朱宗奎

（中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116）

地質專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設探析*

朱宗奎

（中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116）

傳統(tǒng)實驗教學模式正在成為制約現(xiàn)代地質人才培養(yǎng)質量的瓶頸問題。通過引入虛擬仿真技術，模擬高風險、高成本、極端條件下的真實實驗，可以破解傳統(tǒng)實驗教學模式難題。文章分析了地質專業(yè)實驗教學存在的主要問題，探究了地質專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設的重要意義及應用前景。在此基礎上，提出了地質專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設的具體內容：實驗儀器設備安全操作演示視頻、基礎實驗虛擬仿真互動教學系統(tǒng)以及重大災害過程虛擬仿真實驗平臺。

地質專業(yè)；實驗教學；虛擬仿真；互動教學

美國弗吉尼亞大學William Wolf于1989年提出了虛擬實驗室的概念，是區(qū)別于理論教學與真實實驗的第三種設計手段和形式［1-4］。近些年，國內部分高校針對自身的教學與科研需求相繼開發(fā)了專業(yè)相關的虛擬仿真實驗項目，推進虛擬仿真實驗教學平臺的建設［5-6］。虛擬仿真實驗具有成本低、可重復、效率高、可擴展、操作安全、高度開放等特點。實驗者通過模擬真實實驗環(huán)境，完成預設實驗項目，可以獲取較為可靠的實驗數(shù)據(jù)，快速響應實驗教學與科研的需求。

地質專業(yè)所涉及的實驗教學課程多是面向礦山與地下工程領域相關人才培養(yǎng)的核心課程。由于存在較大安全風險，該類實驗教學課程一般無法直接在地下礦山等實地開展。此外，由于采礦及覆巖異動過程不可逆、地層內部礦物幾何特征不可見、精密儀器實驗成本高等問題，加之近些年相關專業(yè)招生已達一定規(guī)模，使得該類實驗教學課程或難以真實開展，或開展的深度與廣度不夠，成為制約地質人才培養(yǎng)質量的瓶頸。

借助計算機虛擬現(xiàn)實技術，通過科學規(guī)劃，兼顧地質專業(yè)人才培養(yǎng)與地礦類專業(yè)地質課程學習，開展地質專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設，搭建安全、可靠、直觀、經(jīng)濟的非常規(guī)實驗教學平臺，可以模擬高風險、高成本、極端條件下的真實實驗。在此基礎上，將虛擬仿真實驗與真實實驗、現(xiàn)場實習相結合，能夠破解制約地質人才培養(yǎng)質量的實驗教學難題，提升地質專業(yè)以及地礦類專業(yè)地質課程實驗教學整體水平，滿足人才培養(yǎng)需求。

一、地質專業(yè)實驗教學存在的主要問題

2004-2013十年間，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，能源需求不斷增大，使得煤炭產(chǎn)量從19.9億噸飆升至39.7億噸，近兩年雖然有所下降，但仍維持在38億噸左右的高位。能源需求速增與地質人才不足之間的矛盾在過去十年間突顯，可以概括為：人才總量稀缺，一線人才稀缺，青年人才稀缺，高學歷人才稀缺，領軍人才稀缺。在這個大背景下，地質專業(yè)招生規(guī)模持續(xù)擴大，但隨之而來的人才培養(yǎng)卻出現(xiàn)了一些問題，其中最為顯著的是畢業(yè)生實踐技能不足，究其原因，主要是受限于當前地質專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀。

（一）安全責任大、生產(chǎn)任務重，現(xiàn)場實踐教學難展開

地質專業(yè)人才培養(yǎng)的目標，是培養(yǎng)一大批基礎理論扎實、工程實踐能力強的高級技術人才，尤其實踐技能在日常工作中更為重要。目前，地質專業(yè)實踐技能的培養(yǎng)主要是通過常規(guī)實驗室教學和野外實習兩個環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。這兩個環(huán)節(jié)對于學生實踐技能的提升有重要作用，但仍有局限性。只有通過現(xiàn)場實踐的磨礪，才能更好的掌握相關技能。然而，企業(yè)生產(chǎn)任務重，安全責任大，使得現(xiàn)場實踐教學難展開。

