謝宏 蔣璽 唐波 杜麗娟

［摘 要］巖石學(xué)、礦床學(xué)是地質(zhì)類專業(yè)的核心課程，筆者針對(duì)這些課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的真實(shí)場(chǎng)景及原理難以再現(xiàn)、教學(xué)資源有限、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過多等問題，基于“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)踐平臺(tái)進(jìn)行成巖/成礦過程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，倡導(dǎo)集實(shí)操驗(yàn)證與虛擬仿真于一體的教學(xué)方式，構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)過程，實(shí)現(xiàn)了“虛”“實(shí)”教學(xué)方式的有效融合。

［關(guān)鍵詞］“虛實(shí)結(jié)合”；虛擬仿真；教學(xué)方式；成巖/成礦過程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

［中圖分類號(hào)］G642.423［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2024）06-0049-04

隨著互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)飛速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)逐漸應(yīng)用于高校地質(zhì)類課程教學(xué)中[1]。通過構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，能夠展現(xiàn)原本不可視的結(jié)構(gòu)、現(xiàn)象或科學(xué)原理，解決目前實(shí)驗(yàn)做不到、做不好的問題[2]?！疤摗薄皩?shí)”教學(xué)方式深度融合，能夠使學(xué)生獲得真實(shí)情境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，顯著改善教學(xué)效果。

一、成巖/成礦過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景

成巖/成礦過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要為巖石學(xué)、礦床學(xué)等課程教學(xué)服務(wù)。作為地質(zhì)類專業(yè)的核心課程，巖石學(xué)、礦床學(xué)等課程內(nèi)容繁雜、理論抽象，通過研究地球內(nèi)部各種礦物、巖石的成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物理化學(xué)特性等，解決巖石、礦石的產(chǎn)生方式、演化歷史、分布規(guī)律及資源利用等問題。其中，成巖/成礦作用是貫穿課程教學(xué)內(nèi)容的主線。

巖石學(xué)、礦床學(xué)課程非常注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3]。成巖/成礦過程實(shí)驗(yàn)有助于使學(xué)生在略顯枯燥的理論學(xué)習(xí)中產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣與求知欲，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，獲得開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本訓(xùn)練。成巖/成礦過程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的變革是課程內(nèi)涵提升的重要抓手。

（一）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問題

傳統(tǒng)的巖石學(xué)、礦床學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要基于圖片和文字介紹，依靠巖石、礦床的手標(biāo)本、光/薄片標(biāo)本進(jìn)行，往往存在著如下幾個(gè)問題。

1.成巖/成礦過程難以直觀再現(xiàn)，學(xué)生難以深入理解

各類巖石、礦產(chǎn)往往要經(jīng)歷數(shù)百萬年，甚至數(shù)億年的地質(zhì)變化才能形成，其形成過程漫長而復(fù)雜，看不見、摸不著，甚至難以想象，真實(shí)成巖/成礦過程及成巖/成礦環(huán)境難以再現(xiàn)。已經(jīng)形成的地下巖體/礦體的分布狀態(tài)、控礦構(gòu)造的空間展布、圍巖蝕變的發(fā)育特征、礦化期礦化階段的演化等，均難以在野外直接觀察到。學(xué)生沒有接觸野外實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，僅依賴?yán)碚撜n堂上講授的內(nèi)容、通過碎片式的實(shí)驗(yàn)標(biāo)本，難以復(fù)原實(shí)際場(chǎng)景[4]。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有限，系統(tǒng)性不足

地質(zhì)類課程實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品要求較高，天然樣品往往只保留了地質(zhì)過程最終演化階段的一些信息，如何從天然樣品反演和追蹤成巖/成礦的條件、過程和機(jī)制是一大難題[5]。各種巖石、礦床類型繁多，地質(zhì)影響因素復(fù)雜，且實(shí)驗(yàn)標(biāo)本的采集工作受到采集者認(rèn)識(shí)水平等主觀條件的制約，實(shí)驗(yàn)室只能獲取部分天然樣品，很難完整、系統(tǒng)、典型地展現(xiàn)整條地層剖面或整個(gè)礦床的面貌。野外實(shí)踐教學(xué)雖能收集到較全面的資料和數(shù)據(jù)，但又涉及項(xiàng)目過程周期長、外出實(shí)驗(yàn)成本高、野外實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)大等問題[6]?，F(xiàn)有資源的零散性致使師生在課堂上只能選擇一些主要的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)踐，無法做到面面俱到，難以讓學(xué)生建立全面的知識(shí)體系，基于實(shí)驗(yàn)室樣品探究成巖/成礦過程實(shí)際運(yùn)行困難。

3.以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏有效教學(xué)手段

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物質(zhì)組成、巖/礦石命名、礦床成因驗(yàn)證等。雖然驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生了解巖/礦石的成分、結(jié)構(gòu)，使書本上抽象的理論具體化，但由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占比過大，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程缺乏啟發(fā)性、挑戰(zhàn)性和探究性，導(dǎo)致學(xué)生先于實(shí)操獲知了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論，不可避免地按照先入為主的思維定式展開實(shí)驗(yàn)操作，難以根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象綜合深入探究成巖/成礦作用過程，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新思維，不能完全實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)初衷。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)必要性分析

虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展為消除傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的風(fēng)險(xiǎn)性、局限性和不可實(shí)現(xiàn)性等弊端提供了有效的途徑。成巖/成礦過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛏鷦?dòng)刻畫不同地質(zhì)背景下殼幔相互作用、地殼演化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿作用和流體活動(dòng)等導(dǎo)致元素活化、遷移、聚集、沉淀和成巖/成礦的過程，揭示巖石、礦床形成的自然環(huán)境，實(shí)現(xiàn)以虛補(bǔ)實(shí)、以虛驗(yàn)實(shí)、以虛促實(shí)，達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的教學(xué)效果。

1.以虛補(bǔ)實(shí)

成巖/成礦過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M地下深部地質(zhì)體的分布特征，可以全方位多角度地展示巖漿/熱液—構(gòu)造—流體—成巖/成礦的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程的動(dòng)態(tài)模擬，將人類歷史中不可復(fù)見的成巖/成礦過程數(shù)字化、可視化，讓學(xué)生真實(shí)觀察巖體/礦床的地質(zhì)特征、控礦因素及時(shí)空分布規(guī)律[7]，身臨其境地體驗(yàn)地質(zhì)體形成的“源—運(yùn)—聚—儲(chǔ)”等復(fù)雜地質(zhì)過程。

2.以虛驗(yàn)實(shí)

通過虛擬仿真驗(yàn)證基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的預(yù)設(shè)結(jié)論，并進(jìn)行分析研判。例如，將手標(biāo)本及巖石薄片放在放大鏡及偏光顯微鏡下鑒定砂巖的礦物成分、含量、結(jié)構(gòu)構(gòu)造，在充分分析石英、長石、巖屑的類型、含量、顯微結(jié)構(gòu)及填隙物類型、膠結(jié)方式、支撐類型等的基礎(chǔ)上，判斷砂巖形成的水動(dòng)力條件、搬運(yùn)距離的遠(yuǎn)近、沉積介質(zhì)的酸堿度、沉積區(qū)的氣候狀況、物源區(qū)的巖石性質(zhì)等，進(jìn)而推斷成巖過程。以此為基礎(chǔ)，利用虛擬平臺(tái)可以清晰地展示砂巖形成作用、沉積環(huán)境和成巖過程，對(duì)所推斷結(jié)論加以驗(yàn)證。

3.以虛促實(shí)

現(xiàn)代高科技手段構(gòu)造出的逼真的成巖/成礦過程畫面，突破了傳統(tǒng)的單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的沉浸感和真實(shí)感，增添了教學(xué)趣味性。學(xué)生通過在虛擬環(huán)境中對(duì)推斷結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，在不斷知錯(cuò)、改錯(cuò)的過程中，提升對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象“將今論古”的解讀水平，加深對(duì)成巖/成礦相關(guān)理論的理解，增強(qiáng)分析解決實(shí)際問題的能力。

二、成巖/成礦過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

（一）基礎(chǔ)條件

成巖/成礦過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以傳統(tǒng)的巖石學(xué)、礦床學(xué)課程實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)拓展和升華。它要求實(shí)驗(yàn)室配備充足的不同類型巖石標(biāo)本，以及具有典型代表性的系統(tǒng)的礦石、圍巖標(biāo)本；此外，還要求實(shí)驗(yàn)室配備一人一臺(tái)透射/反射偏光顯微鏡，并利用數(shù)碼拍攝技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)將學(xué)生顯微鏡和教師顯微鏡有機(jī)聯(lián)系在一起，形成顯微數(shù)碼互動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)師生之間、生生之間鏡下圖像的實(shí)時(shí)傳輸以及一對(duì)一、一對(duì)多的交流互動(dòng)，克服傳統(tǒng)顯微鏡設(shè)計(jì)的個(gè)體性和封閉性帶來的教學(xué)缺陷[8]。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)

所建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括成巖/成礦過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室1間、成巖/成礦過程軟件1個(gè)、典型模型13個(gè)、模型存放柜13個(gè)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)2臺(tái)、模型展示臺(tái)50套。其中，成巖/成礦過程軟件要求包含實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的核心模塊，能形象反映各類巖石/礦床的形成過程；典型模型要求模型能夠反映各類巖石/礦床的形成過程及形成環(huán)境，各模型以組合形式表現(xiàn)，針對(duì)各類巖石/礦床形成過程中的每個(gè)重要階段均制作一個(gè)子模型，所有的子模型最終可以組合成一個(gè)外觀具備該類巖石/礦床典型地貌特征形式的景觀模型，且所有子模型與軟件模塊所模擬的分階段對(duì)應(yīng)；模型存放柜用于分別存放13個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的子模型，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的子模型數(shù)量根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需表現(xiàn)的畫面確定，每個(gè)子模型能單獨(dú)形成獨(dú)立個(gè)體；模型展示臺(tái)要求展示臺(tái)與模型尺寸相適應(yīng)，桌椅配套。

