張津?qū)?，?源，馬 驍，朱 驍，王文潔，2，3

[1.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)，新疆克拉瑪依，834000；2.新疆克拉瑪依市青少年科技活動中心，新疆克拉瑪依，834000；3.新疆極客未來教育科技有限公司，新疆克拉瑪依，834000]

一、引言

實踐教學(xué)是高校教學(xué)工作的重要組成部分，是深化課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生獲取、掌握知識的重要途徑。隨著高校實踐育人工作的落實，國內(nèi)高校實踐育人工作內(nèi)容與形式不斷豐富，取得了很大成績，積累了寶貴經(jīng)驗。然而，實踐育人特別是實踐教學(xué)依然是高校人才培養(yǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)，特別是基礎(chǔ)學(xué)科專業(yè)的實踐教學(xué)方案明顯滯后，與培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的要求還有差距。[1]隨著信息化、數(shù)字化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的逐步推進(jìn)，實踐教學(xué)模式也隨之改變。人工智能、大數(shù)據(jù)等高新科技與傳統(tǒng)實踐類教學(xué)相結(jié)合[2]，是打造“新工科”，培育實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才的重要途徑。

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程是理論課程與實踐課程的結(jié)合。[3]課堂上的理論知識需要配合地質(zhì)實例講解才能使學(xué)生清楚明白，而實踐教學(xué)需要在學(xué)生掌握理論知識的前提下才能強化學(xué)生的地質(zhì)認(rèn)識。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程中理論教學(xué)與實踐教學(xué)相輔相成。隨著科技的發(fā)展，多種教學(xué)產(chǎn)品和技術(shù)手段被應(yīng)用于傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)科。其中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)所建立的戶外虛擬環(huán)境與野外構(gòu)造地質(zhì)實踐教學(xué)內(nèi)容和觀察對象具有共性，即虛擬現(xiàn)實技術(shù)可還原真實的野外構(gòu)造地質(zhì)現(xiàn)象。因此，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)打造數(shù)字化野外地質(zhì)場景，建立信息化和數(shù)字化多元教學(xué)平臺，將理論教學(xué)與實踐教學(xué)融合起來，是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的新教學(xué)方案。

二、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)實踐教學(xué)的特點與需求

地質(zhì)學(xué)是一門注重實踐的學(xué)科。在地質(zhì)學(xué)專業(yè)課程的教學(xué)過程中，學(xué)生需要進(jìn)行大量的實踐操作和野外地質(zhì)考察來滿足理論教學(xué)中無法滿足的直觀認(rèn)識需要，培養(yǎng)空間想象能力，通過地質(zhì)實踐提高學(xué)生的觀察思考能力、邏輯思維能力、實踐操作能力和項目組織能力。因此，在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)教學(xué)過程中，實踐學(xué)習(xí)是必不可少的重要環(huán)節(jié)。[4]目前，國內(nèi)外高校構(gòu)造地質(zhì)學(xué)實踐教學(xué)方式為開展野外地質(zhì)踏勘，集中組織學(xué)生到野外地質(zhì)實習(xí)基地開展地層接觸關(guān)系、褶皺形態(tài)、節(jié)理分布、斷層結(jié)構(gòu)、同沉積構(gòu)造等野外構(gòu)造地質(zhì)現(xiàn)象的觀察與描述。野外地質(zhì)踏勘是實踐與理論相結(jié)合的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。這種實踐教學(xué)方式在國內(nèi)外已得到廣泛認(rèn)可，成為傳統(tǒng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)實踐教學(xué)的重要組成部分。[5]當(dāng)前，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿科技逐步取得技術(shù)性突破。對高校而言，如何借助高新技術(shù)突破傳統(tǒng)教學(xué)模式，引入前沿科技教學(xué)手段，成為當(dāng)前構(gòu)造地質(zhì)學(xué)教學(xué)改革的重要議題。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的可行性分析

