魏玉帥，陳建平，王根厚，徐德兵，李 詩

中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083

北京周口店地質野外實踐教育基地被譽為地質工作者的“搖籃”，是大學二年級地質填圖實習的理想場所，自1954年創(chuàng)建以來，前人從教學路線與基地建設[1-2]、教學內容與環(huán)節(jié)[3-4]、教學方法與手段[5-7]、地質思維[8-12]、教學體系和教學理念[13-17]等方面提出了教學改革思路[18]，不斷地探索著周口店教學實習的方式、方法和內涵，現(xiàn)已形成了完善而極具特色的基地傳統(tǒng)實踐教學體系。然而，隨著網絡技術的蓬勃發(fā)展，信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學關系等正發(fā)生著革命性的變化，如何深化信息技術與教育教學深度融合，推進現(xiàn)代信息技術融入實踐教學、拓展實踐教學內容廣度和深度、延伸實踐教學時間和空間、提升實踐教學質量和水平已是目前亟須解決的問題，教育部牽頭正在開展國家虛擬仿真實驗教學項目的建設[19-20]。為此，筆者和北京周口店地質野外實踐教育基地眾多建設者一起經過近幾年的有益探索，基于“北京周口店野外地質仿真模擬實習”國家級虛擬仿真項目的建設經驗的總結、教學方法的廣泛交流和國外地質學實踐教學的形勢[20]分析，結合周口店實踐教育基地的特色，逐步建設完成了北京周口店野外地質仿真模擬實習的教學實驗系統(tǒng)。該教學實驗系統(tǒng)以延伸地質類專業(yè)實踐環(huán)節(jié)的廣度和深度為教學實驗目的，建立了壓縮實踐環(huán)節(jié)中培養(yǎng)地質思維能力所需時間的實驗方法和步驟，開發(fā)了相應的實驗技術，擬定了后續(xù)服務計劃，為提升實踐教學質量和水平起到了關鍵的作用，也為未來地質實踐教學的方法體系起到探索和引領作用。

一、實驗目的與系統(tǒng)架構

仿真模擬實習是野外示范教學的重要發(fā)展方向之一，旨在拓展常規(guī)教學方法與手段，擬解決學生在地質學實踐學習中存在的空間概念轉變、地質思維培養(yǎng)困難和創(chuàng)新能力不足等突出問題。本系統(tǒng)由基礎數據集成、系統(tǒng)功能實現(xiàn)和Web3D線上交流共享平臺三部分構成，主要將周口店實習核心區(qū)的實際場景、地質資料、無人機航拍影像和視頻講解等基礎數據進行集成后，通過3D建模以及計算機轉換功能實現(xiàn)自然場景的虛擬再現(xiàn)，并在此基礎上，實現(xiàn)基礎地質信息查詢、路線地質考察和切制剖面等實驗功能。此外，為滿足地質專業(yè)人員的教學與交流需求，以及為大眾普及基本地質知識，實現(xiàn)信息知識的傳遞與共享的功能，搭建了線上輔助Web 3D野外交流共享平臺（有效鏈接網址：zkd3d.dddtask.cn）。

二、實驗數據與技術開發(fā)

1.基礎數據

北京周口店野外地質仿真模擬實習的教學實驗系統(tǒng)應用的海量多元數據主要包括：地質點、地質路線、地質剖面、DEM數據、地層柱狀圖、地質平面圖、遙感數據、實地照片、文本數據和視頻錄像等。該系統(tǒng)的基礎數據集成主要包括核心區(qū)基礎數據集成、大區(qū)域基礎數據集成、矢量圖層集成及地質體三維模型集成四部分。其中核心區(qū)基礎數據集成又分為核心區(qū)遙感影像數據集成、核心區(qū)數字高程集成、核心區(qū)地質圖集成、核心區(qū)地形圖集成和核心區(qū)行政區(qū)劃集成；相似的大區(qū)域基礎數據集成也分為大區(qū)域遙感影像數據集成、大區(qū)域數字高程集成、大區(qū)域地質圖集成、大區(qū)域地形圖集成和大區(qū)域行政區(qū)劃集成；矢量圖層集成又包括野外線路矢量圖層集成、野外觀察點矢量圖層集成及大區(qū)域地質圖矢量圖層集成等。

2.模型數據

應用收集到的研究區(qū)基礎數據，研究區(qū)的遙感影像、數字高程數據、不同比例尺的地質圖及實測地質剖面圖、相應的勘探線分布圖等資料，構建周口店核心區(qū)地層實體三維模型及斷裂模型。

3.MA X場景合成及燈光設置

按照實際大地坐標和實測尺寸建模，對建好的三維模型進行格式轉換后在3ds MAX中進行場景合成。采用燈光照射改變表現(xiàn)的效果，爾后進行反復渲染測試，增加場景的真實性，達到自然場景虛擬再現(xiàn)的效果。

