction and Practice of Virtual Simulation Experimental Teaching System for Geology of Mineral Resource Exploration

geology of mineral resource exploration; virtual simulation; experimental teaching

G642

A

1006-9372（2017）01-0052-04

2016-10-10。

成都理工大學人才培養(yǎng)質量和教學改革項目(11100-16z056936),中青年骨干教師培養(yǎng)計劃(KYGG201402)和構造成礦學精品課程(XJP1103),成都理工大學地質學國家級實驗教學示范中心(11100-16Z0545),四川省地質礦產資源三維立體勘探開發(fā)虛擬仿真實驗教學中心(11100-16Z0572), 研究生教育改革創(chuàng)新項目(2016-ZX-351,10800-14z0040101)共同資助。

張剛陽，男，博士，講師，主要從事礦產勘查和成礦規(guī)律研究。

投稿網址： www.chinageoeducation.net.cn 聯(lián)系郵箱：bjb3162@cugb.edu.cn

張剛陽，陳翠華，王國芝，等.礦產勘查地質學虛擬仿真實驗教學體系的建設與實踐[J].中國地質教育，2017，26（1）：52-55.

Author(s):ZHANG Gang-yang, CHEN Cui-hua, WANG Guo-zhi, DING Feng, LANG Xinghai, CHEN Si, HUO Yan, ZHAO Liang