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過對客觀世界的數(shù)字化處理，建立人與虛擬環(huán)境相交互的數(shù)字模型，實時傳遞給用戶一種逼真的、不受生理條件和時空限制的感官信息，以獲得在多種環(huán)境下相對真實的感官體驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)在多個教學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了嘗試，特別是在實踐教學(xué)、實驗操作和情境教學(xué)中取得了較好的教學(xué)效果。[6]構(gòu)造地質(zhì)學(xué)野外實踐教學(xué)具有綜合性和靈活性[7]，教師可運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建數(shù)字化場景，制訂野外環(huán)境和虛擬現(xiàn)實相結(jié)合的教學(xué)方案。野外地質(zhì)實踐是通過對典型地質(zhì)現(xiàn)象的野外觀察和現(xiàn)場實踐，提高學(xué)生對構(gòu)造地質(zhì)現(xiàn)象的判斷能力、觀察能力和空間想象能力，幫助學(xué)生將課堂上所講述的理論地質(zhì)特點與野外地質(zhì)現(xiàn)象融合起來，觀察實際的構(gòu)造特征，強化地質(zhì)認(rèn)識，切實提高構(gòu)造地質(zhì)學(xué)知識點的運用能力。虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到構(gòu)造地質(zhì)學(xué)實踐教學(xué)中，主要體現(xiàn)在兩個方面。

一是將實際的構(gòu)造地質(zhì)現(xiàn)象在虛擬場景中進(jìn)行還原，錄制出具有代表性的、與理論知識點相對應(yīng)的野外地質(zhì)影像。通過錄制虛擬場景中的野外實際地質(zhì)影像，可以展現(xiàn)出典型的地質(zhì)特點；通過觀察高清地質(zhì)影像，可以描繪地質(zhì)圖件。虛擬地質(zhì)場景中的縮放功能可以對地質(zhì)現(xiàn)象細(xì)微的變化進(jìn)行識別，展現(xiàn)出真實的地質(zhì)特點。

二是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立一套多個虛擬地質(zhì)場景的集合體，搭建出完整的虛擬野外地質(zhì)實習(xí)基地。在實際的野外地質(zhì)實習(xí)基地有多個觀察點，教師在每個觀察點可以給學(xué)生講解不同的構(gòu)造地質(zhì)現(xiàn)象，形成一個實習(xí)體系。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以加載多個虛擬場景，與野外地質(zhì)實習(xí)基地的多個觀察點具有匹配性。在虛擬野外地質(zhì)實習(xí)基地中，按照野外踏勘行進(jìn)路線切換不同場景，可以完成一整套構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)任務(wù)。

因此，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建虛擬野外地質(zhì)場景，重塑典型野外地質(zhì)現(xiàn)象，數(shù)字化地質(zhì)信息，建立一套野外地質(zhì)虛擬現(xiàn)實教學(xué)方案，具有可行性。

四、虛擬野外地質(zhì)實習(xí)基地的設(shè)計與構(gòu)建

虛擬地質(zhì)場景的搭建應(yīng)建立在野外地質(zhì)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上。因此，選取典型的野外地質(zhì)剖面，進(jìn)行系統(tǒng)的地質(zhì)踏勘是構(gòu)建虛擬地質(zhì)場景的前提。中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)以新疆分布的宏偉山系、大型盆地作為構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)教學(xué)的天然課堂，發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢，已經(jīng)建立了多個野外地質(zhì)實習(xí)基地。在野外地質(zhì)實習(xí)基地中，選取北天山大龍口剖面開展了系統(tǒng)的野外踏勘工作。

大龍口剖面位于北天山東段，博格達(dá)山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣。受新生代北天山向北強烈擠壓隆升作用的影響，大龍口地區(qū)發(fā)生抬升剝蝕，露出了較為齊全的沉積地層，發(fā)育了多種典型的構(gòu)造變形樣式，如大龍口剖面中部發(fā)育多種復(fù)雜褶皺組成的大型背斜構(gòu)造，稱為大龍口背斜，大龍口背斜北側(cè)發(fā)育大型的逆沖斷裂帶，背斜南部發(fā)育以古土壤為界線的不整合面。諸多典型的構(gòu)造地質(zhì)現(xiàn)象使大龍口剖面成為教科書級別的野外地質(zhì)實習(xí)基地，每年接待地質(zhì)實習(xí)團隊十次以上，多家高校和地質(zhì)相關(guān)單位在此均有踏勘實習(xí)記錄。