（二）深部不可見、致災機理復雜，常規(guī)實驗仿真性差

實踐教學是地質專業(yè)人才培養(yǎng)的關鍵環(huán)節(jié)。然而，地質專業(yè)研究領域主要涉及地下巖體結構與構造、地下工程、地下水等方面。比如說，地下水在多孔介質中的滲流主要發(fā)生在地表以下的巖體中，由于深部且多孔介質內部不可見，導致地下水滲流過程不可見，滲透系數(shù)響應機理不明確；又比如說，礦井水害，機理異常復雜，影響因素眾多，且災害過程不可逆。故而，針對地下水滲流和災害的研究迫切需要通過實驗來模擬。但由于常規(guī)實驗能夠模擬的條件有限，導致實驗仿真性較差，無法達到研究目的。

（三）物理建模繁冗、傳感設備昂貴，常規(guī)實驗成本高

地質專業(yè)研究對象是深部巖體、地下水等。由于覆巖移動過程、突水過程不可逆等特點，使得相關研究需要通過物理建模模擬真實場景，以期把握其規(guī)律。由于物理建模既要考慮建模材料的相似性，又要考慮建模條件的充分性，使得建模過程極為繁冗。而且由于過程的不可逆性，物理模型也無法重復使用，每次實驗均需重建物理模型。加之，物理模型中的實時響應數(shù)據(jù)需要通過大量傳感設備進行傳輸，而傳感設備價格較為昂貴，使得常規(guī)實驗成本高。

二、地質專業(yè)虛擬仿真實驗平臺建設意義及應用前景

（一）建設意義

綠色、安全、高效，是地質相關行業(yè)的共同愿景。而這一愿景的實現(xiàn)離不開大量基本功扎實、工程素養(yǎng)高、實踐能力強的專業(yè)技術人才。通過地質專業(yè)虛擬仿真實驗平臺的建設，搭建安全、可靠、直觀、經(jīng)濟的虛擬仿真實驗教學平臺，可以模擬高風險、高成本、極端條件下的真實實驗。解決當前地質專業(yè)實驗教學中存在的安全責任大、生產(chǎn)任務重，現(xiàn)場實踐教學難展開；深部不可見、致災機理復雜，常規(guī)實驗仿真性差；物理建模繁冗、傳感設備昂貴，常規(guī)實驗成本高等問題。破解制約地質人才培養(yǎng)質量的實驗教學難題，提升地質專業(yè)相關實驗教學整體水平，滿足人才培養(yǎng)需求。

開展地質專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設，不僅可以提升地質相關專業(yè)實驗教學整體水平，而且可以為學院申報國家級虛擬仿真實驗教學中心做好基礎性工作。虛擬仿真實驗教學采用虛擬現(xiàn)實的軟件和模擬器，可以多次重復，而且安全環(huán)保、成本低廉、節(jié)約能源。在地質專業(yè)大學生實驗教學及實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)中引入虛擬仿真模式，并擴展到企業(yè)實踐教學，不僅有助于學生對地質專業(yè)知識的深入理解和把握，而且可以讓學生在實驗室就能為企業(yè)實踐中相關技能的培養(yǎng)打下堅實基礎。

（二）應用前景

1.面向地質類專業(yè)開設實驗課程

地質專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺的建設，不僅可以服務于本專業(yè)學生的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，而且可以面向全校十多個相關專業(yè)，千余人次的本科生進行開放。甚至可以為區(qū)域大學生科研訓練、課外科技活動及各類創(chuàng)新競賽服務。成為院、校、區(qū)域內各級各類本?？茖W生實驗教學、創(chuàng)新實踐及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展重要的實踐基地并發(fā)揮實驗示范作用，有效的促進各相關專業(yè)、學科的交叉、融合發(fā)展。

2.面向行業(yè)和國內同類高校輻射

全國其他十余所原煤炭部高校以及其他三十余所非煤高校也招收了地質相關專業(yè)的學生，比如河南理工大學、西安科技大學、山東科技大學等。我院地質專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設完成以后，可以將該建設模式在該類院校中進行推廣，同時將該實驗教學改革的成果及資源與行業(yè)高校共享，在實驗教學研究與人才培養(yǎng)方面相互交流。

