重庆市北碚区天府镇野外地质实习虚拟仿真教学平台的建设探索.pdf

中国地质教育CHINESE GEOLOGICAL EDUCATION1062024年第 1 期野外地质剖面作为天然实验室，是石油、地矿行业探索、实践及应用的重要对象。野外实践教学是培养地学类学生具有感性认识、实际工作技能、理论联系实际的关键环节1-3。长期以来，国内石油、地矿院校根据学科性质和教学内容，结合所处的地域环境及独特地质特征进行的野外实践教学基地的建设，在提升教学效果及专业人才培养方面收到较好的成效。目前，“人工智能+”引领下的智慧地质、智能物探、智能油田建设正在倒逼地质学、资源勘查工程、勘查技术与工程、石油工程等传统专业加速数字化课程体系的构建，重庆市北碚区天府镇野外地质实习虚拟仿真教学平台的建设探索熊益学1，葛玉辉2，张云峰2，谭 兵2，郗爱华21.重庆科技大学 石油与天然气工程学院，重庆 401331；2.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500摘要：野外实习是地学类专业的特色，也是培养合格石油、地矿行业人才的重要环节，对夯实专业知识、提升实践技能、厚植地质兴趣、锻炼优良品质发挥着不可替代的作用。“人工智能+”倒逼野外地质实习实现云端化、数字化、虚拟仿真化，以期达到实习互动性强、资源保存永久、网络共享便捷的效果。以重庆市北碚区天府镇野外地质露头为基础，构建以西南地区广泛出露的古生代-中生代海相沉积岩为主要内容的地质实习虚拟仿真教学平台，通过典型剖面出露地层的野外产状、岩性及成分特点、古生物种类、构造类型及其形成机制等重点内容的剖析，解决教学过程中学生对远古地质作用现象认识不清、难以根据各种构造关系厘定区域地质发展历史等教学难题，培养学生独立思考及理论联系实际的地质思维能力。该平台的建立不仅能丰富野外地质实习的教学方式、提升教学质量、实现教学资源共享，还能为石油、地矿行业的继续教育提供社会化服务。关键词：虚拟仿真教学；典型地质剖面；野外地质实习；北碚地区中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1006-9372（2024）01-0106-05Title:Exploration on the Construction of Virtual Simulation Teaching Platform for Field Geological Practice in Tianfu Town,Beibei District,ChongqingAuthor(s):XIONG Yixue,GE Yuhui,ZHANG Yunfeng,TAN Bing,XI AihuaKeywords:virtual simulation teaching;typical geological profile;field geological practice;Beibei region收稿日期：2023-09-10；修回日期：2023-10-25。基金项目：重庆市高等教育教学改革研究项目“新工科背景下天府填图实习基地仿真模拟实习资源开发与实践”（223387）；重庆市自然科学基金面上项目“四川盆地绵阳-长宁裂陷槽中段构造-沉积演化与成因机制研究”（CSTB2022NSCQ-MSX1412）。作者简介：熊益学，男，高级工程师，主要从事石油地质基础研究与油气勘探工作。通信作者：郗爱华，女，教授，主要从事固体矿产成因预测及火山岩储层地质研究工作。投稿网址： 联系邮箱：引用格式：熊益学，葛玉辉，张云峰，等.重庆市北碚区天府镇野外地质实习虚拟仿真教学平台的建设探索 J.中国地质教育，2024，33（1）：106-110.