三、“虛實(shí)結(jié)合”的成巖/成礦過程實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

（一）實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容

“虛實(shí)結(jié)合”成巖/成礦過程實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容主要為：保留巖石學(xué)、礦床學(xué)課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的部分基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，包括巖石/礦床手標(biāo)本的觀察、光/薄片標(biāo)本在透射/反射偏光顯微鏡下的巖礦鑒定、地質(zhì)圖的判讀等。在此基礎(chǔ)上，穩(wěn)步增添專業(yè)綜合性更強(qiáng)、智能化程度更高的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)成巖/成礦過程實(shí)時(shí)觀測(cè)與分析、成巖/成礦條件變化監(jiān)測(cè)與提示、實(shí)驗(yàn)結(jié)果網(wǎng)絡(luò)提交與云存儲(chǔ)等功能，展現(xiàn)原本不可視的成巖/成礦過程及原理，充實(shí)并拓展傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程體系。

學(xué)生在“實(shí)”的教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)會(huì)判斷巖/礦石成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，初步分析巖/礦石成因；通過虛擬仿真“虛”的實(shí)驗(yàn)，記錄成巖/成礦過程，改變成巖/成礦條件，觀察成巖/成礦過程的狀態(tài)變化，在教師的引導(dǎo)下分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，辨析實(shí)驗(yàn)方案存在的問題，從而做到既知道實(shí)驗(yàn)結(jié)果“是什么”，又領(lǐng)會(huì)到實(shí)驗(yàn)過程“為什么”。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

按照教學(xué)改革思路，筆者摸索并確立適合地質(zhì)學(xué)特色的教學(xué)運(yùn)行模式：以實(shí)為本，以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合。本文以巖漿爆發(fā)成巖/成礦過程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，介紹虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程及效果。

第一步：“實(shí)”的教學(xué)環(huán)節(jié)，主要進(jìn)行標(biāo)本觀察和圖件判讀。利用手標(biāo)本及光/薄片標(biāo)本，借助放大鏡、透射/反射偏光顯微鏡判定巖/礦石成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、圍巖蝕變等，收集山東蒙陰、遼寧瓦房店等地金剛石典型礦床的地質(zhì)資料，包括礦床地質(zhì)圖、剖面圖等，初步分析礦床成礦作用過程。

第二步：選擇虛擬仿真外觀模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象、內(nèi)容及要求選擇實(shí)驗(yàn)外觀模型（見圖1），建立巖漿爆發(fā)成巖/成礦過程的整體映像。

第三步：根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟，用4個(gè)子模型呈現(xiàn)巖漿爆發(fā)成巖/成礦過程（見圖2）。

子模型1表現(xiàn)的是地下深處（地幔）巖漿房中的巖漿處于高溫、黏稠、熔融狀態(tài)。子模型2表征了巖漿房中的高溫高壓超基性巖漿通過深大斷裂快速上升，直達(dá)地表。子模型3展現(xiàn)了地幔巖分熔→晶出原生礦物共生組合（如橄欖石、鋁鎂鉻鐵礦、鎂鋁榴石、金剛石等）→快速冷凝形成具有斑狀結(jié)構(gòu)、氣孔狀構(gòu)造、流紋狀構(gòu)造等的噴出巖的過程；此過程中，地幔碳在深大斷裂上升通道中由于溫度壓力驟降，快速冷凝結(jié)晶形成很小的、呈晶芽狀的金剛石。子模型4呈現(xiàn)的是金剛石礦床——巖漿爆發(fā)礦床的形成過程。深大斷裂中的金剛石與炭質(zhì)圍巖混染，金剛石晶體長大，同時(shí)由于揮發(fā)分膨脹，巖漿爆發(fā)，在爆發(fā)巖筒中金剛石初次富集；已形成的火山通道被熔漿所膠結(jié)的爆發(fā)角礫巖所充填，通道常被堵塞，致使堵塞部分以下的壓力重新增高，達(dá)到極限時(shí)又引起新的爆發(fā)，金剛石再次富集；經(jīng)過多次巖漿爆發(fā)作用，金剛石被攜帶和富集于爆破巖筒或裂隙的某一部位中，形成巖漿爆發(fā)成因金剛石礦床。

四、結(jié)語

成巖/成礦過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為一種新型的教學(xué)方式，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充，既能避免實(shí)驗(yàn)完全虛化而與實(shí)際脫節(jié)，又能彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)條件的不足，打破空間、時(shí)間的限制，有效促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形象化、鮮活化，解決實(shí)驗(yàn)條件不足、不便開展的問題，同時(shí)還能豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、提高實(shí)驗(yàn)效率。通過營造支撐本科教學(xué)、碩博培養(yǎng)的仿真模擬綜合性實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能夠充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力及分析和解決復(fù)雜問題的能力。

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［責(zé)任編輯：周侯辰］