李 斌，付敬帥，張小娟，孫世剛，蘇生瑞，李 鵬

（長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054）

高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室肩負(fù)產(chǎn)學(xué)研任務(wù)，是重要的教學(xué)活動(dòng)、科學(xué)研究基地[1-2]，在相對(duì)薄弱的本科實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)上具有不可替代的作用[3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)無疑是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合、促進(jìn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展的重要舉措[4]，事實(shí)上，也代表著中國(guó)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的重要方向。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下在線學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方式，不只為學(xué)生開展探究式自主實(shí)驗(yàn)、共享式學(xué)習(xí)和能動(dòng)創(chuàng)新性實(shí)踐提供了信息化手段和可視化平臺(tái)[5-6]，而且契合了新工科[7]發(fā)展和新時(shí)代要求，可更有效激發(fā)學(xué)生求知欲、動(dòng)手欲、感知欲。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的三維集成環(huán)境里，學(xué)生可靈活安排時(shí)間、綜合運(yùn)用多種信息技術(shù)手段，通過虛擬逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和數(shù)字形象的模型對(duì)象，以開放、自主、交互方式，高效、安全、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，使成本高、難重復(fù)、有危險(xiǎn)的實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)得以虛擬仿真完成且可隨意重復(fù)，既能總體實(shí)現(xiàn)真實(shí)條件下的教學(xué)效果[8]，又能收獲即使實(shí)體、現(xiàn)場(chǎng)也難達(dá)到的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)[9-10]。

為了推動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，教育部于自2017 年起，啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的認(rèn)定工作[11]。2018 年長(zhǎng)安大學(xué)的“三維地層認(rèn)知虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”獲得地質(zhì)類項(xiàng)目陜西省教育廳認(rèn)定[12]，自此承載該實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真系統(tǒng)正式上線運(yùn)行[13]。該系統(tǒng)依托教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的地質(zhì)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)建立，在長(zhǎng)安大學(xué)地學(xué)類3 個(gè)本科專業(yè)“地質(zhì)構(gòu)造學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮輔助作用，助力創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[14]。

傳統(tǒng)的扁平式地層教學(xué)方式受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地條件限制較大，而且靈活的可視認(rèn)知不足。若能在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行虛擬地層仿真實(shí)驗(yàn)，無疑能改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)短板并彌補(bǔ)不可見、難再現(xiàn)的缺憾[15-16]，進(jìn)而拓展實(shí)驗(yàn)空間、革新實(shí)驗(yàn)手段、提高實(shí)驗(yàn)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)支撐下的三維地層認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，能幫助學(xué)生更容易完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，且高效鞏固課堂所學(xué)，助力地層教學(xué)實(shí)驗(yàn)步入新境界。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)

地層三維可視化技術(shù)[17]是三維地層認(rèn)知虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)的模型與技術(shù)基礎(chǔ)。對(duì)地層的三維數(shù)字建模依賴地質(zhì)鉆孔、地質(zhì)剖面和地裂縫（可視為淺表斷層）[18]等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。作為研究地殼中巖石（層）受地質(zhì)作用發(fā)生變形規(guī)律及其機(jī)理的地學(xué)本科核心課程之一，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)探討的雖是小區(qū)域、小構(gòu)造[19]，但解決的卻是工程地質(zhì)大問題[20]。

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)實(shí)踐性較強(qiáng)，隱伏的地層往往不可見，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式難以滿足現(xiàn)代地層認(rèn)知、學(xué)習(xí)的需要，因此本研究開發(fā)了三維地層認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)仿真功能，在計(jì)算機(jī)環(huán)境下進(jìn)行地層認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，以取代（至少是補(bǔ)充）過去野外或室內(nèi)的地層物理模型實(shí)驗(yàn)?；谔摂M仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，地層可三維呈現(xiàn)、要素可精確量算、鉆孔可虛擬設(shè)置、地層可直觀切割，現(xiàn)實(shí)不可見的抽象地層瞬間成為虛擬仿真下逼真的可見地層。因此，不確定、不直觀、難重復(fù)、量化差等眾多地層認(rèn)知難題，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中有望一一化解，且成本低、安全性好、效率高。