实践教学与基地建设作为课程体系的重要组成部分，野外地质实习云端化、数字化、虚拟仿真化建设正在拉开大幕4-6。纵观国内野外地质实训数字化和虚拟仿真的成果，主要表现为以下两个方面：一是建立实习基地档案馆，将重点地质现象和典型特征集中保存在档案馆，并将其数据化扫描，达到随时观察、永久保存的目的，以东华理工大学博物馆江山实习基地7为代表。二是以实习基地为基础，采用计算机技术将野外地质实习内容虚拟到计算机平台，达到交互性展示和沉浸式学习的效果，如：中国地质大学（北京）的周口店实习基地8-9，以地熊益学等：重庆市北碚区天府镇野外地质实习虚拟仿真教学平台的建设探索107总第 129期质体之间接触关系、地质类型与特征等为知识点，重点路线地质考察和切制剖面作为虚拟仿真的关键环节；北京大学开展了 8 项虚拟仿真类平台建设，分别是晶体形态分析及矿物鉴定虚拟仿真实验教学、普通地质实习虚拟仿真、兴城区域地质填图虚拟仿真、北京灰峪地质实习虚拟仿真、北京虎峪地质实习虚拟仿真、地质演化虚拟仿真、三峡综合地质实习虚拟仿真和五台山综合地质实习虚拟仿真10；吉林大学的兴城基地11，以地层序列、岩性、侵入体与岩脉、褶皱与断裂为知识点，重点开展路线地质多尺度实景的虚拟仿真；南京大学和中国科学院南京地质古生物研究所的金钉子剖面，采用地质露头全景可视化，实现剖面高清方式呈现出 12 个国内和 37 个国外典型剖面12。各大石油、地矿院校已为野外地质实习建立了良好的共享平台，为地质工作者和学生提供丰富的地质资料和地质视野。但是，前期的成果具有浓郁的地域地质特点，缺少西南地区海相碳酸盐岩地层沉积与构造演化的典型案例。重庆市北碚区发育了油气富集其中的震旦纪至中生代海相碳酸盐岩地层，保留了扬子板块上漫长又独特的地质演化过程遗迹，它们不仅是李四光先生等老一辈地质学家地质力学理论建立的主要基地，更是培养地学类学生野外实践教学的天然实验室。鉴于此，开展重庆市北碚区天府镇野外地质实习虚拟仿真教学平台建设的探索，解决因树木和植被覆盖日益严重影响经典野外地质剖面永久保存的问题，改善传统野外地质教学实习中学生代入感不强、参与度不高特别是很难将课堂理论教学与野外地质现象相融合的诸多教学难题，完成新形势下野外实训教学环境和教学体系的交叉构建，西南石油大学与重庆科技大学联合开发了重庆市北碚区野外实习剖面路线地质虚拟仿真系统的教学平台。该平台充分利用现代信息技术，将野外地质露头的地质现象采用模拟现实环境和场景呈现等方式，为用户提供多种感官刺激，营造一种身临其境的沉浸式体验13-14。遵循“野外实践操作虚拟仿真训练虚实结合成因理论分析”的实践教学规律，将虚拟仿真计算机技术与地质现象的成因分析相结合，为野外实习教学提供支撑，达到可预习、可实习和可复习的效果。一、重庆市北碚区虚拟仿真教学平台的构筑1.实习区基础地质概况重庆市北碚区天府镇及周边野外地质剖面上浓缩了扬子板块大约 1.5 亿年的发展历史，发育了晚古生代至中生代相对齐全的地层。其中，中二叠统茅口组（P2m）、上二叠统龙潭组（P3l）与长兴组（P3ch）、下三叠统飞仙关组（T1f）与嘉陵江组（T1j）、中三叠统雷口坡组（T2l）为海相沉积环境，上三叠统须家河组（T3x）为海陆过渡沉积环境，中侏罗统沙溪庙组（J2s）为陆相沉积环境，上述地层构成四川盆地油气储集的有利场所。北碚天府地区范围虽小但地质实习内容较齐全，以地层出露齐全、地层界限明确、沉积构造丰富、相标志清楚、沉积相类型多样、地表构造清晰为特点，集基础地质、沉积相、构造地质实习为一体，整体实训内容表现出综合性较强、复杂程度中等、教学难度中等、教学条件优越等优点，同时实训地点紧临城市，生活保障齐全。长期以来，北碚天府地区不仅承接西南石油大学、重庆科技大学、西南交通大学、西南大学、陆军勤务学院等多个高等院校的野外实习教学，同时也为国内各大油田的继续教育培训和碳酸盐岩储层科学研究提供场地。