冉祥金 薛林福 李偉民 樓仁興 張焱焱

1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院；2.吉林工商學(xué)院

傳統(tǒng)地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)受教學(xué)時(shí)間限制不能達(dá)到預(yù)期效果。虛擬仿真教學(xué)方法通過虛擬仿真的方式在一定程度上解決了傳統(tǒng)地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)存在的問題。本文探索采用自主研發(fā)的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，以人機(jī)交互的方式提供了沉浸式地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)，以虛實(shí)結(jié)合的方式提高了教學(xué)效果，獲得學(xué)生認(rèn)可。

地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)是地質(zhì)類各專業(yè)學(xué)生掌握地質(zhì)知識(shí)和地質(zhì)技能十分重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生積累地質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)的重要途徑[1,2]。通過開展地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生能夠從課堂教學(xué)中走出來，從實(shí)際的野外地質(zhì)環(huán)境中認(rèn)識(shí)巖石、識(shí)別各種構(gòu)造現(xiàn)象、從各種地質(zhì)現(xiàn)象推斷幾億年來的地質(zhì)變化，理論聯(lián)系實(shí)際，鞏固課堂理論教學(xué)效果。由于需要在實(shí)際的野外地質(zhì)環(huán)境開展實(shí)習(xí)活動(dòng)，傳統(tǒng)的地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)容易受到天氣、環(huán)境、人為等各種因素的影響，尤其是在疫情防控期間[3]，導(dǎo)致實(shí)習(xí)活動(dòng)受阻。

近年來，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，促使各學(xué)科開展了不同程度的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。教育部于2013年起，在全國各高校建設(shè)了1000所虛擬仿真教學(xué)中心，2017年起，又開展了國家級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的認(rèn)定工作，目前已認(rèn)定750多項(xiàng)，其中包含地質(zhì)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目11項(xiàng)，這些都大大促進(jìn)了虛擬仿真教學(xué)的探索。徐文杰基于“地學(xué)云堂”開展了地質(zhì)實(shí)習(xí)的混合式教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式探索[4]。魏玉帥等搭建了北京周口店野外地質(zhì)仿真模擬實(shí)習(xí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，提升了實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量和水平[5]。強(qiáng)偉帆等總結(jié)了虛擬仿真技術(shù)在地質(zhì)教學(xué)中的應(yīng)用，指出虛擬仿真是有效增加地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)方法的多樣性、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的有效手段[6]。王盛年等應(yīng)用實(shí)景虛擬技術(shù)還原了工程地質(zhì)現(xiàn)場環(huán)境，探索了虛擬實(shí)踐相關(guān)環(huán)節(jié)，有效解決了實(shí)習(xí)場地匱乏、經(jīng)費(fèi)成本與安全保障的困局，提高了教學(xué)效果[7]。另外，海洋地質(zhì)[8]、野外地質(zhì)[9]、油田地質(zhì)[10]等課程都相繼展開了在線虛擬仿真教學(xué)方法探討。

本文針對吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院開設(shè)的《地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)》課程教學(xué)現(xiàn)狀，利用前期建設(shè)的《野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)虛擬仿真平臺(tái)》[11]，探索將虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用到該課程的在線教學(xué)中，更好地提升實(shí)習(xí)教學(xué)效果。

1 地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)教學(xué)現(xiàn)狀

位于遼寧省興城市的吉林大學(xué)實(shí)踐教學(xué)基地是吉林大學(xué)地學(xué)部開展各類地學(xué)相關(guān)實(shí)踐教學(xué)的野外教學(xué)實(shí)習(xí)場所，每年8～9月份，地學(xué)部四大學(xué)院的相關(guān)專業(yè)學(xué)生開展《地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)》課程。該課程由路線地質(zhì)教學(xué)、實(shí)測剖面、地質(zhì)填圖等組成，其中路線地質(zhì)教學(xué)一般由專業(yè)教師帶領(lǐng)學(xué)生前往野外進(jìn)行路線實(shí)地踏勘，掌握路線中露頭的巖性、構(gòu)造，了解各種地質(zhì)現(xiàn)象及發(fā)生的地質(zhì)事件。

由于受教學(xué)時(shí)間、地理?xiàng)l件等因素的限制，學(xué)生實(shí)際能夠觀察和了解到的地質(zhì)現(xiàn)象受到了很大制約，而野外地質(zhì)現(xiàn)象十分復(fù)雜，這在一定程度上限制了學(xué)生的地質(zhì)視野和未來地質(zhì)工作的能力。主要存在以下幾個(gè)方面的問題與局限性。

