北京周口店野外地質(zhì)仿真模擬實(shí)習(xí)的建設(shè)

魏玉帥，陳建平，王根厚，徐德兵，李 詩

中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083

北京周口店地質(zhì)野外實(shí)踐教育基地被譽(yù)為地質(zhì)工作者的“搖籃”，是大學(xué)二年級地質(zhì)填圖實(shí)習(xí)的理想場所，自1954年創(chuàng)建以來，前人從教學(xué)路線與基地建設(shè)[1-2]、教學(xué)內(nèi)容與環(huán)節(jié)[3-4]、教學(xué)方法與手段[5-7]、地質(zhì)思維[8-12]、教學(xué)體系和教學(xué)理念[13-17]等方面提出了教學(xué)改革思路[18]，不斷地探索著周口店教學(xué)實(shí)習(xí)的方式、方法和內(nèi)涵，現(xiàn)已形成了完善而極具特色的基地傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)體系。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學(xué)關(guān)系等正發(fā)生著革命性的變化，如何深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)踐教學(xué)、拓展實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)踐教學(xué)時間和空間、提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和水平已是目前亟須解決的問題，教育部牽頭正在開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)[19-20]。為此，筆者和北京周口店地質(zhì)野外實(shí)踐教育基地眾多建設(shè)者一起經(jīng)過近幾年的有益探索，基于“北京周口店野外地質(zhì)仿真模擬實(shí)習(xí)”國家級虛擬仿真項(xiàng)目的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)、教學(xué)方法的廣泛交流和國外地質(zhì)學(xué)實(shí)踐教學(xué)的形勢[20]分析，結(jié)合周口店實(shí)踐教育基地的特色，逐步建設(shè)完成了北京周口店野外地質(zhì)仿真模擬實(shí)習(xí)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以延伸地質(zhì)類專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的廣度和深度為教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，建立了壓縮實(shí)踐環(huán)節(jié)中培養(yǎng)地質(zhì)思維能力所需時間的實(shí)驗(yàn)方法和步驟，開發(fā)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，擬定了后續(xù)服務(wù)計(jì)劃，為提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和水平起到了關(guān)鍵的作用，也為未來地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)的方法體系起到探索和引領(lǐng)作用。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c系統(tǒng)架構(gòu)

仿真模擬實(shí)習(xí)是野外示范教學(xué)的重要發(fā)展方向之一，旨在拓展常規(guī)教學(xué)方法與手段，擬解決學(xué)生在地質(zhì)學(xué)實(shí)踐學(xué)習(xí)中存在的空間概念轉(zhuǎn)變、地質(zhì)思維培養(yǎng)困難和創(chuàng)新能力不足等突出問題。本系統(tǒng)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和Web3D線上交流共享平臺三部分構(gòu)成，主要將周口店實(shí)習(xí)核心區(qū)的實(shí)際場景、地質(zhì)資料、無人機(jī)航拍影像和視頻講解等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成后，通過3D建模以及計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)自然場景的虛擬再現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地質(zhì)信息查詢、路線地質(zhì)考察和切制剖面等實(shí)驗(yàn)功能。此外，為滿足地質(zhì)專業(yè)人員的教學(xué)與交流需求，以及為大眾普及基本地質(zhì)知識，實(shí)現(xiàn)信息知識的傳遞與共享的功能，搭建了線上輔助Web 3D野外交流共享平臺（有效鏈接網(wǎng)址：zkd3d.dddtask.cn）。

二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與技術(shù)開發(fā)

1.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

北京周口店野外地質(zhì)仿真模擬實(shí)習(xí)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用的海量多元數(shù)據(jù)主要包括：地質(zhì)點(diǎn)、地質(zhì)路線、地質(zhì)剖面、DEM數(shù)據(jù)、地層柱狀圖、地質(zhì)平面圖、遙感數(shù)據(jù)、實(shí)地照片、文本數(shù)據(jù)和視頻錄像等。該系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成主要包括核心區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成、大區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成、矢量圖層集成及地質(zhì)體三維模型集成四部分。其中核心區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成又分為核心區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)集成、核心區(qū)數(shù)字高程集成、核心區(qū)地質(zhì)圖集成、核心區(qū)地形圖集成和核心區(qū)行政區(qū)劃集成；相似的大區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成也分為大區(qū)域遙感影像數(shù)據(jù)集成、大區(qū)域數(shù)字高程集成、大區(qū)域地質(zhì)圖集成、大區(qū)域地形圖集成和大區(qū)域行政區(qū)劃集成；矢量圖層集成又包括野外線路矢量圖層集成、野外觀察點(diǎn)矢量圖層集成及大區(qū)域地質(zhì)圖矢量圖層集成等。