2.野外地质教学实习的目的和任务石油、地矿行业因其特殊性，需要野外地质实习来培养学生的品质并锻炼学生的技能，进而储备国家能源安全的优秀工作者。野外地质实习教学的目的主要体现如下：一是培养学生热爱地质事业、勇于探索地质奥秘的兴趣；二是锻炼学生吃苦耐劳的坚韧毅力，营造艰苦奋斗、团结合作和开拓进取的氛围；三是打通理论联系实际，养成从课本走向实际、追求实事求是和科学严谨的工作态度；四是丰富学生的研究思路，掌握由点到线到面、由表及里、由浅入深、将今论古的地质思维和综合分析方法15。野外地质实训的任务主要是通过对地层、沉积相以及构造的观察与描述，让学生明确地层划分的依据、沉积相类型判定方法和构造形成的动力学机制，让学生获得地质剖面踏勘、重点剖面丈量、露头沉积相分析和野外地质填图的基本知识和操作方法，加强野外地质资料采集、室内重点图件编制和最终成果报告编写的技能，进而培养学生独立完成野外地质研究的能力，为后期的专业课程学习和将来的地质研究工作夯实基础。本次重点针对重庆市北碚区天府镇的石笋沟金剑山剖面（图 1），涵盖地层、沉积、构造等方面的实习内容。108中国地质教育CHINESE GEOLOGICAL EDUCATION2024 年第 1 期3.虚拟仿真的主要教学模块（1）地质背景模拟。北碚地区地貌形态属山地类型的低山、低丘区，山峰林立，沟谷交错；总体地势北高南低，山脉及沟槽多沿北北东-南南西方向延伸，呈线状平行相间展布。出露地层从中二叠统茅口组到中侏罗统沙溪庙组；地层岩性的展布与背斜向斜地貌特征相一致：背斜核部的二叠系及两翼的须家河组多形成山峰，其间的嘉陵江组及雷口坡组分布区，因容易遭受溶蚀及风化剥蚀作用而发育岩溶地貌进而形成地势相对较低的槽谷。沉积环境由浅水海相碳酸盐岩、海陆过渡的三角洲沉积，依次过渡为河流相沉积。隶属于扬子板块的北碚区天府镇地质现象丰富，构造特征经典。采用图文并茂模式以视频录像方式呈现扬子地台的迁移变化，最终落脚到北碚地区的区域地质演化，逻辑顺序由大到小，时间由古到新，培养学生的地质宏观思维模式。（2）典型地质剖面路线的真实再现。优选连续、出露完整的地层，按照从老到新顺序梳理好地质素材，以路线为载体，用点嵌入方式连贯起来，建立最优最全地质剖面（图 2），该剖面能反映整个北碚地区地层系统、沉积及地表构造变形等特征，让学生掌握宏观地层格架、构造形态等知识。采取人机联动方式，以交互实验系统操作模式探索重要的基础地质问题，主要包括以下方面。交互性实验。其可以归并为岩性识别、古生物化石鉴定、层面层理构造及形成环境判别、构造类型及成因分析、沉积岩与沉积相判定等五种类型，每类实验均关联了设计数据及地质效果。不同时代的岩性识别。根据野外产状、颜色、矿物组合、结构构造及简单的鉴定手段，例如刻画硬度、滴酸起泡、化石种类确定等，配合显微镜下照片综合判定。古生物化石的鉴定。根据化石的形态、大小、结构特征等鉴定标志，配合不同方向化石薄片的显微镜下微观特征综合判定。图 2 利用平台交互实验系统开展野外地质路线虚拟实习图 1 石笋沟金剑山遥感影像的地质解译与野外路线的场景模拟熊益学等：重庆市北碚区天府镇野外地质实习虚拟仿真教学平台的建设探索109总第 129期地层的层面及层理构造识别。根据地层发育的波痕、龟裂、生物遗迹等层面构造，结合岩层发育的水平层理、平行层理、交错层理、递变层理和韵律层理等典型构造，综合判别地层沉积顺序及沉积环境。构造类型及成因分析。根据区域内观音峡背斜核部及两翼地层的新老关系判定褶皱的性质、形成时间及成因机制；根据石笋沟及楼梯沟剖面出露的断层穿切和分割不同时代的地层来判定断层性质及形成时间。（3）北碚地区地质演化分析。采用遥感技术，结合路线上观察到的现象，按照地层由老到新的顺序，开展构造形成期次与演化分析。