虛擬仿真實驗在電法勘探實驗教學中的應用探索

趙榮春 呂玉增 王洪華 韋柳椰 程一鳴

摘? 要：在國家大力推進一流本科教育、一流專業(yè)建設的新形勢下，立足于專業(yè)已形成的人才培養(yǎng)架構，圍繞創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標，系統(tǒng)構建自身的優(yōu)勢專業(yè)課程，加快推進課程體系建設和教學改革。文章結合桂林理工大學實際，闡述了電法勘探虛擬仿真實驗在該校的建設思路，擬通過構建虛實結合的實驗教學模式，完善電法勘探實驗課程內(nèi)容，促進專業(yè)課程與人工智能和信息技術的交叉融合;深化教學研究和教學方法改革，推進學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng);推動該校電法勘探實驗教學向工程化、戰(zhàn)略化和國際化的教育教學改革方向不斷深入，推動一流專業(yè)的建設，實現(xiàn)專業(yè)內(nèi)涵式發(fā)展。

關鍵詞：虛擬仿真;電法勘探;教學改革;實驗教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）36-0106-05

Abstract： Under the new situation that the country vigorously promotes the construction of first-class undergraduate education and first-class majors， based on the talent training structure formed by the major， it systematically builds its own advantageous professional curriculum around the goal of innovative talent training， and accelerates the construction of curriculum system and teaching reform. This paper expounds the construction of the virtual simulation experiment， to promote the integration of professional courses and artificial intelligence and information technology， deepen the cultivation of the practical research and innovation ability， promotes the construction of first-class majors and realize the professional connotation development.

Keywords： virtual simulation; electrical exploration; teaching reform; experimental teaching

為深入落實全國教育大會和《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案（2018-2020年）》精神，貫徹落實新時代全國高校本科教育工作會議和《教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》、“六卓越一拔尖”計劃2.0系列文件要求，做強一流本科、建設一流專業(yè)，提升高校人才培養(yǎng)能力，實現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展，教育部決定全面實施“六卓越一拔尖”計劃2.0，啟動一流本科專業(yè)建設“雙萬計劃”，即2019年至2021年建設1萬個左右國家級一流本科專業(yè)點和1萬個左右省級一流本科專業(yè)點[1-2]。為推動一流專業(yè)建設，實現(xiàn)高等教育的內(nèi)涵式發(fā)展，教育部先后出臺了《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質量的意見》《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》等與學科、專業(yè)、課程建設有關的一系列政策性文件，為國家一流專業(yè)建設指明了方向[3-5]。

桂林理工大學勘查技術與工程專業(yè)經(jīng)過60多年的發(fā)展建設，取得了一系列豐碩的建設成果[6-8]。當前，專業(yè)面臨著傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，作為一所地方高校，在國家大力推進一流本科教育、一流專業(yè)建設的新形勢下，須立足于專業(yè)已形成的人才培養(yǎng)架構，圍繞創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標，加快推進課程體系建設和教學改革，系統(tǒng)構建自身的優(yōu)勢專業(yè)課程。電法勘探課程作為勘查技術與工程專業(yè)的核心課程，是我校的傳統(tǒng)優(yōu)勢課程，電法勘探實驗作為其中的重要組成部分，在培養(yǎng)、提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力上具有非常重要的作用，而我校在實驗教學、實驗室配置、師資隊伍等方面還亟需進一步的改革完善，針對電法勘探實驗的教學創(chuàng)新和課程教學改革勢在必行。

近年來隨著虛擬仿真技術的發(fā)展，諸多高校已將虛擬仿真技術應用于本科教學中，并取得了很好的應用效果[9-14]。將虛擬仿真技術應用于電法勘探實驗教學中，構建虛實結合的電法實驗教學模式，促進專業(yè)課程與人工智能和信息技術的交叉融合，推進學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。電法勘探虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗不具備或難以完成的教學功能，突破傳統(tǒng)實驗教學受時間地點限制的問題，克服諸多實驗教學中存在的安全問題，同時虛擬仿真教學的實施對提高學生綜合設計與創(chuàng)新能力，豐富教學內(nèi)容等也有很大的幫助，為解決我校在電法勘探實驗教學中的一系列問題開拓了新的思路，將極大推動我校電法勘探實驗課程的改革與創(chuàng)新。

