基于虚拟仿真平台的野外地质实践*

冉祥金 薛林福 李伟民 楼仁兴 张焱焱

1.吉林大学地球科学学院；2.吉林工商学院

传统地质实践教学受教学时间限制不能达到预期效果。虚拟仿真教学方法通过虚拟仿真的方式在一定程度上解决了传统地质实践教学存在的问题。本文探索采用自主研发的虚拟仿真教学平台，以人机交互的方式提供了沉浸式地质实践教学，以虚实结合的方式提高了教学效果，获得学生认可。

地质实践教学是地质类各专业学生掌握地质知识和地质技能十分重要的教学环节，是学生积累地质工作经验的重要途径[1,2]。通过开展地质实践教学，学生能够从课堂教学中走出来，从实际的野外地质环境中认识岩石、识别各种构造现象、从各种地质现象推断几亿年来的地质变化，理论联系实际，巩固课堂理论教学效果。由于需要在实际的野外地质环境开展实习活动，传统的地质实践教学容易受到天气、环境、人为等各种因素的影响，尤其是在疫情防控期间[3]，导致实习活动受阻。

近年来，虚拟仿真技术的发展，促使各学科开展了不同程度的虚拟仿真实验。教育部于2013年起，在全国各高校建设了1000所虚拟仿真教学中心，2017年起，又开展了国家级示范性虚拟仿真实验项目的认定工作，目前已认定750多项，其中包含地质类虚拟仿真实验项目11项，这些都大大促进了虚拟仿真教学的探索。徐文杰基于“地学云堂”开展了地质实习的混合式教学改革，实现“以学生为中心”的教学模式探索[4]。魏玉帅等搭建了北京周口店野外地质仿真模拟实习教学实验系统，提升了实践教学的质量和水平[5]。强伟帆等总结了虚拟仿真技术在地质教学中的应用，指出虚拟仿真是有效增加地质实习教学方法的多样性、培养学生综合能力的有效手段[6]。王盛年等应用实景虚拟技术还原了工程地质现场环境，探索了虚拟实践相关环节，有效解决了实习场地匮乏、经费成本与安全保障的困局，提高了教学效果[7]。另外，海洋地质[8]、野外地质[9]、油田地质[10]等课程都相继展开了在线虚拟仿真教学方法探讨。

本文针对吉林大学地球科学学院开设的《地质教学实习》课程教学现状，利用前期建设的《野外地质实践教学虚拟仿真平台》[11]，探索将虚拟仿真技术运用到该课程的在线教学中，更好地提升实习教学效果。

1 地质教学实习教学现状

位于辽宁省兴城市的吉林大学实践教学基地是吉林大学地学部开展各类地学相关实践教学的野外教学实习场所，每年8～9月份，地学部四大学院的相关专业学生开展《地质教学实习》课程。该课程由路线地质教学、实测剖面、地质填图等组成，其中路线地质教学一般由专业教师带领学生前往野外进行路线实地踏勘，掌握路线中露头的岩性、构造，了解各种地质现象及发生的地质事件。

由于受教学时间、地理条件等因素的限制，学生实际能够观察和了解到的地质现象受到了很大制约，而野外地质现象十分复杂，这在一定程度上限制了学生的地质视野和未来地质工作的能力。主要存在以下几个方面的问题与局限性。

1.1 传统的野外地质实习存在着时间与空间方面的局限性

传统野外地质实习常常受限于时间、地形、天气等条件。例如：学生在每个野外教学观察点上停留的时间十分有限，很难再有充足的时间掌握实习内容，更不能有充足的时间自主地进行观察、描述与研究。一些典型地质现象位于悬崖峭壁上，为了人身安全，学生难以在任意位置对地质现象进行近距离观察与描述。很好的教学现象常常由于自然风化或人为破坏而不能长期用于野外现场教学；由于天气影响，野外教学可能不能正常进行；由于教师数量有限，很难进行一对一的详细教学；由于各种因素的限制，不能对每条路线都进行野外现场实习。