中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)位于中國西部地區(qū)，將新疆天山造山帶作為實例，具有極大的地質(zhì)教學(xué)優(yōu)勢。校區(qū)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)教學(xué)團隊利用無人機和單反相機等設(shè)備，趕赴天山造山帶東部地區(qū)，針對大龍口剖面典型構(gòu)造地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行野外地質(zhì)信息的高清拍攝和錄制，經(jīng)過后期數(shù)字化處理和建模，打造虛擬野外地質(zhì)實習(xí)基地，作為構(gòu)造地質(zhì)學(xué)野外虛擬現(xiàn)實教學(xué)的實驗性方案。

經(jīng)過多次野外地質(zhì)剖面的詳細(xì)踏勘及地質(zhì)場景的有效錄制，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)教學(xué)團隊分別采集了8組具有代表性的構(gòu)造地質(zhì)場景，錄制內(nèi)容涵蓋了地層界線識別標(biāo)志、巖層組合關(guān)系、不整合面特征、差異風(fēng)化現(xiàn)象、古土壤風(fēng)化殼特征、倒轉(zhuǎn)褶皺特征、褶皺組合樣式、背斜構(gòu)造、節(jié)理組合樣式、逆斷層構(gòu)造等多個重要知識點，形成了從老地層至新地層的野外地質(zhì)踏勘路線。完成地質(zhì)影像采集后，教學(xué)團隊運用數(shù)字化處理與拼接軟件將采集的高清影像資料構(gòu)建成多個虛擬地質(zhì)場景。按照野外地質(zhì)踏勘路線設(shè)定場景順序，建立一個完整的虛擬野外構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)基地。利用云技術(shù)將虛擬野外地質(zhì)實習(xí)基地共享至網(wǎng)絡(luò)，在課程群建立云連接，搭建一個可多人、多地、線上觀察的虛擬現(xiàn)實構(gòu)造地質(zhì)實踐教學(xué)課堂。虛擬野外構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)基地具有知識點覆蓋全面、構(gòu)造現(xiàn)象典型、野外踏勘路線完整、地質(zhì)影像清晰等眾多特點，可有效支撐實踐教學(xué)的應(yīng)用。

五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用及效果

虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建的虛擬野外構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)基地，在構(gòu)造地質(zhì)等實踐教學(xué)中得到了充分的運用。同時，虛擬野外構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)基地也在理論教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用嘗試，達(dá)到了預(yù)期效果。

(一)實踐教學(xué)應(yīng)用

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的實踐教學(xué)分為室內(nèi)構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)和野外構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)兩個實踐教學(xué)階段，這兩個實踐教學(xué)階段都嘗試?yán)昧颂摂M野外構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)基地。

1.室內(nèi)構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)

室內(nèi)構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)需要將理論課程中所涉及的典型構(gòu)造特征進(jìn)行分析，繪制相關(guān)地質(zhì)圖件，包括沉積巖層的原生構(gòu)造、節(jié)理、褶皺、斷層等內(nèi)容。根據(jù)典型的構(gòu)造特征，講解研究方法和技術(shù)。在教學(xué)過程中，教師提取虛擬野外構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)基地中典型的構(gòu)造現(xiàn)象，進(jìn)行觀察和分析，使學(xué)生抓住構(gòu)造特點和細(xì)節(jié)，同時使他們獲得了直觀的、具有空間感的深刻認(rèn)識，加深了其對知識點的掌握程度。學(xué)生利用虛擬野外地質(zhì)場景觀察大龍口剖面典型的褶皺構(gòu)造，繪制大龍口剖面素描圖，對褶皺構(gòu)造的特點進(jìn)行描述。通過虛擬野外地質(zhì)場景中錄制的斷層構(gòu)造開展地質(zhì)觀察和構(gòu)造分析，學(xué)生掌握了斷層構(gòu)造發(fā)育區(qū)的空間特征、構(gòu)造幾何形態(tài)和斷層組合關(guān)系，利用高清影像，開展地質(zhì)圖件的繪制工作，大大提高了圖件繪制的準(zhǔn)確度。