2.模型數(shù)據(jù)

應(yīng)用收集到的研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究區(qū)的遙感影像、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、不同比例尺的地質(zhì)圖及實(shí)測地質(zhì)剖面圖、相應(yīng)的勘探線分布圖等資料，構(gòu)建周口店核心區(qū)地層實(shí)體三維模型及斷裂模型。

3.MA X場景合成及燈光設(shè)置

按照實(shí)際大地坐標(biāo)和實(shí)測尺寸建模，對建好的三維模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后在3ds MAX中進(jìn)行場景合成。采用燈光照射改變表現(xiàn)的效果，爾后進(jìn)行反復(fù)渲染測試，增加場景的真實(shí)性，達(dá)到自然場景虛擬再現(xiàn)的效果。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

教學(xué)方法的使用目的是在地質(zhì)路線實(shí)踐教學(xué)過程中，學(xué)生已基本掌握巖石、地層和構(gòu)造等知識的基礎(chǔ)之上，從大、中、小比例尺角度，從野外實(shí)景、航飛影像、遙感影像等層次，從二維、三維等角度完成自然場景的虛擬再現(xiàn)，達(dá)到仿真模擬教學(xué)實(shí)習(xí)的整個過程。通過模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生梳理繁雜地質(zhì)資料、豐富學(xué)習(xí)內(nèi)容和方式、加強(qiáng)地質(zhì)知識的理解，建立空間概念，掌握實(shí)習(xí)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造演化的同時，培養(yǎng)地質(zhì)思維方法和創(chuàng)新能力。

本次建設(shè)的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)架構(gòu)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)（客戶端線下平臺）以及Web 3D線上交流共享平臺三部分。其中系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)主要以周口店實(shí)習(xí)區(qū)為虛擬仿真核心區(qū)域，以系統(tǒng)概況、基礎(chǔ)信息查詢、地質(zhì)信息查詢、路線地質(zhì)考察、切制剖面和屏幕截圖等為原始選擇菜單，分類、分維度、分層次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。菜單中路線地質(zhì)考察和切制剖面是周口店實(shí)習(xí)的中心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)的核心實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，目前已實(shí)現(xiàn)線上下載后在客戶端線下平臺運(yùn)行。

路線考察要求學(xué)生按地層產(chǎn)狀、地質(zhì)體延伸和構(gòu)造樣式特點(diǎn)穿越地質(zhì)路線并虛擬定點(diǎn)，依次完成觀察點(diǎn)位置信息、觀察要點(diǎn)、視頻資料和觀測點(diǎn)全景模型等步驟。其中視頻資料不僅可以鏈接優(yōu)秀教員的講解內(nèi)容，而且可以進(jìn)入大比例尺度野外實(shí)景；全景模型可進(jìn)入任意旋轉(zhuǎn)觀察的三維地質(zhì)模型。主要地層或典型路線的選擇，關(guān)鍵地質(zhì)點(diǎn)及其數(shù)量的選擇，讓學(xué)生做到野外工作開始前的預(yù)習(xí)、進(jìn)行中的印證和野外工作結(jié)束后的靈活查閱資料、調(diào)取野外虛擬實(shí)景，節(jié)省了時間和成本，體現(xiàn)了虛擬仿真的優(yōu)勢。

切制剖面主要是要求學(xué)生在實(shí)習(xí)核心區(qū)一定范圍，選擇方向、比例尺、地層單元和切割模式進(jìn)行地質(zhì)剖面切割，不僅完成穿越條件限制下無法實(shí)現(xiàn)的虛擬剖面，而且可以實(shí)現(xiàn)了解地下一定范圍內(nèi)地質(zhì)體展布延伸情況。其中切剖模式包括垂直切割、等距平行切割和指定切割剖面坐標(biāo)三個選項(xiàng)，等距平行切割選項(xiàng)則要求輸入剖面距離和剖面數(shù)量，而指定切割剖面坐標(biāo)選項(xiàng)則要求輸入剖面起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)。切割的剖面在中比例尺度無人機(jī)航飛影像圖上顯示剖面位置、剖面方向、剖面上地質(zhì)點(diǎn)位置等，并從三維角度顯示剖面所切地下地層（地質(zhì)體）延伸情況等。