B/S 的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（總體架構(gòu)如圖1 所示）提供的功能是依據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求定制而成的。

系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是：

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和任務(wù)完全在虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)照三維地層模型通過人機(jī)交互方式進(jìn)行操作和完成；

（2）實(shí)驗(yàn)流程和具體操作涵蓋地層三維建模及其視圖導(dǎo)航、地層操作、要素量算等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，貫穿實(shí)驗(yàn)、考核、習(xí)題等全部環(huán)節(jié)；

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)B/S 架構(gòu)

（3）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具備地層三維模型分層顯示、分類展示、巖性查詢、空間要素量算、地層剖切等多種功能，實(shí)驗(yàn)操作可有效提高學(xué)生對(duì)地層三維模型使用、識(shí)讀、判斷、分析等綜合能力；

（4）實(shí)驗(yàn)過程不僅便于學(xué)生多快好省地認(rèn)知地層，構(gòu)建完整、直觀、量化的地層結(jié)構(gòu)知識(shí)體系，而且宜于培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代信息技術(shù)快速獲取知識(shí)、信息的能力，不僅拓展學(xué)生的專業(yè)視野，改變學(xué)習(xí)觀念，甚至增強(qiáng)專業(yè)認(rèn)同感和學(xué)習(xí)自信心。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

作為三維地層認(rèn)知虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的宿主程序，虛擬仿真系統(tǒng)要能提供虛擬場(chǎng)景下地層立體認(rèn)知所需的再現(xiàn)、操作、分析的全過程、全要素、全方位整體數(shù)字解決方案，實(shí)際有效解決基于圖紙進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)地質(zhì)構(gòu)造研判抽象、不直觀、難重復(fù)的現(xiàn)實(shí)難題。

為此，虛擬仿真系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，地層模型的建立是基礎(chǔ)。地層模型基于地質(zhì)剖面、地層鉆孔等真實(shí)數(shù)據(jù)，采用分區(qū)建模思想，應(yīng)用TIN+GTP 混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在顧及地裂縫的前提下建構(gòu)完成[21-22]。從視圖導(dǎo)航、模型操作、查詢量算、地層分析和外圍服務(wù)這5 方面所涵蓋的18 個(gè)知識(shí)點(diǎn)的操作入手，對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的功能進(jìn)行了系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)和艱辛探索[13]。搭建功能完備實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的目的和任務(wù)就是借助虛擬仿真技術(shù)，三維再現(xiàn)地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)，在虛擬仿真環(huán)境下模擬地層形態(tài)、分析地層特征、量算地層要素，即用虛擬仿真技術(shù)手段和直觀形象的認(rèn)知方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)地層認(rèn)知的高效率、可重復(fù)再現(xiàn)。

建立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由5 個(gè)功能模塊組成，對(duì)接實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的18 個(gè)知識(shí)點(diǎn)（如圖2 所示）。

（1）視圖導(dǎo)航模塊包括旋轉(zhuǎn)平移縮放、視點(diǎn)控制、第一人稱視角等功能；

（2）模型設(shè)置模塊包括拔高系數(shù)設(shè)置、分層顯示、分類展示和巖性著色等功能；

（3）查詢量算模塊包括地層巖性查詢、距離與面積量算等功能；

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

（4）三維分析模塊包括虛擬鉆孔、地層剖面、地層剖切等功能；

（5）外圍服務(wù)模塊包括用戶登錄、實(shí)驗(yàn)考核和習(xí)題練習(xí)等功能。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特色

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)本著“它山之石”（以非地質(zhì)的GIS 技術(shù)開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）“可以攻玉”（解決地質(zhì)工程等地學(xué)專業(yè)的地層認(rèn)知實(shí)驗(yàn)問題）的初衷，完全獨(dú)立自主開發(fā)完成。系統(tǒng)采用了流行、成熟、便于推廣的B/S 架構(gòu)搭建，所用工具包括：

