呂新彪，徐四平，陳志軍，石萬忠，張夏林，楊明星，王 莉，張 峰，鄭 坤

（中國地質(zhì)大學（武漢），湖北 武漢 430074）

礦產(chǎn)資源勘查工程是實踐性、綜合性和應(yīng)用性很強的工科本科專業(yè)，它不僅需要現(xiàn)代地球科學基礎(chǔ)理論和礦產(chǎn)勘查科學理論的理論基礎(chǔ)，而且和礦產(chǎn)資源的尋找、勘查和開發(fā)工程密切相關(guān)。以往在資源勘查工程專業(yè)的本科學生培養(yǎng)中，除了強調(diào)數(shù)理化基礎(chǔ)和專業(yè)課程理論學習外，特別強調(diào)專業(yè)工程實踐［1－2］。目前學生實踐環(huán)節(jié)主要包括野外現(xiàn)場觀察、室內(nèi)手標本和各類顯微標本觀察，結(jié)合文字及相關(guān)圖件來分析地質(zhì)現(xiàn)象和過程。這些實踐多為片斷性和間接性的，很難完整、生動、客觀地表述礦產(chǎn)形成的過程和勘查開發(fā)過程。虛擬仿真技術(shù)在一定程度上可以很好地解決這一問題。

1 虛擬仿真實驗教學是解決專業(yè)理論學習和工程實踐教學難題的先進手段

1.1 礦產(chǎn)資源形成的特點

礦產(chǎn)資源是地球運動和演化的自然產(chǎn)物，其形成經(jīng)歷了極為漫長的地質(zhì)歷史，形成地質(zhì)環(huán)境和條件復雜多變，大量礦產(chǎn)是在幾百萬至幾十億年前地殼中形成的，我們現(xiàn)在基本不可能觀察到這樣的地質(zhì)過程。隨著現(xiàn)代地球科學理論的發(fā)展和探測技術(shù)的進步，人類對礦產(chǎn)形成環(huán)境和條件、成礦作用過程、分布規(guī)律等認識日益深刻，并已形成了較為完整的理論知識體系?，F(xiàn)實世界的礦產(chǎn)指人類能夠開發(fā)利用的特殊礦物集合體或巖石。它具有以下特點：

（1）區(qū)域性。由于受地殼物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和演化歷史的差異制約，礦產(chǎn)空間分布具有的不均衡性，往往表現(xiàn)為空間上的區(qū)域性，反映獨特的地質(zhì)背景和成礦條件。

（2）綜合性。具有跨越自然和社會經(jīng)濟兩大學科領(lǐng)域，它是地質(zhì)各要素之間的相互關(guān)系，以及基于社會需求的各種技術(shù)經(jīng)濟要素共同組成的特殊自然系統(tǒng)。

（3）空間性。礦產(chǎn)是客觀存在的、賦存于地殼一定的空間范圍之內(nèi)的可利用物質(zhì)體，其產(chǎn)出和分布具有一定的空間規(guī)律。

（4）歷史性。礦產(chǎn)是在漫長的地質(zhì)歷史時期形成的特殊自然之物，在不同的歷史階段，其表現(xiàn)出不同的地質(zhì)特征，一個大型礦床往往是不同地質(zhì)歷史階段產(chǎn)物的復合體，因此，演繹礦產(chǎn)形成的歷史也是礦產(chǎn)地質(zhì)科學的重要內(nèi)容［3－4］。