本項(xiàng)目開發(fā)的Web 3D網(wǎng)站交流共享平臺部分實(shí)現(xiàn)了在線構(gòu)建POI興趣點(diǎn)、數(shù)據(jù)上傳（實(shí)時照片、記錄習(xí)心得、隨筆記錄），多人在線互動聊天、定位點(diǎn)（坐標(biāo)更新顯示）、三維虛擬現(xiàn)實(shí)界面顯示（3D地形地貌顯示、3D地質(zhì)圖顯示、2D地質(zhì)圖顯示、百度地圖導(dǎo)航）等功能。不僅滿足了地質(zhì)專業(yè)人員的教學(xué)與交流需求，同時可為大眾普及基本地質(zhì)知識，并能夠向無法親臨周口店的人群提供虛擬仿真三維平臺，極大地實(shí)現(xiàn)了信息知識傳遞與共享。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色

（1）節(jié)省成本。傳統(tǒng)教學(xué)研究中路線地質(zhì)調(diào)查需要野外差旅、定點(diǎn)、描述、采樣、磨片、鑒定等諸多環(huán)節(jié)；要探知地下地層和構(gòu)造延伸特征，有電法、磁法、地震等物探手段，有鉆井、平硐等勘探手段，都以高成本、低效率為特點(diǎn)，通過虛擬仿真，將巖石—地層之間的實(shí)踐識別流程、剖面測制—地層地下延伸特點(diǎn)之間的實(shí)踐判斷流程，簡化到電腦操作的2個課時，極大地降低了成本。

（2）地下揭示能力。在實(shí)踐過程中無法切割剖面的情況下，以三維模型演示、虛擬切割，達(dá)到了形象、簡潔、高效地揭示地下地質(zhì)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)的功能。

（3）思維能力培養(yǎng)功能。以三維虛擬地質(zhì)體和部分高程信息，以及地質(zhì)切割關(guān)系顯示的構(gòu)造期次，通過層層剝離，演示、恢復(fù)地質(zhì)體變形、抬升、凹陷、切割、剝蝕、夷平、伸展和擠壓等現(xiàn)象，把百萬年級別的地質(zhì)變化凝練到2個課時的演示范疇，極大地促進(jìn)了學(xué)生時空觀的形成和地質(zhì)思維能力的培養(yǎng)。

（4）創(chuàng)新示范作用。將教學(xué)需要、仿真優(yōu)勢和實(shí)習(xí)區(qū)特色相結(jié)合，將無人機(jī)航拍、仿真軟件開發(fā)和三維動態(tài)演化等先進(jìn)技術(shù)融入傳統(tǒng)教學(xué)當(dāng)中，對一個實(shí)習(xí)區(qū)實(shí)踐教學(xué)的作用而言，具備創(chuàng)新示范作用。

（5）內(nèi)容豐富、操作靈活。本項(xiàng)目開發(fā)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，按1條路線2個課時、1個或1組剖面2個課時計(jì)，至少可以設(shè)置60個課時以上；學(xué)生可以在實(shí)習(xí)中的路線地質(zhì)、切制剖面、小論文答辯、報告編寫等各個環(huán)節(jié)靈活選擇進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

（6）虛擬課堂、信息共享作用。Web 3D網(wǎng)站交流平臺操作實(shí)現(xiàn)了在線構(gòu)建POI興趣點(diǎn)、數(shù)據(jù)上傳，多人在線互動聊天、定位點(diǎn)、三維虛擬現(xiàn)實(shí)界面顯示等功能。不僅滿足了地質(zhì)專業(yè)人員的教學(xué)與交流需求，同時可為大眾普及基本地質(zhì)知識，并能夠向無法親臨周口店的人群提供虛擬真三維平臺，極大地實(shí)現(xiàn)了信息知識傳遞與共享。

五、考核要求與評價體系

1.考核要求

地質(zhì)考察路線和切制剖面在虛擬仿真平臺中的考核要求分別為地質(zhì)點(diǎn)信息掌握、地層單元和構(gòu)造類型判斷數(shù)量的多少和正確性，切割剖面的合理性、剖面信息掌握程度，分別按2課時達(dá)到90%、80%、70%、60%、60%以下地質(zhì)點(diǎn)信息、地層（地質(zhì)體）單元判斷、構(gòu)造類型識別正確性和切割剖面小結(jié)正確性對應(yīng)優(yōu)、良、中、及格和不及格五級。