1.1 傳統(tǒng)的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)存在著時(shí)間與空間方面的局限性

傳統(tǒng)野外地質(zhì)實(shí)習(xí)常常受限于時(shí)間、地形、天氣等條件。例如：學(xué)生在每個(gè)野外教學(xué)觀察點(diǎn)上停留的時(shí)間十分有限，很難再有充足的時(shí)間掌握實(shí)習(xí)內(nèi)容，更不能有充足的時(shí)間自主地進(jìn)行觀察、描述與研究。一些典型地質(zhì)現(xiàn)象位于懸崖峭壁上，為了人身安全，學(xué)生難以在任意位置對地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行近距離觀察與描述。很好的教學(xué)現(xiàn)象常常由于自然風(fēng)化或人為破壞而不能長期用于野外現(xiàn)場教學(xué)；由于天氣影響，野外教學(xué)可能不能正常進(jìn)行；由于教師數(shù)量有限，很難進(jìn)行一對一的詳細(xì)教學(xué)；由于各種因素的限制，不能對每條路線都進(jìn)行野外現(xiàn)場實(shí)習(xí)。

1.2 野外實(shí)踐過程中，學(xué)生視野受限，無法了解全貌

在野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)過程中，由于考慮到地形、安全性，當(dāng)進(jìn)行野外地質(zhì)觀察時(shí)，學(xué)生只能看到一個(gè)地質(zhì)現(xiàn)象的局部，難以了解地質(zhì)現(xiàn)象的全貌，從而制約了學(xué)生對地質(zhì)現(xiàn)象的全面了解能力。

1.3 傳統(tǒng)的“教師講，學(xué)生聽”的教學(xué)方式限制了學(xué)生的自主性

傳統(tǒng)野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)的主要方式是教師沿路線邊走邊講，學(xué)生跟著老師邊觀察邊記錄，在這種教學(xué)方式下，學(xué)生用于自主觀察的時(shí)間較少，往往不能充分掌握野外教學(xué)內(nèi)容，野外觀察和研究的能力不能得到充分鍛煉。

1.4 野外實(shí)踐教學(xué)資源豐富，無法共享

學(xué)生通常只能在有限的地方進(jìn)行野外地質(zhì)實(shí)習(xí)，而地質(zhì)科學(xué)需要具有大量復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象觀察的經(jīng)驗(yàn)，野外地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)越豐富，發(fā)現(xiàn)和解決地質(zhì)問題的能力就越強(qiáng)，有限的實(shí)踐教學(xué)是制約地質(zhì)教學(xué)質(zhì)量提高的瓶頸。

針對上述問題，通過引入虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)了“野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)虛擬仿真平臺(tái)”，以虛實(shí)結(jié)合的方式，對傳統(tǒng)的野外地質(zhì)實(shí)踐課程進(jìn)行了有效地補(bǔ)充。

2 野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)虛擬仿真平臺(tái)

“野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)虛擬仿真平臺(tái)”（以下簡稱平臺(tái)）是在無人機(jī)、傾斜攝影三維建模、空間數(shù)據(jù)庫、人工智能等技術(shù)支持下構(gòu)建的新一代野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)（如圖1所示）。平臺(tái)旨在充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，將虛擬仿真與野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，通過構(gòu)建不同尺度實(shí)景三維虛擬仿真地質(zhì)環(huán)境，使學(xué)生在該環(huán)境中對各種地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行觀察、描述，測量各種地質(zhì)體的產(chǎn)狀要素，研究地質(zhì)體之間的空間相互關(guān)系及形成先后次序。目前該系統(tǒng)已集成了遼寧興城實(shí)踐教學(xué)基地的11條野外路線地質(zhì)實(shí)景模型，并整合了路線地質(zhì)教學(xué)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容?；谠撈脚_(tái)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地觀察相關(guān)路線概況及地質(zhì)露頭，了解地質(zhì)野外實(shí)習(xí)基地情況，學(xué)習(xí)野外地質(zhì)知識(shí)、掌握野外地質(zhì)工作技能、擴(kuò)展知識(shí)范圍。