一、電法勘探虛擬仿真實驗教學體系建設整體思路

電法勘探虛擬仿真實驗系統(tǒng)是建立在電法勘探理論基礎之上，以計算機仿真技術、多媒體和網(wǎng)絡技術為依托，集實物仿真、實驗條件自主設計、數(shù)據(jù)分析處理及教學管理于一體，具有良好自主性、交互性和可擴展性的綜合性虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，下面將簡述我校電法勘探虛擬仿真實驗教學體系建設的思路。

第一，電法勘探虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設計，必須建立在一套完善的電法勘探觀測系統(tǒng)以及真實可靠的電物性異常之上，否則得到的電物性異常將變得毫無意義。要獲得準確的電法勘探電物性異常，必須建立在正確的理論基礎及實測的數(shù)據(jù)之上，因此系統(tǒng)的構建需基于數(shù)值模擬及模型實驗的方法，分析電法勘探在不同觀測方式下，不同電物性參數(shù)的異常體在觀測時的電性異常特征，為后續(xù)開展電法勘探虛擬仿真實驗平臺建設奠定堅實的基礎。

第二，構建虛擬仿真實驗教學平臺，這是虛擬仿真實驗最核心的部分，以基于三維電法勘探數(shù)值模擬為基礎的計算程序，依托可視化軟件Delphi、Python、Matlab等開發(fā)可供用戶交互操作的軟件平臺，構建不同類型實驗項目的實物仿真場景，通過該平臺能夠自主設計電法勘探的采集裝置、自定義異常體的類別及形態(tài)、設計不同的地質背景等，可根據(jù)自定義的采集方式及異常類型，實時顯示符合實測異常形態(tài)的電阻率異常信息。

第三，構建虛擬仿真實驗教學平臺的后臺支撐層，用以保障實驗項目正常開放運行，負責整個基礎系統(tǒng)的運行、維護和管理。支撐平臺應包括幾個功能子系統(tǒng)：學生系統(tǒng)登錄、安全管理、數(shù)據(jù)管理、資源管理與監(jiān)控等。通過支撐層實現(xiàn)虛擬仿真實驗平臺的共享開放，學生可以通過賬號進行登錄使用，管理人員可實現(xiàn)后臺監(jiān)控與管理維護。

二、電法勘探虛擬仿真實驗教學體系建設內(nèi)容

電法勘探課程是我校勘查技術與工程專業(yè)的核心課程，其中電法勘探實驗部分的主要內(nèi)容是通過實驗使學生掌握儀器操作、勘探工作方法、數(shù)值計算和數(shù)據(jù)解釋的一般方法，加深對課程基本知識的理解，加強動手能力，掌握實踐技能。其中電阻率剖面法實驗、電阻率法測井實驗、高密度電法實驗、大地電磁法測深實驗、可控源電磁法測深實驗為核心部分，因此虛擬仿真實驗的建設應圍繞以上實驗展開。

（一）虛擬仿真電阻率剖面法實驗

電阻率剖面法實驗是指A、M、N、B電極距保持不變，同時沿一定剖面方向逐點觀測視電阻率，研究剖面方向地下一定深度的巖、礦石電阻率變化的方法。目前我校該實驗的方法通過水槽實驗開展，然而受限于水槽模型及設備精度等問題，實驗效果不是很好。虛擬仿真電阻率剖面法實驗的建設，第一，要能模擬出不同背景場下的測量;第二，能自定義測量裝置，如聯(lián)合剖面法測量、對稱四極剖面法測量、溫納測量等常見測量方法;第三，可自定義異常體類型及大小、位置;第四，具備測量設備仿真操作界面，異常曲線可實時顯示，數(shù)據(jù)可導出。