利用褶皱变形所影响到最老地层为二叠系茅口组（P2m），与褶皱形变消失的最新地层为中侏罗统沙溪庙组（J2s），确定观音峡背斜褶皱形成期次为燕山期（图 3），后期类似芹菜田平移断层的系列走滑断裂切穿早期背斜构造（图 1 中的推测断层），表明走滑断裂是喜山期构造运动的产物。诸如此类的教学内容，凝聚在虚拟仿真教学系统中，借助于动漫模拟帮助学生理解地质现象背后的地质演化特点，据此判别北碚地区构造运动期次，培养学生地质思维能力。除此之外，虚拟仿真系统根据野外路线不同时代地层的岩性及组构特点，演绎实习区从古生代晚期的特提斯洋的海相沉积作用、海底火山喷发到中生代的地壳抬升与新特提斯洋消亡，模拟沉积环境变迁、褶皱造山及剪切构造叠加改造等过程，提升实践教学的创新性及高阶性，满足新时期大数据背景下地学类专业复合型人才培养的需求，使野外实习教学不仅具有知识性、专业性、趣味性还具有较高的挑战度。（4）学生成果评价体系。采用过程考核的评价方式。最终成绩由实验操作成绩、实验结果成绩和实验报告成绩共 3 部分组成，评价学生对虚拟实验内容、方法以及虚实结合实验内容的理解与掌握，系统设置的评分标准更加公平与公正。实验操作成绩是通过实验项目设置的实验步骤回答重要的基础地质问题，虚实结合相互印证，加深对野外地质现象及成因的认识。针对人机交互环节中的错误部分，采用视频录像重现方式开展再次回顾，加深印象。将实验结果和综合性实验内容以对话框解答和实验报告两种方式提交，鼓励学生发现问题并在教师的引导下进行探究，找出解决问题的办法。二、虚拟仿真教学平台的特色及教学效果1.虚拟仿真教学平台的特色该平台的总体建设目标是提升学生地质思维与实践能力、保存经典地质资源、提供开放共享交流的野外实践教学案例。具体表现：以重点培养地学类学生地质思维能力与地质实践能力为目标，深度融合虚拟仿真实验自主性和趣味性，将野外地质现象与地质理论相结合，加深学生对地质理论知识与专业知识的理解，提升综合运用专业知识解决复杂地质问题的能力；虚拟仿真以永久保存地质剖面的真实信息为目标，解决因经济建设、环境保护、地表风化等原因造成实习剖面破坏的问题，避免地面沉降引发的实地实习安全隐患，达到野外地质实习资源的定格记录；实习仿真系统的开发与实践能丰富国内野外地质剖面实训教学案例，提供一个开放、共享、交流的平台，实现科学研究功能和社会服务功能。2.虚拟仿真教学平台的教学效果（1）丰富野外地质实训的教学方式。传统的野外实训采取野外观察与室内整理相结合的方式开展，借助虚拟仿真教学平台，可根据实际情况进行虚拟平台与野外实训的有效结合，学生可先图 3 石笋沟金剑山路线信手剖面图110中国地质教育CHINESE GEOLOGICAL EDUCATION2024 年第 1 期参考文献：1 赖绍聪.改革实践教学体系创新人才培养模式 J.中国大学教学，2014（8）：40-44.2 裴仰文，邱隆伟，操应长.英国野外地质教学启示与借鉴 J.高等理科教育，2015（6）：46-51.3 李亚林，王根厚，颜丹平，等.地质学专业“四层次、一体化”实践教学体系构建与实践 J.中国地质教育，2019，28（2）：84-89.4 朱建平，李秋雅.大数据对大学教学的影响 J.中国大学教学，2014（9）：41-44.5 徐文杰.“地学云堂”及在地质实践教学中的应用 J.中国地质教育，2019，28（2）：72-77.6 李亚林，王成善，文华国，等.数字露头与野外实践教学平台建设趋势与展望 J.中国地质教育，2021，30（1）：31-35.7 彭花明，郭福生，夏菲，等.东华理工大学博物馆江山实习基地展区及其教学服务功能分析J.东华理工大学学报（社会科学版），2012，31（1）：83-89.8 魏玉帅，陈建平，王根厚，等.