平臺(tái)分為網(wǎng)頁版和交互版兩種類型，網(wǎng)頁版目前已主要集成以下功能：

2.1 集成了地質(zhì)觀察路線的教學(xué)內(nèi)容

目前平臺(tái)已經(jīng)集成了興城市釣魚臺(tái)、龍回頭、臺(tái)里、首山、夾山、牤牛山、尖山、上長茂、白廟子、華山鎮(zhèn)、上黑魚溝等11條地質(zhì)教學(xué)路線，形成“觀察內(nèi)容與要求、路線概況、虛擬地質(zhì)路線、觀察點(diǎn)1～n、問題與思考”等教學(xué)內(nèi)容。

2.2 集成了各路線的實(shí)景三維模型及各教學(xué)點(diǎn)的實(shí)景模型

平臺(tái)不僅集成了各條路線的實(shí)景三維模型，而且集成了各個(gè)教學(xué)點(diǎn)的實(shí)景模型。學(xué)生通過鼠標(biāo)可以操作路線模型，尋找野外踏勘的路徑及環(huán)境，通過鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)與縮放功能細(xì)致入微地觀察地質(zhì)露頭的巖性、構(gòu)造、古生物等特點(diǎn)。

2.3 平臺(tái)自動(dòng)記錄了用戶鼠標(biāo)所在的GPS經(jīng)緯度信息

平臺(tái)所集成的模型是通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建模的，該技術(shù)保留了無人機(jī)照片中的GPS信息，所生成的模型是包含真實(shí)GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)的。因此，通過算法，平臺(tái)可以將學(xué)生鼠標(biāo)所處位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行正確顯示。學(xué)生可以通過鼠標(biāo)記錄所觀察地質(zhì)教學(xué)點(diǎn)的GPS信息，以便在野外記錄本中規(guī)范記錄。

交互版主要提供了交互控制虛擬人物開展虛擬實(shí)習(xí)

的功能（如圖2所示）。用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬人物，在實(shí)景模型中開展虛擬實(shí)習(xí)。場景中提供了任務(wù)領(lǐng)取、GPS測量、地質(zhì)錘取樣、虛擬記錄本等功能，真實(shí)地模擬了學(xué)生在野外進(jìn)行路線地質(zhì)實(shí)習(xí)的情景。

3 野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)虛擬仿真平臺(tái)在地質(zhì)教學(xué)實(shí)習(xí)課程中的應(yīng)用

平臺(tái)所提供的各項(xiàng)功能為開展野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)虛擬仿真提供了基礎(chǔ)保障，教師可以通過平臺(tái)所提供的功能來布置教學(xué)任務(wù)和安排，學(xué)生利用平臺(tái)即可領(lǐng)取教學(xué)任務(wù)，開展虛擬實(shí)習(xí)?；谄脚_(tái)可以開展自主野外實(shí)習(xí)、虛擬野外實(shí)習(xí)、輔助野外實(shí)習(xí)等多種方式的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)。

在開始實(shí)習(xí)前，學(xué)生可以通過平臺(tái)預(yù)習(xí)地質(zhì)路線實(shí)習(xí)內(nèi)容，了解實(shí)習(xí)路線地理位置、地質(zhì)背景、主要觀察內(nèi)容等，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)問題和擬要重點(diǎn)觀察的地質(zhì)內(nèi)容，有助于在實(shí)習(xí)過程中有的放矢地學(xué)習(xí)。在實(shí)習(xí)過程中，也可以通過手機(jī)、PAD等電子設(shè)備了解更多的地質(zhì)觀察內(nèi)容。

疫情防控期間，我院針對無法前往實(shí)習(xí)基地進(jìn)行實(shí)習(xí)的同學(xué)，采用本平臺(tái)開展了線上實(shí)習(xí)，學(xué)生普遍評(píng)價(jià)本項(xiàng)目給他們帶來了前所未有的體驗(yàn)。學(xué)生能夠真實(shí)地觀察野外的實(shí)際地質(zhì)情況，可以從地面、空中的任意角度和任意位置觀察野外地質(zhì)露頭，全面觀察與描述野外地質(zhì)現(xiàn)象；可以使用GPS、放大鏡、測繩等虛擬工具，獲得了更多的野外地質(zhì)知識(shí)。

目前，平臺(tái)自2018年上線以來，總瀏覽次數(shù)已達(dá)到71105人次，其中獨(dú)立訪客達(dá)到3808人，訪問平臺(tái)的IP地址數(shù)目累計(jì)達(dá)到3889個(gè)（如表1所示）。