2.野外構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)

野外構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)前期教師需要提前講解地質(zhì)實習(xí)基地中主要的構(gòu)造地質(zhì)現(xiàn)象，以便學(xué)生在野外踏勘時有效地抓住知識點。教師可以運用虛擬野外地質(zhì)場景開展野外踏勘前期的講解，使學(xué)生在野外地質(zhì)實踐前對地質(zhì)現(xiàn)象有初步認(rèn)識，熟悉實踐教學(xué)路線。在踏勘前期講解過程中，利用虛擬野外地質(zhì)場景展示野外實習(xí)內(nèi)容，組織學(xué)生提前進(jìn)行預(yù)習(xí)，特別是針對復(fù)雜的大龍口褶皺和斷層，這幾種構(gòu)造現(xiàn)象需學(xué)生在踏勘前復(fù)習(xí)理論知識點，厘清褶皺和斷層的構(gòu)造要素，才能在開展野外實習(xí)中真正掌握實習(xí)內(nèi)容，達(dá)到教學(xué)目的。同時，在野外地質(zhì)實習(xí)過程中，學(xué)生可訪問虛擬野外地質(zhì)實習(xí)基地的線上功能，利用手機或電腦配合實際的地質(zhì)觀察，利用在線評論功能，進(jìn)行互動交流，利用信息備注功能在每個虛擬地質(zhì)場景中添加個性化注解，對每個地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行描述，將所學(xué)知識點進(jìn)行實際運用。

運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展構(gòu)造地質(zhì)學(xué)實踐教學(xué)，使學(xué)生加深了對構(gòu)造特征的認(rèn)識，全方位掌握了構(gòu)造地質(zhì)學(xué)實踐教學(xué)內(nèi)容，強化了學(xué)生的動手能力，為學(xué)生建立空間想象能力提供了新的訓(xùn)練方案。

(二)理論教學(xué)應(yīng)用

1.虛擬野外地質(zhì)場景的應(yīng)用

在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論課程教學(xué)中，教師主要按照教學(xué)大綱講解構(gòu)造地質(zhì)知識點。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論教學(xué)需要緊密結(jié)合實際的地質(zhì)現(xiàn)象。在理論教學(xué)過程中，野外地質(zhì)圖片和構(gòu)造地質(zhì)模式圖是課程的主要素材。學(xué)生觀察地質(zhì)圖片和模式圖往往無法有效建立起空間感，缺乏對構(gòu)造地質(zhì)特點的直觀認(rèn)識，這是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論教學(xué)的短板。因此，虛擬野外地質(zhì)場景可以在理論教學(xué)中發(fā)揮重要作用。虛擬野外地質(zhì)場景指對具有典型構(gòu)造地質(zhì)現(xiàn)象的野外剖面利用全景魚眼鏡頭和無人機攝像設(shè)備全方位拍攝，經(jīng)全景圖像拼貼數(shù)字化處理，重點突出構(gòu)造變形特點，建立一個可浸入式觀察的虛擬場景模型，上傳至云端，實現(xiàn)可多人在線觀察的虛擬野外地質(zhì)場景。學(xué)生在課上和課后均可以利用虛擬野外地質(zhì)場景對構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論課程中講到的內(nèi)容進(jìn)行有針對性的觀察和分析，實現(xiàn)理論與實際相結(jié)合，有效掌握知識點。