1.2 野外实践过程中，学生视野受限，无法了解全貌

在野外地质实践教学过程中，由于考虑到地形、安全性，当进行野外地质观察时，学生只能看到一个地质现象的局部，难以了解地质现象的全貌，从而制约了学生对地质现象的全面了解能力。

1.3 传统的“教师讲，学生听”的教学方式限制了学生的自主性

传统野外地质实践教学的主要方式是教师沿路线边走边讲，学生跟着老师边观察边记录，在这种教学方式下，学生用于自主观察的时间较少，往往不能充分掌握野外教学内容，野外观察和研究的能力不能得到充分锻炼。

1.4 野外实践教学资源丰富，无法共享

学生通常只能在有限的地方进行野外地质实习，而地质科学需要具有大量复杂地质现象观察的经验，野外地质经验越丰富，发现和解决地质问题的能力就越强，有限的实践教学是制约地质教学质量提高的瓶颈。

针对上述问题，通过引入虚拟仿真技术，建设了“野外地质实践教学虚拟仿真平台”，以虚实结合的方式，对传统的野外地质实践课程进行了有效地补充。

2 野外地质实践教学虚拟仿真平台

“野外地质实践教学虚拟仿真平台”（以下简称平台）是在无人机、倾斜摄影三维建模、空间数据库、人工智能等技术支持下构建的新一代野外地质实践教学系统（如图1所示）。平台旨在充分利用现代信息技术，将虚拟仿真与野外地质实践教学紧密结合，通过构建不同尺度实景三维虚拟仿真地质环境，使学生在该环境中对各种地质现象进行观察、描述，测量各种地质体的产状要素，研究地质体之间的空间相互关系及形成先后次序。目前该系统已集成了辽宁兴城实践教学基地的11条野外路线地质实景模型，并整合了路线地质教学相关的教学内容。基于该平台，学生可以随时随地观察相关路线概况及地质露头，了解地质野外实习基地情况，学习野外地质知识、掌握野外地质工作技能、扩展知识范围。

平台分为网页版和交互版两种类型，网页版目前已主要集成以下功能：

2.1 集成了地质观察路线的教学内容

目前平台已经集成了兴城市钓鱼台、龙回头、台里、首山、夹山、牤牛山、尖山、上长茂、白庙子、华山镇、上黑鱼沟等11条地质教学路线，形成“观察内容与要求、路线概况、虚拟地质路线、观察点1～n、问题与思考”等教学内容。

2.2 集成了各路线的实景三维模型及各教学点的实景模型

平台不仅集成了各条路线的实景三维模型，而且集成了各个教学点的实景模型。学生通过鼠标可以操作路线模型，寻找野外踏勘的路径及环境，通过鼠标旋转与缩放功能细致入微地观察地质露头的岩性、构造、古生物等特点。

2.3 平台自动记录了用户鼠标所在的GPS经纬度信息

平台所集成的模型是通过无人机倾斜摄影技术建模的，该技术保留了无人机照片中的GPS信息，所生成的模型是包含真实GPS经纬度坐标的。因此，通过算法，平台可以将学生鼠标所处位置的经纬度坐标进行正确显示。学生可以通过鼠标记录所观察地质教学点的GPS信息，以便在野外记录本中规范记录。

交互版主要提供了交互控制虚拟人物开展虚拟实习

的功能（如图2所示）。用户通过鼠标或键盘操作虚拟人物，在实景模型中开展虚拟实习。场景中提供了任务领取、GPS测量、地质锤取样、虚拟记录本等功能，真实地模拟了学生在野外进行路线地质实习的情景。

3 野外地质实践教学虚拟仿真平台在地质教学实习课程中的应用

平台所提供的各项功能为开展野外地质实践教学虚拟仿真提供了基础保障，教师可以通过平台所提供的功能来布置教学任务和安排，学生利用平台即可领取教学任务，开展虚拟实习。基于平台可以开展自主野外实习、虚拟野外实习、辅助野外实习等多种方式的野外地质实习。

