申添毅

中國地質(zhì)大學（武漢） 地球科學學院，湖北 武漢 430074

野外地質(zhì)教學實習是地質(zhì)類專業(yè)本科生的必修課程，通過野外實踐，可以使學生鞏固課堂基礎理論知識，初步掌握野外地質(zhì)工作的基本方法，幫助學生開始構建科學的地質(zhì)學研究思維體系。特別是大學二年級后開展的綜合地質(zhì)實習，可以幫助學生掌握區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的基本方法和步驟，引導學生把抽象的理論知識與實際的地質(zhì)現(xiàn)象聯(lián)系起來，提升同學們觀察問題、分析問題、解決問題的能力，初步培養(yǎng)科研能力和科研精神，為今后的野外及科研工作打下堅實的基礎[1]。因此，各大地質(zhì)院校均十分注重高質(zhì)量地完成野外綜合地質(zhì)實習教學，不斷總結教學經(jīng)驗、改進教學方法，并引入最新的技術方法（例如數(shù)字填圖技術），來提升教學質(zhì)量。

傳統(tǒng)的野外地質(zhì)實習教學多采用“灌輸式”模式，即教師手把手教學生如何進行野外描述與記錄，學生根據(jù)教師所講內(nèi)容進行觀察描述、編寫報告[2]。這種方式不利于培養(yǎng)學生的自主學習能力及創(chuàng)新能力。許多高校及教師針對這一問題，開始不斷改革教學方式，包括“以學生為中心”的自主探究模式[1,3]、互動式教學模式[4]，基于OBE理念的教學模式[5]等，力求真正鍛煉和提高學生的地質(zhì)思維、創(chuàng)新和科研能力。在實際教學過程中最為棘手的問題通常表現(xiàn)為學生初次接觸系統(tǒng)的地質(zhì)實際，課堂理論如何與野外實際發(fā)生聯(lián)系，對初學者來說是個挑戰(zhàn)，會顯得有些無所適從。因此不管采用何種教學模式，如何幫助引導學生盡快適應這種結合，使課堂知識點有效融入野外實際，是野外實習教學首要解決的問題，而具有引導功能的數(shù)字填圖系統(tǒng)可以在這一過程中發(fā)揮重要作用。

2004年以來，數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng)在我國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中開始全面推廣，標志著我國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作進入數(shù)字化時代[6-8]。目前這套數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng)以地質(zhì)填圖的空間數(shù)據(jù)表達為基礎，遵循傳統(tǒng)地質(zhì)填圖的客觀規(guī)律，創(chuàng)造性地建立了PRB數(shù)字填圖技術，對地質(zhì)觀測內(nèi)容做了非常系統(tǒng)的規(guī)范化的條目要求， 使得地質(zhì)工作者可以在野外全面和準確記錄各項地質(zhì)觀測數(shù)據(jù)以及地質(zhì)體的空間關系[6]。因此，通過學習數(shù)字填圖系統(tǒng)的操作流程，可以幫助學生進行野外地質(zhì)路線及地質(zhì)內(nèi)容的觀察和描述，從而掌握野外地質(zhì)工作的方法。雖然數(shù)字填圖系統(tǒng)的教學在多個高校的綜合地質(zhì)實習中均有所涉及，但是相關教學內(nèi)容側重于軟件的操作使用[9-12]，導致數(shù)字填圖與實踐教學只是在形式上完成了統(tǒng)一[13]，未能在教學中將這套軟件所蘊含的地質(zhì)思維和方法學真正地讓學生理解，而后者也正是學生們通過野外實習需要了解的核心內(nèi)容和達到的根本目的。本文基于筆者近些年來野外地質(zhì)填圖及本科生綜合地質(zhì)實踐教學的經(jīng)驗，通過介紹和分析數(shù)字填圖系統(tǒng)的野外工作流程及學生在野外實習中出現(xiàn)的常見問題，對數(shù)字填圖系統(tǒng)如何提高野外地質(zhì)綜合實習的教學效果進行了挖掘。