三、實驗教學方法

教學方法的使用目的是在地質路線實踐教學過程中，學生已基本掌握巖石、地層和構造等知識的基礎之上，從大、中、小比例尺角度，從野外實景、航飛影像、遙感影像等層次，從二維、三維等角度完成自然場景的虛擬再現(xiàn)，達到仿真模擬教學實習的整個過程。通過模擬實驗，讓學生梳理繁雜地質資料、豐富學習內容和方式、加強地質知識的理解，建立空間概念，掌握實習區(qū)地質構造演化的同時，培養(yǎng)地質思維方法和創(chuàng)新能力。

本次建設的野外地質實習虛擬仿真教學實驗系統(tǒng)的研發(fā)架構主要包括基礎數據集成、系統(tǒng)功能實現(xiàn)（客戶端線下平臺）以及Web 3D線上交流共享平臺三部分。其中系統(tǒng)功能實現(xiàn)主要以周口店實習區(qū)為虛擬仿真核心區(qū)域，以系統(tǒng)概況、基礎信息查詢、地質信息查詢、路線地質考察、切制剖面和屏幕截圖等為原始選擇菜單，分類、分維度、分層次虛擬仿真實驗教學。菜單中路線地質考察和切制剖面是周口店實習的中心和關鍵環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)的核心實驗內容，目前已實現(xiàn)線上下載后在客戶端線下平臺運行。

路線考察要求學生按地層產狀、地質體延伸和構造樣式特點穿越地質路線并虛擬定點，依次完成觀察點位置信息、觀察要點、視頻資料和觀測點全景模型等步驟。其中視頻資料不僅可以鏈接優(yōu)秀教員的講解內容，而且可以進入大比例尺度野外實景；全景模型可進入任意旋轉觀察的三維地質模型。主要地層或典型路線的選擇，關鍵地質點及其數量的選擇，讓學生做到野外工作開始前的預習、進行中的印證和野外工作結束后的靈活查閱資料、調取野外虛擬實景，節(jié)省了時間和成本，體現(xiàn)了虛擬仿真的優(yōu)勢。

切制剖面主要是要求學生在實習核心區(qū)一定范圍，選擇方向、比例尺、地層單元和切割模式進行地質剖面切割，不僅完成穿越條件限制下無法實現(xiàn)的虛擬剖面，而且可以實現(xiàn)了解地下一定范圍內地質體展布延伸情況。其中切剖模式包括垂直切割、等距平行切割和指定切割剖面坐標三個選項，等距平行切割選項則要求輸入剖面距離和剖面數量，而指定切割剖面坐標選項則要求輸入剖面起點和終點坐標。切割的剖面在中比例尺度無人機航飛影像圖上顯示剖面位置、剖面方向、剖面上地質點位置等，并從三維角度顯示剖面所切地下地層（地質體）延伸情況等。

本項目開發(fā)的Web 3D網站交流共享平臺部分實現(xiàn)了在線構建POI興趣點、數據上傳（實時照片、記錄習心得、隨筆記錄），多人在線互動聊天、定位點（坐標更新顯示）、三維虛擬現(xiàn)實界面顯示（3D地形地貌顯示、3D地質圖顯示、2D地質圖顯示、百度地圖導航）等功能。不僅滿足了地質專業(yè)人員的教學與交流需求，同時可為大眾普及基本地質知識，并能夠向無法親臨周口店的人群提供虛擬仿真三維平臺，極大地實現(xiàn)了信息知識傳遞與共享。

四、實驗教學特色

（1）節(jié)省成本。傳統(tǒng)教學研究中路線地質調查需要野外差旅、定點、描述、采樣、磨片、鑒定等諸多環(huán)節(jié)；要探知地下地層和構造延伸特征，有電法、磁法、地震等物探手段，有鉆井、平硐等勘探手段，都以高成本、低效率為特點，通過虛擬仿真，將巖石—地層之間的實踐識別流程、剖面測制—地層地下延伸特點之間的實踐判斷流程，簡化到電腦操作的2個課時，極大地降低了成本。

（2）地下揭示能力。在實踐過程中無法切割剖面的情況下，以三維模型演示、虛擬切割，達到了形象、簡潔、高效地揭示地下地質內容和結構的功能。

（3）思維能力培養(yǎng)功能。以三維虛擬地質體和部分高程信息，以及地質切割關系顯示的構造期次，通過層層剝離，演示、恢復地質體變形、抬升、凹陷、切割、剝蝕、夷平、伸展和擠壓等現(xiàn)象，把百萬年級別的地質變化凝練到2個課時的演示范疇，極大地促進了學生時空觀的形成和地質思維能力的培養(yǎng)。

（4）創(chuàng)新示范作用。將教學需要、仿真優(yōu)勢和實習區(qū)特色相結合，將無人機航拍、仿真軟件開發(fā)和三維動態(tài)演化等先進技術融入傳統(tǒng)教學當中，對一個實習區(qū)實踐教學的作用而言，具備創(chuàng)新示范作用。