2.虛擬野外地質(zhì)實習(xí)基地的應(yīng)用

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建的虛擬野外地質(zhì)實習(xí)基地可以直接運用到理論課程中，將構(gòu)造地質(zhì)知識點與相對應(yīng)的虛擬構(gòu)造場景進(jìn)行配合講解以達(dá)到良好的教學(xué)效果。例如，教師在講解褶皺構(gòu)造章節(jié)時，結(jié)合虛擬野外地質(zhì)場景，利用實際的大龍口褶皺構(gòu)造來分析褶皺要素、形態(tài)及組合形式，使學(xué)生深刻掌握構(gòu)造地質(zhì)相關(guān)概念，獲得直觀認(rèn)識。在講解斷層構(gòu)造章節(jié)時，利用虛擬地質(zhì)場景中大龍口背斜北側(cè)斷層進(jìn)行具體分析，使學(xué)生清楚地觀察到斷層的幾何要素、結(jié)構(gòu)樣式及組合關(guān)系，直觀認(rèn)識斷層兩側(cè)巖層的位移關(guān)系。

(三)應(yīng)用效果評價

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)在構(gòu)造地質(zhì)實踐教學(xué)中的應(yīng)用，學(xué)生在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程中獲得了良好的學(xué)習(xí)體驗，并得到了積極的正面評價。

中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)教學(xué)團隊經(jīng)過一學(xué)期的教學(xué)嘗試，資源勘查工程專業(yè)49名學(xué)生對虛擬野外地質(zhì)實習(xí)基地的利用率達(dá)到了100%，登錄線上虛擬野外地質(zhì)實習(xí)基地次數(shù)達(dá)到了107次，人均登錄次數(shù)為2.18次。學(xué)生對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在構(gòu)造地質(zhì)教學(xué)中的應(yīng)用效果評價在95%以上。在期末總結(jié)時，學(xué)生通過虛擬野外地質(zhì)實習(xí)基地的應(yīng)用和體驗，給出了“新穎的授課方式”“提高了對構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的興趣”“強化和加深了對理論知識的理解”“生動有趣的課堂”“空間想象能力大幅度提高”等正面反饋，得到了廣泛的積極評價。

在虛擬野外構(gòu)造地質(zhì)實習(xí)基地應(yīng)用期間，學(xué)生利用周末和假期到學(xué)校周邊野外地質(zhì)露頭區(qū)進(jìn)行地質(zhì)影像錄制，并獨立建立了微型虛擬野外地質(zhì)場景。針對課程中學(xué)習(xí)的重要知識點，進(jìn)行了地質(zhì)信息標(biāo)注，并以小組的形式對所錄制的虛擬地質(zhì)場景進(jìn)行了講解。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用，學(xué)生對前沿科技的探索熱情高漲，有效提升了動手能力、創(chuàng)新能力和實踐精神。

參照中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)教學(xué)團隊將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入傳統(tǒng)基礎(chǔ)學(xué)科的成功案例，其他專業(yè)教師多次與構(gòu)造地質(zhì)學(xué)教學(xué)團隊進(jìn)行討論交流，尋求借鑒教學(xué)經(jīng)驗，開始著手嘗試將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于所在專業(yè)，有效推進(jìn)了信息化、數(shù)字化技術(shù)產(chǎn)品在高校教學(xué)中應(yīng)用的進(jìn)程。

六、結(jié)語

高校傳統(tǒng)專業(yè)實踐教學(xué)結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿科技開展教學(xué)改革，是培育實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才的重要途徑。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可有效推進(jìn)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)實踐教學(xué)的信息化和數(shù)字化應(yīng)用進(jìn)程，拓展構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)實踐教學(xué)體系。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實踐教學(xué)和理論教學(xué)的應(yīng)用中均獲得了良好的教學(xué)效果，為學(xué)生帶來了新穎的學(xué)習(xí)體驗。為深化虛擬現(xiàn)實技術(shù)在構(gòu)造地質(zhì)教學(xué)中的應(yīng)用，高校、企業(yè)和科研院所三方應(yīng)加強合作，本著優(yōu)勢互補、合作共建、共同發(fā)展的原則，增強創(chuàng)新實踐意識，打造“產(chǎn)學(xué)研”教學(xué)平臺，為地質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)提供了新思路和新方案。