（二）虛擬仿真高密度電法勘探實驗

高密度電法勘探兼具電剖面和電測深的特點，憑借工作效率高、反映地電信息豐富、施工簡便等優(yōu)點，被廣泛應用于堤壩勘查、工程物探、水文地質勘探等各方面，高密度電法探測深度在幾米到一百多米的范圍，而校園環(huán)境類很難提前預埋大深度異常體，從而影響實驗教學效果。高密度電法勘探虛擬仿真實驗的設計，第一，應具備實物仿真場景，形象地展示實際工作的場景，如圖1所示;第二，可自定義采集裝置，具備溫納排列、偶極排列、三極排列、施倫貝謝爾排列等測量功能;第三，可自定義背景場及異常體類型、大小、位置。

（三）虛擬仿真電阻率測井實驗

電法測井通過將供電點或測量點放置于地下，加深了電法探測的深度，同時還可以減小地表覆蓋層以及人文干擾對測量的影響。目前我校電法測井實驗主要在水槽中開展，數(shù)據(jù)觀測方式及實驗設備相對落后。第一，虛擬仿真電法測井的建設，應建立起系統(tǒng)的觀測方式，具備地-井觀測、井-地觀測、井-井觀測等觀測方式;第二，可自定義井旁異常體類型;第三，可實時顯示電阻率異常曲線，數(shù)據(jù)可導出。

（四）虛擬仿真電磁法測深實驗

電磁法測深主要分為大地電磁法測深與可控源電磁法測深，電磁法設備通常對電磁場的響應比較敏銳，校園及其周邊的工業(yè)用電、高壓電線等會產(chǎn)生大量的干擾，極大影響了大地電磁測深的效果，致使實驗的教學效果不佳。虛擬仿真電磁法測深實驗，首先，應構建理想的仿真場景，避免外界因素形成的干擾，同時可以自定義異常體類型及空間位置。其次，可模擬MT、AMT下的大地電磁數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)成像。最后，可控源電磁法測深實驗，可模擬電偶極源、磁偶極源下不同收發(fā)距的頻率域測深實驗。

三、電法勘探虛擬仿真實驗在教學中的主要作用

電法勘探實驗教學，是培養(yǎng)專業(yè)創(chuàng)新型應用人才的重要教育環(huán)節(jié)，然而現(xiàn)實中卻限于實驗條件或安全方面的考慮，一些典型的電磁法物性異?，F(xiàn)象，難以通過實測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，影響了實驗教學的效果，制約了我校對高素質人才培養(yǎng)的需求。為緩解電法勘探實驗教學方面的不足，我校于2018年先后建成了電法測井仿真實驗平臺、電阻率法探測仿真實驗平臺，如圖2-圖5所示。仿真實驗平臺主要由實物仿真沙盤、模擬顯示系統(tǒng)、電動控制系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)可通過圖片、立體模型和動態(tài)演示，使學生看到電法勘探野外數(shù)據(jù)采集的工作現(xiàn)場及工作流程，加深勘查技術與工程及相關專業(yè)的學生對電法勘探數(shù)據(jù)采集的理解，也可用于對其他相關專業(yè)學生或社會人員做科普性展示，然而該系統(tǒng)觀測方式較為單一，不具備自主設計實驗項目的能力。

電法勘探虛擬仿真實驗教學的建設，可極大緩解傳統(tǒng)實驗教學中面臨的一系列問題，促進電法勘探實驗教學的改革創(chuàng)新，其具體可表現(xiàn)在以下幾個方面：