一、數(shù)字填圖系統(tǒng)的野外操作邏輯及流程

數(shù)字填圖系統(tǒng)遵循傳統(tǒng)地質(zhì)填圖的方法，將地質(zhì)體之間的空間關系及屬性信息進行數(shù)字化，其核心技術為PRB過程[6]。P過程為地質(zhì)點（point）過程，指的是在野外對路線中發(fā)育的地質(zhì)界線、重要地質(zhì)構造或接觸關系等內(nèi)容進行定點觀測的過程；R過程為分段路線（routing）過程，為兩個地質(zhì)觀測點之間的實際分段路線描述記錄的過程；B過程為點上或點間界線（boundary）過程，是對地質(zhì)點上或兩段點間路線之間的地質(zhì)分界線進行描述的過程。數(shù)字填圖系統(tǒng)通過使用實體點、網(wǎng)鏈和全鏈或幾何拓撲環(huán)分別對地質(zhì)點、分段路線和點間界線進行數(shù)據(jù)建模和組織，實現(xiàn)對野外路線觀測到的各種地質(zhì)現(xiàn)象進行定義、描述、分類、聚合和歸納，從而將野外地質(zhì)信息轉化為數(shù)字化信息[6]。

從上述可以看出，PRB過程的基本組合規(guī)則完整直觀地體現(xiàn)了野外地質(zhì)工作的基本方法體系（圖1）。地質(zhì)點P是PRB的核心過程，任何分段路線R過程及點間界線B過程均要隸屬于一個P過程。這相當于傳統(tǒng)野外地質(zhì)工作中，在野簿上的記錄要以地質(zhì)點為起始。一個P過程可以包含若干個R過程和B過程，代表了野外地質(zhì)工作中地質(zhì)點之間的多個巖性段，以及巖性界線或構造界線的現(xiàn)象。同時對于一個R過程（一個點間分段路線），又可以包含若干個B過程，即分段路線兩端均不是、只有一個或均是地質(zhì)分界線。若某一點位出現(xiàn)多個巖相界線或多條構造線通過，則可以出現(xiàn)多個B過程。在PRB過程中，產(chǎn)狀、化石、樣品、照片、素描等對象可以在任意過程中進行插入。

圖1 PRB過程野外操作流程（虛線框內(nèi)為基本工作流程）

在數(shù)字填圖系統(tǒng)中，針對PRB過程提供了相應的數(shù)據(jù)結構，每個要素的數(shù)據(jù)結構均涵蓋這一過程需要采集的所有信息（表1）。例如，P過程的屬性結構包括點號、點位、露頭性質(zhì)、風化程度、點性、巖性代號、接觸關系等；R過程的屬性結構則包括路線方位、分段距離等；B過程的數(shù)據(jù)還需要記錄界線類型、產(chǎn)狀等要素信息。

表1 PRB過程數(shù)據(jù)采集實體圖層說明及屬性編輯界面

上述PRB地質(zhì)過程不僅能夠滿足區(qū)域地質(zhì)調(diào)查野外數(shù)據(jù)采集所需要的計算機處理最基本的結構化信息，而且能夠保證地質(zhì)工作者全面和準確地采集野外觀察信息，而后者也是我們希望通過野外實踐教學能夠讓學生達到的目標。因此，在野外教學中通過借助數(shù)字填圖系統(tǒng)，可以使得教學工作更好地開展。

二、數(shù)字填圖軟件對野外實踐教學的輔助意義

本科綜合地質(zhì)認識實習是學生學習地質(zhì)野外工作方法、初步構建地質(zhì)工作思維的重要過程。在野外路線教學過程中，借助數(shù)字填圖軟件，可以使學生更好地理解和掌握教學內(nèi)容，從而獲得更好的教學效果，達到事半功倍的作用。該軟件對于野外教學的輔助作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.規(guī)范野簿記錄