1.2 學習成礦理論、掌握資源勘查與開發(fā)工程的難點

學習和掌握成礦理論是開展礦產(chǎn)資源地質(zhì)找礦、勘查、開發(fā)的基礎(chǔ)。過去我們對礦產(chǎn)形成理論知識的表述、學習和傳播，主要采用文字描述加圖片示意來解決。通常，只有擁有大量的野外感性認識、地質(zhì)思維分析能力和豐富的想象力的學習者，才能較好地理解礦產(chǎn)形成的理論。對初學者來講，如何在較短的時間內(nèi)，較好地了解和掌握礦產(chǎn)屬性、形成條件、成礦作用和分布規(guī)律等方面的知識與理論，成為一個“瓶頸問題”。此外，目前人類開采利用的絕大多數(shù)礦產(chǎn)隱伏于地下，探明和表征其存在的形式、規(guī)模、產(chǎn)狀和儲量計算是一件資料整理繁雜、信息處理量大、各類圖件編繪復雜的工作，需要在采用各種探測手段（地質(zhì)填圖、地球物理與地球化學測量等）和實施山地工程（鉆探、槽探、坑道工程等）進行揭露，在獲取大量地下信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，用手工編制大量圖件、表格加文字來表述和計算。因此，礦產(chǎn)勘查與開發(fā)工程具有高成本、高風險和高投入的特點。對于學生而言，學習礦產(chǎn)地質(zhì)科學知識，僅靠書本知識學習和野外現(xiàn)場觀摩學習是很不夠的，而參加礦產(chǎn)勘查和開發(fā)工程實踐，面臨周期長（1～2年）、費用高、環(huán)境危險的狀況。因此，如何讓學生深刻理解礦產(chǎn)形成條件、機制和規(guī)律等理論知識，掌握勘查開發(fā)工程的基本方法和技術(shù)，提高學生認知能力和工程實踐能力，成為礦產(chǎn)地質(zhì)科學專業(yè)教學中的重點和難點［5－6］。虛擬仿真技術(shù)將是解決上述教學難點和重點的較為理想的途徑和手段。

1.3 虛擬仿真技術(shù)的特點和在礦產(chǎn)地質(zhì)學中應(yīng)用

虛擬（Virtual Realitv）仿真（Simulation）或稱為模擬現(xiàn)實，是基于計算機技術(shù)、信息技術(shù)和可視化技術(shù)等用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的現(xiàn)代先進科學技術(shù)。虛擬仿真系統(tǒng)依托計算機，可以通過人的視覺、觸覺、聽覺等進行現(xiàn)實情況的再現(xiàn)［7］，其有別于其他視頻和多媒體的基本特點有：

（1）仿真性。一方面，虛擬環(huán)境給人的各種感覺與所模擬的客觀世界非常相像，一切感覺如同在真實世界一樣；另一方面，當人置身于此，并以自然的行為作用于虛擬環(huán)境時，環(huán)境做出的反應(yīng)也符合客觀世界的有關(guān)規(guī)律。如當我們進入一個虛擬的采礦坑道觀察礦石時，如果敲擊礦石，則會造成礦石碎裂，露出內(nèi)部的礦物組成和結(jié)構(gòu)，從而顯示礦石的組構(gòu)特征。

（2）虛幻性。既可以模擬客觀世界中以前存在過的或是現(xiàn)在真實存在的環(huán)境，也可模擬出客觀世界中當前已不存在，但可以推演出的環(huán)境，如二疊紀中國南方特第斯大洋某些區(qū)域的沉積環(huán)境的虛擬，可以對某些礦床形成過程進行模擬。

（3）交互性。虛擬仿真系統(tǒng)中，不僅環(huán)境能夠作用于人，人也可以對環(huán)境進行控制，而且人可以通過工具對環(huán)境進行改變，如對礦體進行虛擬的測量、鉆進、采掘等，且這種過程可以通過某種條件的改變而產(chǎn)生不同的結(jié)果。

（4）沉浸性。虛擬仿真系統(tǒng)中，使用者可獲得視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運動感覺等多種感知，從而獲得身臨其境的感受［8－9］。

虛擬仿真技術(shù)的這些特點對于學生需要去野外觀察、描述、分析各類野外地質(zhì)現(xiàn)象非常有用，讓學生能在實驗室條件下就獲得豐富的地質(zhì)資料。理想的虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)該具有能夠給人所有感知信息的功能［10］。近20多年來，在傳統(tǒng)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查和探測技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代計算機技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)字模擬技術(shù)和三維可視化技術(shù)等，已可以實現(xiàn)虛擬成礦地質(zhì)環(huán)境、模擬成礦地質(zhì)過程、虛擬再造各地質(zhì)歷史時期大陸和海洋的分布及地殼基本結(jié)構(gòu)和構(gòu)造格架，以及不同地質(zhì)歷史階段的全球構(gòu)造動力學環(huán)境、構(gòu)造運動和成礦地質(zhì)作用，甚至可以虛擬一個地區(qū)（或礦區(qū)）的地殼三維結(jié)構(gòu)和礦產(chǎn)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與分布特征，并可以在虛擬礦山環(huán)境下，開展礦產(chǎn)勘查、開發(fā)和評估的設(shè)計與工程實驗。我們對礦產(chǎn)的認識和表征已從外部特征靜態(tài)描述發(fā)展為內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)動態(tài)模擬，從定性描述到定量模擬，從二維表達到三維可視化仿真，從大量二維圖紙設(shè)計到虛擬三維設(shè)計，并可實現(xiàn)虛擬地質(zhì)特征。