（1）開發(fā)平臺(tái)：IntelliJ IDEA 2018、Vscode。

（2）編程語(yǔ)言：JAVA、JavaScript。

（3）后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)：PostgreSQL10+PostGIS2.5。

由于自主開發(fā)，系統(tǒng)后期的維護(hù)便利，開放性好，可塑性強(qiáng)。依托科研項(xiàng)目真實(shí)數(shù)據(jù)建立的實(shí)驗(yàn)用三維地層模型可靠，實(shí)驗(yàn)流程完整，功能內(nèi)容對(duì)接，實(shí)驗(yàn)既能強(qiáng)化學(xué)生基于現(xiàn)代信息技術(shù)手段從網(wǎng)絡(luò)獲取知識(shí)的能力，也能解決不直觀、重復(fù)難、成本高、示教差等問題。系統(tǒng)集成、開通的網(wǎng)站討論區(qū)和網(wǎng)絡(luò)討論群，方便用戶進(jìn)行線上討論、線下交流，從而全方位提升了實(shí)驗(yàn)樂趣和學(xué)習(xí)效果。

學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備，通過在線導(dǎo)航、量算、分析完成斷層、斷面、斷距等地層認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中涉及的教學(xué)內(nèi)容，既解決了以往對(duì)操作流程認(rèn)識(shí)不足的問題，又為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、參數(shù)變化提供了可能，還加深了對(duì)地層相關(guān)概念的理解。相比傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生主動(dòng)參與度提高，學(xué)習(xí)靈活性加強(qiáng)。

不僅如此，系統(tǒng)還具備登錄、習(xí)題和考核等實(shí)用功能。以知識(shí)點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為考核依據(jù)，考核按占比，虛實(shí)結(jié)合在線進(jìn)行，主要涉及模型操作、查詢量算和三維分析等要點(diǎn)。作為考核結(jié)果的實(shí)驗(yàn)報(bào)告總體能反映學(xué)生在線實(shí)驗(yàn)內(nèi)容掌握程度、實(shí)驗(yàn)操作熟悉程度、地層認(rèn)知完整程度等。

可見，立足三維地層認(rèn)知實(shí)際需要開發(fā)的本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，在模型操作、網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)和自主探究方面形成一定特色。

（1）模型操作靈活。通過鉆孔數(shù)據(jù)等真實(shí)數(shù)據(jù)建立實(shí)際地層三維模型，并在直觀形象、身臨其境的系統(tǒng)環(huán)境下，通過豐富的操作功能，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠全方位展示地層形態(tài)結(jié)構(gòu)，量測(cè)地層表面對(duì)象距離，量算地層表面對(duì)象多邊形區(qū)域面積，剖切地層獲取似斷層的地裂縫斷距特征信息，使學(xué)生在系統(tǒng)提供的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中進(jìn)行地層認(rèn)知實(shí)驗(yàn)。

（2）網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)方便。在教師的組織引導(dǎo)下，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)地層相關(guān)知識(shí)、掌握系統(tǒng)操作與使用，借助線上討論區(qū)和線下討論群互動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，節(jié)省了時(shí)間，方便了交流。

（3）自主探究容易。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)順應(yīng)了信息化、網(wǎng)絡(luò)化的大勢(shì)，契合了學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)和習(xí)慣，易于調(diào)動(dòng)和發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，客觀上也為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)和自主創(chuàng)新的學(xué)習(xí)探究新模式提供了便利條件和可能途徑。

4 結(jié)語(yǔ)

將虛擬仿真技術(shù)引入高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式多樣化、信息化勢(shì)在必行。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅能解決教學(xué)中很多傳統(tǒng)、滯后的瓶頸問題，還能在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提高。長(zhǎng)安大學(xué)建設(shè)的“三維地層認(rèn)知虛擬仿真系統(tǒng)”是對(duì)地層認(rèn)知實(shí)驗(yàn)信息化、網(wǎng)絡(luò)化的初步探索和有益嘗試，但要適應(yīng)新工科對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的新要求，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索實(shí)踐中，還需認(rèn)真總結(jié)、逐步完善、以點(diǎn)帶面、不斷拓展，建立更完備的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。