野簿是專門用來記錄野外地質(zhì)現(xiàn)象的觀察內(nèi)容，是野外工作的第一手資料。野簿的記錄應當做到實事求是、條理清楚、信息全面，能夠體現(xiàn)或回溯整個野外的工作進程及觀察到的各種地質(zhì)現(xiàn)象。在野外教學實踐過程中，學生們在記錄野簿時往往會漏記很多基本信息，例如，在地質(zhì)點的記錄中缺失點位、露頭、點義、風化程度等信息，在地質(zhì)界線或斷層界線的描述中忘記測量相關的產(chǎn)狀信息，在點間路線的描述中記錄不連續(xù)或信息缺失等。此外，同學們在野外路線中喜歡使用野外照片代替素描，但是在記錄時常常忽略最重要的兩個內(nèi)容：照片名稱及鏡頭方向（表2）。這些信息都是野外資料收集中的重要的基本信息，其信息缺失往往造成后續(xù)室內(nèi)分析不可彌補的缺憾。而這些內(nèi)容均是數(shù)字填圖系統(tǒng)PRB過程中必須獲取的數(shù)據(jù)基本屬性信息，因此在學生記錄野簿的過程中，通過借助數(shù)字填圖系統(tǒng)在野外定點、畫線，不斷提醒自己每一個地質(zhì)點或每一條地質(zhì)界線、分段路線上需要記錄和描述內(nèi)容的齊全程度，從而規(guī)范野簿的記錄，保證記錄的內(nèi)容的完整和準確。

表2 野外地質(zhì)教學中學生們普遍存在的相關問題及數(shù)字填圖系統(tǒng)的解決方法

2.理清點與點之間的邏輯關系

在野外教學過程中，每當停下來要觀察某一個露頭，學生問得最多的就是“這里需要定點嗎”，也有很多學生弄不清楚“地質(zhì)點”與“點間點”之間的聯(lián)系。在野簿中常會看到學生將點間分段路線的內(nèi)容與點間界線的內(nèi)容混在一起，不能很直觀地從野簿的記錄中讀出地質(zhì)界線的存在及特征，甚至缺失點間界線的信息（表2）。在數(shù)字填圖系統(tǒng)中，軟件將一條路線簡化為若干PRB過程的組合，弱化“點間點”的表述，而強調(diào)“沿途”（分段路線R）和“點間界線”（B）的概念。這也是更為合理的邏輯關系，兩點之間的內(nèi)容只需要通過分段路線及其之間的地質(zhì)界線來聯(lián)系（圖1）。在野外路線的觀察過程中，我們一直對學生強調(diào)要注意觀察巖性的變化或構造的發(fā)育情況，如果出現(xiàn)了巖性的變化，在達不到定新地質(zhì)點的標準時，就需要用“點間界線”進行分割。在數(shù)字填圖系統(tǒng)的操作中，需要首先完成一段R過程（代表走過的這段路線），然后添加B過程（代表所觀察的巖性分界線），而這兩個過程均附屬于上一個點，映射了點與點間之間的邏輯關系。同時，地質(zhì)點（P）與點間界線（B）之間的分段路線（R）是不可或缺的，否則會產(chǎn)生邏輯上的錯誤。這種設計也可以指導學生的野簿記錄，特別是對點間內(nèi)容的記錄。在看到點間界線后，需要在野簿中先描述上一段路線沿途所看到的巖石巖性，再記錄點間界線的內(nèi)容，從而保證通過野簿的記錄可以方便快捷地回溯野外的工作進程。

3.加強產(chǎn)狀、素描等信息的采集

野外工作是地質(zhì)學研究中最重要最基礎的工作，通過野外調(diào)查可以獲取豐富、客觀的地質(zhì)信息和數(shù)據(jù)。野外地質(zhì)體的產(chǎn)狀測量、典型地質(zhì)現(xiàn)象的照片和素描均是必須采集的重要地質(zhì)信息。這些素材越豐富，越有利于后期工作的開展，因此必須要通過野外教學，讓學生養(yǎng)成多測產(chǎn)狀、多拍照片、多畫素描的良好習慣。野簿的記錄并不能非常直觀地反映出已測產(chǎn)狀或已有照片素描的位置及數(shù)量，借助數(shù)字填圖系統(tǒng)的可視化界面，可以很清晰地知曉所獲數(shù)據(jù)的數(shù)量、密度及豐富程度，從而督促學生自己對這些素材進行補充采集，逐漸培養(yǎng)學生的良好野外工作習慣。