表1 平臺(tái)訪問情況Tab.1 Platform access

平臺(tái)針對性地解決了以下幾方面問題：

3.1 突破了野外地質(zhì)實(shí)習(xí)時(shí)空等方面的局限性

野外地質(zhì)場景的虛擬仿真提供了一個(gè)良好的野外地質(zhì)知識(shí)學(xué)習(xí)和野外地質(zhì)研究的虛擬環(huán)境，學(xué)生可以通過電腦、手機(jī)等設(shè)備學(xué)習(xí)野外地質(zhì)工作技能，掌握野外地質(zhì)知識(shí)，從而能夠突破野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)的時(shí)空等方面的限制，為野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)開辟了新的途徑。

3.2 提升了野外實(shí)踐教學(xué)的效果與質(zhì)量

虛擬野外地質(zhì)環(huán)境是在20多萬張無人機(jī)航拍照片和手工拍攝照片的基礎(chǔ)上，采用傾斜攝影技術(shù)合成的實(shí)景三維模型，這些實(shí)景三維模型除了包含路線地質(zhì)教學(xué)內(nèi)容外，還包含了大量豐富的多尺度野外地質(zhì)信息，在這樣的虛擬仿真環(huán)境中，學(xué)生具有身臨其境的感覺，可以從不同視角和不同位置觀察地質(zhì)現(xiàn)象，了解地質(zhì)現(xiàn)象的全貌和細(xì)節(jié)，加深地質(zhì)知識(shí)的理解，提高野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

3.3 改變了傳統(tǒng)野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)方式

平臺(tái)提供了自主學(xué)習(xí)、虛擬學(xué)習(xí)與研究等多種野外實(shí)踐教學(xué)方式，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行教學(xué)方式選擇。如果要訓(xùn)練學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究能力，可以采用自主學(xué)習(xí)方式進(jìn)行路線地質(zhì)教學(xué)。在這種教學(xué)方式下，學(xué)生可以先進(jìn)行虛擬實(shí)習(xí)，然后在教師的監(jiān)督下進(jìn)行實(shí)地實(shí)習(xí)。如果實(shí)習(xí)時(shí)間有限或受其他因素限制，可以采用虛擬實(shí)習(xí)方式學(xué)習(xí)野外地質(zhì)知識(shí)。

3.4 實(shí)現(xiàn)了野外實(shí)踐教學(xué)資源的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)共享

通過地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)虛擬仿真提供的豐富教學(xué)資源，學(xué)生可以通過資源共享在多個(gè)虛擬基地開展野外地質(zhì)實(shí)習(xí)，可以了解不同地質(zhì)環(huán)境下發(fā)育的地層、巖石和構(gòu)造特征，通過這種方式可以擴(kuò)大學(xué)生的野外地質(zhì)知識(shí)視野，積累豐富的野外知識(shí)，了解豐富多樣的地質(zhì)環(huán)境，從而可以有效提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)論

在野外地質(zhì)實(shí)習(xí)過程開展基于虛擬仿真項(xiàng)目的移動(dòng)學(xué)習(xí)，具有靈活性、交互性和共享性的特點(diǎn)，通過“虛實(shí)結(jié)合”的學(xué)習(xí)方式可以有效提高野外實(shí)踐教學(xué)效果，有利于開展研究型、綜合型實(shí)習(xí)，提高學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題、獨(dú)立思考、獨(dú)立研究的能力。

基于虛擬地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方開展地質(zhì)實(shí)踐，大大突破了以往受天氣、時(shí)間、地形等因素的限制，使野外地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。學(xué)生可以在實(shí)習(xí)的不同階段應(yīng)用該項(xiàng)目進(jìn)行野外地質(zhì)知識(shí)的學(xué)習(xí)，提高了學(xué)習(xí)效率，并可以顯著開拓學(xué)生對地質(zhì)現(xiàn)象理解的深度與廣度。

虛擬地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)可以集成國內(nèi)外典型地區(qū)的地層、巖石、構(gòu)造、古生物等方面的資料，以三維、VR、圖片等多種形式充分展現(xiàn)出來，給學(xué)生能夠通過該平臺(tái)學(xué)習(xí)大量的實(shí)際地質(zhì)知識(shí)，從而可以大幅擴(kuò)展學(xué)生的地質(zhì)視野，提高對地質(zhì)科學(xué)的興趣，提高學(xué)習(xí)效率、提高地質(zhì)知識(shí)的掌握程度。