2.評價體系

（1）根據(jù)不同專業(yè)特點(diǎn)和學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，研究評價內(nèi)容和過程；（2）建立評價小組，建立由學(xué)校職能部門、學(xué)院到實(shí)習(xí)隊(duì)各級人員的評價小組；（3）收集網(wǎng)上評價內(nèi)容和建議，評價其合理性和可行性，評價試驗(yàn)過程、試驗(yàn)方法與試驗(yàn)效果的一致性和關(guān)聯(lián)性，并由此改進(jìn)試驗(yàn)教學(xué)方法和體系；（4）評價結(jié)果反饋并用于指導(dǎo)及教學(xué)，明確教學(xué)方法改進(jìn)方向；（5）建立學(xué)校地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目成績認(rèn)可、學(xué)分轉(zhuǎn)換機(jī)制，鼓勵虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的開放共享。

六、后續(xù)服務(wù)計(jì)劃

1.持續(xù)建設(shè)與更新

及時補(bǔ)充試驗(yàn)項(xiàng)目所涉及隨科學(xué)研究的深入而取得的最新研究數(shù)據(jù)和成果，完善切割剖面的仿真程度，同時結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬軟件技術(shù)開發(fā)，不斷相互印證從而加以改進(jìn)。另外，結(jié)合構(gòu)造期次研究的深入，不斷細(xì)化構(gòu)造演化中的時間階段和邊界參數(shù)等，模擬核心區(qū)構(gòu)造演化。

2.面向高校的教學(xué)推廣應(yīng)用計(jì)劃

周口店野外地質(zhì)實(shí)習(xí)基地是面向世界的開放教學(xué)實(shí)踐基地，已經(jīng)取得了較好的教學(xué)成果和社會聲譽(yù)。本項(xiàng)目計(jì)劃開展多方位和不同層次的國際、國內(nèi)交流實(shí)踐與合作，如向曾經(jīng)合作過的美國艾阿華大學(xué)、韓國忠南大學(xué)、俄羅斯莫斯科大學(xué)大學(xué)，以及國內(nèi)臺灣中央大學(xué)和成功大學(xué)、香港大學(xué)、青海大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)、房山世界地質(zhì)公園、武警黃金部隊(duì)和大慶油田等單位推廣，以本次周口店虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為合作亮點(diǎn)建立與多所兄弟院校合作交流平臺。

3.面向社會的推廣與持續(xù)服務(wù)計(jì)劃

周口店地區(qū)地質(zhì)資源豐富，毗鄰聯(lián)合國教科文組織批準(zhǔn)的世界文化遺產(chǎn)“周口店北京猿人遺址”，也是“燕山運(yùn)動”等重要構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論的起源地之一，這些特點(diǎn)在全國無處可以媲美。將周口店虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容納入世界地質(zhì)公園的建設(shè)規(guī)劃之中，達(dá)到向社會普及地球科學(xué)知識和服務(wù)地方社會的目的；與北京人遺址博物館合作，將“北京人”的發(fā)現(xiàn)、科學(xué)意義與命運(yùn)演變與中國不同時代的國情教育相結(jié)合，傳承中華文化、進(jìn)行愛國主義教育；通過開展在線教學(xué)服務(wù)或提供技術(shù)支持等，服務(wù)社會的同時積極發(fā)揮對地質(zhì)專業(yè)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)的示范引領(lǐng)作用。

七、結(jié)語

北京周口店野外地質(zhì)仿真模擬實(shí)習(xí)通過建設(shè)一個虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要將實(shí)習(xí)核心區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成后，通過3D建模以及計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)自然場景的虛擬再現(xiàn)，同時，通過建模等技術(shù)，完成野外場景無法或不能快速完成的地質(zhì)作業(yè)。因此，該系統(tǒng)的開發(fā)為拓展常規(guī)教學(xué)方法與手段，解決學(xué)生在地質(zhì)學(xué)實(shí)踐學(xué)習(xí)中存在空間概念轉(zhuǎn)變、地質(zhì)思維培養(yǎng)困難和創(chuàng)新能力提高，實(shí)現(xiàn)知識信息的傳遞與共享等方面有著無與倫比的優(yōu)勢，建議實(shí)習(xí)過程中，加強(qiáng)應(yīng)用力度，開發(fā)應(yīng)用方法和流程，完善考核體系等，真正為培養(yǎng)地質(zhì)人才做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。