4.培養(yǎng)空間方位感

無論是室內(nèi)教學還是野外教學，良好的空間方位感是學生理解和掌握課程知識的必備技能，然而在教學過程中大部分的學生均暴露出較弱的空間方位判別力。而地質(zhì)學又是一門與空間方位息息相關的一門學科，因此，通過野外實踐教學培養(yǎng)學生的空間方位感也是一項重要的任務。學生的空間方位感較差主要表現(xiàn)在兩個方面：一是無法迅速辨別東南西北方位，特別是在野外路線沿著山勢盤旋而上時，很難分辨路線的前進方向，從而影響對地質(zhì)體產(chǎn)狀或延伸狀態(tài)的判斷；第二就是很難正確建立地質(zhì)體產(chǎn)狀的空間方位和空間關系，對不同地質(zhì)體之間的接觸關系常常不能很好地判斷。這些問題的解決需要借助相關的工具，除了羅盤、手機的定位軟件，特別是導航或地圖軟件可以很好地幫助學生找到所處位置的空間方位，確定自己的運動軌跡，但是這些都不能很好地展示地質(zhì)體的延伸和空間關系。而數(shù)字填圖軟件中可以疊加地質(zhì)圖、遙感影像圖、地形圖等基礎地形地質(zhì)圖件，有利于準確標定自己所處位置；同時通過進行PRB過程的操作，可以將所觀察的地質(zhì)界線繪制在對應的位置，從而更加直觀地掌握地質(zhì)體的展布特征及不同地質(zhì)體之間的相互關系，幫助學生理解不同地質(zhì)體之間的接觸關系。

三、數(shù)字填圖軟件應用到野外教學的可行性

近些年來，隨著軟件的開發(fā)迭代以及手機操作系統(tǒng)的不斷升級，最新版的數(shù)字填圖系統(tǒng)野外數(shù)據(jù)采集軟件基于Android手機操作系統(tǒng)開發(fā)，任何具有GPS和拍照功能的Android系統(tǒng)的手機均可以安裝運行，而且軟件可以在中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展中心官方網(wǎng)站上進行免費下載。2019年，Android系統(tǒng)的手機市場占有率為87%，在學生群體中也受到廣泛的歡迎。因此，基本上大部分學生均可以便捷的在自己的手機上安裝并運行該套軟件。因而，無論是硬件還是軟件都能保證在野外教學中開展相關教學的可行性。同時，該軟件的界面美觀、操作簡單、功能集成度高，無論對于老師教學還是學生學習，均不需要付出過多的時間來學習軟件的操作方法。結合軟件提供的操作手冊，學生可以通過簡單自學與摸索迅速掌握其操作方法與流程。此外，數(shù)字填圖軟件手機客戶端與桌面客戶端所使用的文件類型可以通過桌面客戶端軟件一鍵無損轉換，方便后期學生使用電腦瀏覽、修改野外采集的數(shù)據(jù)和信息。

四、總結

數(shù)字填圖系統(tǒng)將野外路線觀測描述的地質(zhì)現(xiàn)象的復雜過程抽象為PRB過程，實現(xiàn)了野外路線觀測過程的數(shù)字化，軟件的操作過程也是對于基礎野外地質(zhì)工作過程的映射。因此，在地質(zhì)野外實踐教學過程中，不能簡單將其作為一個軟件工作，而是應當深挖其背后蘊含的地質(zhì)思維和邏輯，將該系統(tǒng)作為野外地質(zhì)教學過程中的重要輔助手段，真正使數(shù)字填圖與實踐教學做到深度融合，從而幫助學生更好地理解和強化野外地質(zhì)學研究的方法和流程，規(guī)范野簿內(nèi)容記錄，理清野外工作的思路，加強野外數(shù)據(jù)的采集，培養(yǎng)空間方位感，從而保證野外教學的質(zhì)量和效果。數(shù)字填圖系統(tǒng)作為較為先進的野外工作技術手段，不僅可以極大地拓展學生的認知領域，還能提高他們自主學習的興趣，激發(fā)他們的探索和創(chuàng)新能力。因此，將數(shù)字填圖系統(tǒng)軟件引入到野外地質(zhì)教學中是適應新技術發(fā)展的需要，也是時代進步的必然結果。