三、地質專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設內容

地質專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設應依據(jù)科學規(guī)劃、層次鮮明、重點突出、資源共享原則推進。通過以下內容的虛擬仿真實驗教學平臺建設，可以破解地質相關行業(yè)的安全生產(chǎn)隱患與大批學生實踐困難難題，實現(xiàn)資源共享。為地質類學生實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)開創(chuàng)一條特色之路。主要包括以下幾個方面建設內容：

（一）實驗儀器設備安全操作演示視頻

地質專業(yè)實驗儀器設備主要包括“同位素比質譜儀”、“等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-72OES）”、“給水度儀”以及“達西儀”等，既有通識類實驗教學儀器，又有科研類大型精密儀器。通過實驗儀器設備安全操作演示視頻、通識類實驗教學微課視頻的錄制，方便學生通過網(wǎng)絡學習平臺進行在線學習及研究，實現(xiàn)實驗教學資源的共享。

（二）基礎實驗虛擬仿真互動教學系統(tǒng)

地質專業(yè)基礎實驗主要包括“透反兩用偏光顯微鏡觀察礦物、巖石及煤標本實驗”、“主要煤、古生物及三大類標本實驗”以及“達西滲流實驗”等。通過建立虛擬仿真互動教學系統(tǒng)，實現(xiàn)該類基礎實驗的全景透視和沉浸式漫游，以及虛擬互動操作?？梢酝卣箤W生思維廣度，提升學生綜合設計與創(chuàng)新能力。

（三）重大災害過程虛擬仿真實驗平臺

礦井水害是地質專業(yè)研究的重大災害之一。采用虛擬仿真技術，實現(xiàn)融合工作面頂板突水、底板突水、斷層突水、陷落柱突水以及老坑突水等五類典型礦井水害的形成過程演示及治理方案設計的虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)。建立一套兼顧教學演示與虛擬實訓的仿真災害實驗平臺，不僅能夠展示震撼性警示教育場景，而且能夠強化災害機理的認識與理解。

四、結束語

地質專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設的意義重大，是高等學校信息化建設的重要內容，是爭創(chuàng)國家級實驗教學示范中心的重要組成部分。將虛擬仿真技術應用到地質專業(yè)實驗教學中，不僅解決了傳統(tǒng)實驗教學的局限性，而且有助于破解地質人才培養(yǎng)的瓶頸問題，為地質類學生實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)開創(chuàng)一條特色之路。同時，使得實驗教學更具趣味性、創(chuàng)造性、共享性。

［1］王衛(wèi)國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.實驗室研究與探索，2015（5）：214-219.

［2］L·約翰遜，S·亞當斯貝克爾.新媒體聯(lián)盟地平線報告（2013高等教育版）［M］.張鐵道，殷丙山譯.美國奧斯汀，德克薩斯:新媒體聯(lián)盟，2013：1-19.

［3］NMC Horizon Report.2015 Higher Education Edition［DB/OL］. http://cdn.nmc.org/media/2015-nmc-horizon-report-HE-EN. PDF.

［4］M.Mitchell Waldrop.The Virtual Lab［J］.Nature，2013，July 18：268-270.

［5］李亮亮，趙玉珍，萬志軍，等.材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設［J］.實驗技術與管理，2014（2）：5-8.

［6］馬文頂，吳作武，李正操，等.采礦工程虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐［J］.實驗技術與管理，2014（9）：14-18.

Traditional experimental teaching mode has been the bottleneck that restricts the cultivation of modern geological talents.Therefore，through introduction of virtual simulation technology to simulate high-risk and highcostreal experiments in extreme condition，some problems in traditional experimental teaching mode can be solved. This paper has analyzed the main problems in the experimental teaching of geological specialty and investigated the significance and application prospect of establishing virtual simulation experimental teaching platform for geology students.On the basis of this，we also propose its specific content，including safety operation demo videos of experiment instruments，interactive virtual simulation teaching system of fundamental experiments，together with virtual simulation experiment platform of the process of the major disasters.

geology speciality；experimental teaching；virtual simulation；interactive teaching

G642

A

2096-000X（2016）20-0054-02

國家“973”計劃項目（編號：2013CB227901）資助；中國礦業(yè)大學教育教學改革與建設課題項目（編號：2016YB20）資助。

朱宗奎（1981-），男，江蘇徐州，博士，講師，從事礦井水害防治方面的教學與科研工作。