在开始实习前，学生可以通过平台预习地质路线实习内容，了解实习路线地理位置、地质背景、主要观察内容等，发现地质问题和拟要重点观察的地质内容，有助于在实习过程中有的放矢地学习。在实习过程中，也可以通过手机、PAD等电子设备了解更多的地质观察内容。

疫情防控期间，我院针对无法前往实习基地进行实习的同学，采用本平台开展了线上实习，学生普遍评价本项目给他们带来了前所未有的体验。学生能够真实地观察野外的实际地质情况，可以从地面、空中的任意角度和任意位置观察野外地质露头，全面观察与描述野外地质现象；可以使用GPS、放大镜、测绳等虚拟工具，获得了更多的野外地质知识。

目前，平台自2018年上线以来，总浏览次数已达到71105人次，其中独立访客达到3808人，访问平台的IP地址数目累计达到3889个（如表1所示）。

表1 平台访问情况Tab.1 Platform access

平台针对性地解决了以下几方面问题：

3.1 突破了野外地质实习时空等方面的局限性

野外地质场景的虚拟仿真提供了一个良好的野外地质知识学习和野外地质研究的虚拟环境，学生可以通过电脑、手机等设备学习野外地质工作技能，掌握野外地质知识，从而能够突破野外地质实践教学的时空等方面的限制，为野外地质实践教学开辟了新的途径。

3.2 提升了野外实践教学的效果与质量

虚拟野外地质环境是在20多万张无人机航拍照片和手工拍摄照片的基础上，采用倾斜摄影技术合成的实景三维模型，这些实景三维模型除了包含路线地质教学内容外，还包含了大量丰富的多尺度野外地质信息，在这样的虚拟仿真环境中，学生具有身临其境的感觉，可以从不同视角和不同位置观察地质现象，了解地质现象的全貌和细节，加深地质知识的理解，提高野外地质实践教学质量。

3.3 改变了传统野外地质实践教学方式

平台提供了自主学习、虚拟学习与研究等多种野外实践教学方式，可以根据实际情况进行教学方式选择。如果要训练学生自主学习和研究能力，可以采用自主学习方式进行路线地质教学。在这种教学方式下，学生可以先进行虚拟实习，然后在教师的监督下进行实地实习。如果实习时间有限或受其他因素限制，可以采用虚拟实习方式学习野外地质知识。

3.4 实现了野外实践教学资源的数字化和网络共享

通过地质实践教学虚拟仿真提供的丰富教学资源，学生可以通过资源共享在多个虚拟基地开展野外地质实习，可以了解不同地质环境下发育的地层、岩石和构造特征，通过这种方式可以扩大学生的野外地质知识视野，积累丰富的野外知识，了解丰富多样的地质环境，从而可以有效提高实践教学质量。

4 结论

在野外地质实习过程开展基于虚拟仿真项目的移动学习，具有灵活性、交互性和共享性的特点，通过“虚实结合”的学习方式可以有效提高野外实践教学效果，有利于开展研究型、综合型实习，提高学生独立发现问题、独立思考、独立研究的能力。

基于虚拟地质实践教学平台，可以在任何有网络的地方开展地质实践，大大突破了以往受天气、时间、地形等因素的限制，使野外地质实践教学进入了一个新的发展阶段。学生可以在实习的不同阶段应用该项目进行野外地质知识的学习，提高了学习效率，并可以显著开拓学生对地质现象理解的深度与广度。

虚拟地质实践教学平台可以集成国内外典型地区的地层、岩石、构造、古生物等方面的资料，以三维、VR、图片等多种形式充分展现出来，给学生能够通过该平台学习大量的实际地质知识，从而可以大幅扩展学生的地质视野，提高对地质科学的兴趣，提高学习效率、提高地质知识的掌握程度。