總之，成礦地質(zhì)理論和現(xiàn)代科學技術(shù)的重大進步為我們構(gòu)建礦產(chǎn)形成、勘查、開發(fā)虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)奠定了良好的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。通過礦產(chǎn)虛擬中心的實驗教學平臺，學生不僅可以直觀、便捷和高效地學習掌握地質(zhì)學、礦床學、礦產(chǎn)勘查與開發(fā)的理論知識，深刻理解礦產(chǎn)形成的背景、條件和分布規(guī)律，而且可以通過虛擬的三維礦產(chǎn)地質(zhì)模型，開展大量礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查設(shè)計、工程方案制定、儲量計算和經(jīng)濟評價等工程實踐，甚至可以通過補充新的野外觀測數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境下開展勘查工程科學研究和工程實踐，提出成礦新觀點和新認識，深化成礦理論，可見，虛擬仿真技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用，具有明顯的優(yōu)越性［11］。

2 礦產(chǎn)形成、勘查與開發(fā)虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)

2.1 建設(shè)思路

中國地質(zhì)大學（武漢）建設(shè)“礦產(chǎn)形成、勘查與開發(fā)虛擬仿真實驗教學中心”（下簡稱礦產(chǎn)虛擬中心）以礦產(chǎn)資源為主要實驗對象，以培養(yǎng)礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)領(lǐng)域高素質(zhì)創(chuàng)新人才為目的，在我校國家級固體礦產(chǎn)勘查實驗教學示范中心平臺基礎(chǔ)上，依托我校 “礦產(chǎn)普查與勘探”、“礦物學巖石學礦床學”和“地球探測與信息技術(shù)”3個國家二級重點學科，以及“地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源”國家重點實驗室，堅持“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則，將地球科學和現(xiàn)代成礦理論等與計算機技術(shù)、數(shù)字模擬、三維可視化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段結(jié)合，來構(gòu)建一個新型的多環(huán)境、多層次、大時間尺度的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。學生可以通過網(wǎng)絡(luò)和軟件平臺，進入本系統(tǒng)，實現(xiàn)多環(huán)境、多層次空間、多視角下對礦產(chǎn)資源形成演化過程和礦產(chǎn)屬性、組構(gòu)、時空結(jié)構(gòu)等的觀察，虛擬礦山環(huán)境下的勘查和開發(fā)設(shè)計與實施。

2.2 基本構(gòu)架和建設(shè)內(nèi)容

礦產(chǎn)虛擬中心建設(shè)的核心是虛擬仿真實驗教學平臺構(gòu)建。為此，我們利用現(xiàn)有國家及省級實驗教學示范中心和產(chǎn)學研野外基地豐富的教學資源，已初步建成了3個礦產(chǎn)虛擬仿真實驗教學平臺，即固體礦產(chǎn)資源形成與勘查開發(fā)虛擬仿真平臺、油氣形成與勘查開發(fā)虛擬仿真實驗教學平臺和珠寶玉石設(shè)計與加工虛擬仿真平臺。這3個虛擬仿真實驗平臺既相對獨立，又密切聯(lián)系，它們分別針對3類不同的礦產(chǎn)資源開展虛擬條件下的模擬實驗或虛擬工程設(shè)計。由于物質(zhì)屬性和應(yīng)用特點的不同，各實驗平臺的實驗項目也各有不同。同時，各實驗教學平臺與各自相應(yīng)的實物實驗室構(gòu)成了“虛實結(jié)合、相互補充”完整的實驗教學系統(tǒng)?；竞w了我校在礦產(chǎn)資源領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)的教學大綱中規(guī)定的理論學習、勘查與開發(fā)工程設(shè)計和產(chǎn)品研發(fā)等實驗教學。

2.2.1 固體礦產(chǎn)資源形成與勘查開發(fā)虛擬仿真平臺

該平臺主要針對固體礦產(chǎn)資源的形成、勘查、開發(fā)等相關(guān)課程實踐要求，開發(fā)了多個子平臺，如：

（1）“礦床形成過程模擬”，包括13個重要礦床類型的模擬；

（2）“礦田構(gòu)造應(yīng)力場模擬”，這是運用巖石力學、構(gòu)造地質(zhì)學、流體力學和數(shù)值模擬等理論和方法，模擬和仿真礦田構(gòu)造的形成、變化與成礦物質(zhì)充填過程，并通過不同應(yīng)力場參數(shù)和邊界條件的改變，來模擬構(gòu)造控礦的機理和規(guī)律；