北京周口店野外地质仿真模拟实习的建设 J.中国地质教育，2019，28（2）：99-103.9 国家虚拟仿真实验教学课程共享平台 EB/OL.2023-06-03.http：/www.ilab- 北京大学地球科学国家级虚拟仿真实验教学中心 EB/OL.2023-04-03.https：/ 国家虚拟仿真实验教学课程共享平台 EB/OL.2023-06-23.http：/www.ilab- 邓怡颖，汪小发，张夏冬，等.基于 IOS 的地质露头全景可视化软件 GeoPanoJ.地层学杂志，2019，43（4）：402-410.13 高媛，刘德建，黄真真，等.虚拟现实技术促进学习的核心要素及其挑战 J.电化教育研究，2016（10）：77-87，103.14 文锦琼，肖世维，青思含.虚拟仿真技术在高校不同学科中的应用 J.实验室科学，2020，23（2）：79-82，87.15 何虎军，杨兴科，焦建刚，等.野外地质实习虚拟仿真实验教学平台建设与思考 J.教育教学论坛，2022（2）：146-149.借鉴虚拟仿真教学平台开展提前预习与重点的地质现象了解，后带着重点知识与难点问题进行实地研究，进而让学生更有目的性地开展野外实训，达到高效及高阶性研究的目的。后期，可根据学生的能力情况，增加自主学习、虚拟学习与专题研究等模块，继续丰富平台的建设。平台建立后1 年时间里，浏览量和使用量超千余次，生成报告超 700 余份，既丰富野外地质实训的教学模式，也解决了针对极端条件下不能开展野外现场实训的教学问题。（2）提升野外地质实训的教学质量。虚拟仿真最大限度地保留地质现象和周缘地理环境，让学生身临其境地沉浸式参与，能充分调动学生的主观能动性与学习兴趣，改善因单一教学模式引起枯燥无味的弊端。同时虚拟仿真教学平台汇集了典型地质现象，从宏微观角度综合岩性、古生物及沉积多学科进行论证，后期可采用掌上电脑随时开展宏微观比对研究，模拟野外实训现场高效地解决难点问题。比如针对古生物野外宏观特征，在显微镜下将内部结构更加立体和全面地呈现出来，能全方位地加深学生对古生物的认知。虚拟仿真教学平台也能将构造变迁和形成机制等复杂现象与教学难题，以动画和视频等多种形式情景化和直观化，达到相比于野外实训环境中更容易理解的效果。（3）实现野外实训教学资源的共享。野外地质路线的虚拟仿真教学平台的建立，将野外实训教学资源数据化和网络共享，让其他地学类专业的院校能领略到北碚地区独特的野外地质特征，了解该地区的地层、岩性、古生物、沉积环境及地质构造类型，积累丰富的野外地质现象，扩展学生的野外地质视野，突破野外地质实习时间和空间上的局限性。疫情期间，陇东学院在无法开展野外实习的情况下，利用该虚拟仿真教学平台完成实习教学任务。建成之后，只需要不断地丰富和拓展虚拟仿真教学系统，进而满足不同阶段不同需求的野外实习要求，能达到维护成本低、安全性能高和拓展性良好的效果。于科研人员而言，最大限度地利用网络平台开展野外地质路线的预览，进而为后期研究的重点工作提供方向。三、结束语以重庆市北碚区天府镇野外地质露头为基础，充分利用现代信息技术，采用模拟现实环境和野外场景呈现等方式，真实地再现北碚地区野外地质实习的地层、沉积和地质构造等内容，有效地助力培养新时代地学人才和高涨的地质专业热情。天府镇野外地质实习虚拟仿真教学平台包括地质背景模拟、典型地质剖面路线的真实再现、北碚地区地质演化分析和学生成果评价体系等方面，解决了极端条件下野外教学运行困难、常规条件下学生参与度低、一般条件下学生对于地质时空演化架构困难等高阶性与创新性的专业技术难题，培养了学生独立思考及自主解决复杂问题能力。该平台能丰富野外地质实习的教学方式，提升野外地质实习的教学质量，实现野外实习教学资源的共享，进而落地科学研究和社会服务功能。