（5）內容豐富、操作靈活。本項目開發(fā)的教學實驗系統(tǒng)，按1條路線2個課時、1個或1組剖面2個課時計，至少可以設置60個課時以上；學生可以在實習中的路線地質、切制剖面、小論文答辯、報告編寫等各個環(huán)節(jié)靈活選擇進行操作實驗學習。

（6）虛擬課堂、信息共享作用。Web 3D網站交流平臺操作實現(xiàn)了在線構建POI興趣點、數據上傳，多人在線互動聊天、定位點、三維虛擬現(xiàn)實界面顯示等功能。不僅滿足了地質專業(yè)人員的教學與交流需求，同時可為大眾普及基本地質知識，并能夠向無法親臨周口店的人群提供虛擬真三維平臺，極大地實現(xiàn)了信息知識傳遞與共享。

五、考核要求與評價體系

1.考核要求

地質考察路線和切制剖面在虛擬仿真平臺中的考核要求分別為地質點信息掌握、地層單元和構造類型判斷數量的多少和正確性，切割剖面的合理性、剖面信息掌握程度，分別按2課時達到90%、80%、70%、60%、60%以下地質點信息、地層（地質體）單元判斷、構造類型識別正確性和切割剖面小結正確性對應優(yōu)、良、中、及格和不及格五級。

2.評價體系

（1）根據不同專業(yè)特點和學生培養(yǎng)目標，結合教學計劃、教學大綱和教學內容，研究評價內容和過程；（2）建立評價小組，建立由學校職能部門、學院到實習隊各級人員的評價小組；（3）收集網上評價內容和建議，評價其合理性和可行性，評價試驗過程、試驗方法與試驗效果的一致性和關聯(lián)性，并由此改進試驗教學方法和體系；（4）評價結果反饋并用于指導及教學，明確教學方法改進方向；（5）建立學校地質實驗教學項目成績認可、學分轉換機制，鼓勵虛擬仿真實驗課程的開放共享。

六、后續(xù)服務計劃

1.持續(xù)建設與更新

及時補充試驗項目所涉及隨科學研究的深入而取得的最新研究數據和成果，完善切割剖面的仿真程度，同時結合計算機模擬軟件技術開發(fā)，不斷相互印證從而加以改進。另外，結合構造期次研究的深入，不斷細化構造演化中的時間階段和邊界參數等，模擬核心區(qū)構造演化。

2.面向高校的教學推廣應用計劃

周口店野外地質實習基地是面向世界的開放教學實踐基地，已經取得了較好的教學成果和社會聲譽。本項目計劃開展多方位和不同層次的國際、國內交流實踐與合作，如向曾經合作過的美國艾阿華大學、韓國忠南大學、俄羅斯莫斯科大學大學，以及國內臺灣中央大學和成功大學、香港大學、青海大學、內蒙古農業(yè)大學、房山世界地質公園、武警黃金部隊和大慶油田等單位推廣，以本次周口店虛擬仿真實驗教學項目為合作亮點建立與多所兄弟院校合作交流平臺。

3.面向社會的推廣與持續(xù)服務計劃

周口店地區(qū)地質資源豐富，毗鄰聯(lián)合國教科文組織批準的世界文化遺產“周口店北京猿人遺址”，也是“燕山運動”等重要構造地質學理論的起源地之一，這些特點在全國無處可以媲美。將周口店虛擬仿真實驗教學內容納入世界地質公園的建設規(guī)劃之中，達到向社會普及地球科學知識和服務地方社會的目的；與北京人遺址博物館合作，將“北京人”的發(fā)現(xiàn)、科學意義與命運演變與中國不同時代的國情教育相結合，傳承中華文化、進行愛國主義教育；通過開展在線教學服務或提供技術支持等，服務社會的同時積極發(fā)揮對地質專業(yè)類實驗教學信息化建設的示范引領作用。

七、結語

北京周口店野外地質仿真模擬實習通過建設一個虛擬仿真教學系統(tǒng)來進行實驗教學，主要將實習核心區(qū)基礎數據進行集成后，通過3D建模以及計算機轉換功能實現(xiàn)自然場景的虛擬再現(xiàn)，同時，通過建模等技術，完成野外場景無法或不能快速完成的地質作業(yè)。因此，該系統(tǒng)的開發(fā)為拓展常規(guī)教學方法與手段，解決學生在地質學實踐學習中存在空間概念轉變、地質思維培養(yǎng)困難和創(chuàng)新能力提高，實現(xiàn)知識信息的傳遞與共享等方面有著無與倫比的優(yōu)勢，建議實習過程中，加強應用力度，開發(fā)應用方法和流程，完善考核體系等，真正為培養(yǎng)地質人才做出應有的貢獻。