（3）“礦山與勘查虛擬設(shè)計”，對一個重要的礦床類型，建立一個虛擬礦山，使學生能深入地下，觀察礦體、礦石的組構(gòu)、分布和品位變化等礦床屬性，并開展勘查工程設(shè)計，并對不同設(shè)計方案進行技術(shù)和經(jīng)濟評價；

（4）“礦山開采方案虛擬設(shè)計”，該平臺可以讓學生通過對開采礦體的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和品位、厚度等分析，設(shè)計多種開采方案，并對其進行經(jīng)濟評價，從而使學生掌握科學合理的設(shè)計思路和方法。

2.2.2 油氣形成與勘查開發(fā)虛擬仿真平臺

該平臺以油氣資源為對象，重點虛擬仿真油氣形成的環(huán)境、油氣成藏過程、油藏開發(fā)過程和開采等。已初步開發(fā)的實驗項目和特點見表1。

表1 油氣虛擬仿真實驗平臺已開設(shè)的實驗項目

表1 （續(xù)）

3.2.3 珠寶玉石虛擬仿真實驗教學平臺

該平臺重點針對天然寶玉石的形成和加工實驗而開發(fā)了一系列實驗項目，見表2。

表2 珠寶玉石虛擬仿真實驗教學平臺開設(shè)的實驗項目

為了有效保障虛擬仿真實驗教學平臺的運行，管理好礦產(chǎn)虛擬中心各實驗教學平臺的教學過程和學生實驗安排，中心依托校園虛擬網(wǎng)絡(luò)建立了一個基于云環(huán)境的虛擬仿真實驗教學基礎(chǔ)與管理服務(wù)平臺，該平臺負責為中心各虛擬仿真實驗教學平臺提供虛擬環(huán)境，并建立與其他實際實驗教學中心的連接，對各類數(shù)據(jù)資源、實物對象數(shù)據(jù)（礦床實例庫、標本庫、影像庫）和儀器設(shè)備等的分配、調(diào)用、整合和管理，其基本構(gòu)架見圖1。

3 礦產(chǎn)虛擬中心建設(shè)的體會和發(fā)展方向

近年來，我校通過對礦產(chǎn)虛擬中心的建設(shè)，不僅改變了專業(yè)教學的理念和教學方式，增強了學生自主學習的信心和興趣，全面提升了教學水平和效率，而且對培養(yǎng)學生的探索精神、工程實踐能力和創(chuàng)新意識發(fā)揮了重要作用。通過該中心的建設(shè)，我們體會到：

（1）要深刻理解虛擬仿真實驗系統(tǒng)在實踐教學中的重要性和必要性，認識到其在工程實踐教學中與實物實驗的互補性，不能替代實物實驗教學；

（2）虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的建設(shè)要有針對性和目的性，要盡量發(fā)揮其能夠模擬仿真一些我們無法實際建造或直接觀察到的客觀實體或環(huán)境，減少危險性和降低成本的作用；

（3）建設(shè)虛擬仿真實驗平臺（或項目），要有很強的可操作性和互動性，便于學生學習和實際操作，要以互動性和可變性為核心，讓學生能發(fā)揮主動學習和創(chuàng)造能力；

（4）虛擬仿真實驗教學中心的作用能否發(fā)揮好，教學和管理團隊的配合非常重要，教師是中心的主導者，學生是主體，管理人員是保障。

圖1 礦產(chǎn)資源形成與勘查開發(fā)虛擬仿真實驗教學中心基本構(gòu)架圖

我校礦產(chǎn)虛擬中心的建設(shè)還處于初級階段，如何更好地與理論教學和實體實驗結(jié)合，還需要不斷探索和創(chuàng)新。我們相信，虛擬仿真技術(shù)在礦產(chǎn)勘查和開發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［12－13］。特別是近幾年來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能和通訊技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，為虛擬仿真實驗系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的技術(shù)平臺，猶如目前國際上興起的“幕課（MOOC）”，虛擬仿真實驗也將借助于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)等，成為新的一種學習和實踐方式，虛擬仿真系統(tǒng)為礦產(chǎn)勘查開發(fā)提供一個全新的研究平臺，它具有安全、經(jīng)濟、可控、便于觀察、便于參與、實用、無破壞性、可多次重復、整體性等特點，可以對各種礦產(chǎn)領(lǐng)域的認知、設(shè)計、決策的效果與作用進行分析比較，以做出科學合理的選擇。

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