（一）解決傳統(tǒng)電法實驗中設備臺數(shù)少、更新慢的問題

電法勘探設備動輒數(shù)以十萬計，學校購買的設備數(shù)量只有幾臺甚至一臺，在大班教學的情況下，課堂上學生只能很多人使用一臺儀器，兩個課時的實驗課，很難做到每個人都能學會儀器的操作使用，而虛擬仿真實驗只需要一臺聯(lián)網(wǎng)計算機，即可模擬儀器設備功能，利用虛擬現(xiàn)實技術真實再現(xiàn)實驗過程，節(jié)約成本和空間，且無需各種實驗耗材、實驗過程安全性高。因此采用虛擬仿真實驗與實體操作相結合的教學模式，可極大改善因儀器設備短缺對教學帶來的影響。

（二）實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗不具備或難以完成的教學功能

電法勘探實驗的目的是探測地下空間異常體的形態(tài)，因此實驗場地必須預埋不同類型的異常體，例如：低阻體、高阻體、板狀體、球體以及各種組合異常體，同時還要盡量避免各種人文因素的干擾。然而現(xiàn)實的校園環(huán)境中卻限于實驗條件或安全方面的考慮，難以通過實際的操作解決。一些典型的異?，F(xiàn)象，難以通過實測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。虛擬仿真實驗可構建理想的實驗場景以及異常體形態(tài)，通過虛擬場景，可以在地下空間構建任意的異常類型，通過仿真計算獲得理想的實驗數(shù)據(jù)，改善電法勘探實驗教學的效果。

（三）突破傳統(tǒng)實驗教學受時間地點限制及諸多的安全問題

虛擬仿真實驗可利用云平臺自主登錄，學生在課前、課后都可以自主學習相關內(nèi)容并進行仿真實驗，課上再配合實物設備進行實驗，可以很大程度地提高學生學習的自主性和學習效率，加深對專業(yè)知識的理解，突破了傳統(tǒng)實驗教學受時間地點限制的問題，克服了常規(guī)實驗教學中存在的安全問題。

（四）構建“互聯(lián)網(wǎng)+”實驗教學體系新形態(tài)，實現(xiàn)學生主動性和創(chuàng)造性學習

將虛擬仿真技術應用于電法勘探實驗教學中，構建虛實結合的電法實驗教學模式，促進專業(yè)課程與人工智能和信息技術課程的交叉融合，有利于學生迅速理解和掌握實驗技術，為學生主動性、創(chuàng)造性學習創(chuàng)造了良好條件。學生高效率做完實驗后，基于實驗教學課和線上虛擬仿真實驗，自主進行實驗設計，驗證實驗相關理論，加深理解基礎理論知識，將學生變成實驗的主體，充分發(fā)揮其個性和潛質，激發(fā)其靈感和創(chuàng)造力，從而提高學生創(chuàng)新能力、實踐能力和綜合素質。

（五）構建虛實結合的實驗教學新方法，推進電法勘探實驗教學改革創(chuàng)新

虛擬實驗教學能有效解決傳統(tǒng)實驗教學存在的諸多問題，但本身也尚存不足，只有將傳統(tǒng)實物實驗和虛擬仿真實驗有效整合，形成虛實結合、優(yōu)勢互補的混合式實驗教學模式，才能更好地啟發(fā)學生進行自主性、創(chuàng)新性和探究性學習，同時虛擬仿真教學的實施對提高教師隊伍教學能力、拓展實踐領域、豐富教學內(nèi)容等也有很大的幫助。

四、結束語

電法勘探作為勘查技術與工程專業(yè)的核心必修課程，是我校的傳統(tǒng)優(yōu)勢課程。電法勘探實驗作為電法勘探課程中的一個重要組成部分，是學生鞏固專業(yè)知識、培養(yǎng)工程意識和創(chuàng)新意識、掌握工程實踐技能和創(chuàng)新能力的重要途徑。構建虛實結合的實驗教學模式，突出運用融合計算機技術、互聯(lián)網(wǎng)技術，促進專業(yè)課程與人工智能和信息技術的交叉融合，可極大地改變實驗教學環(huán)境、內(nèi)容與模式，豐富實驗教學資源，有助于加強學生對專業(yè)知識的理解和掌握，拓展學生的知識面，激發(fā)學生對先進科學技術知識的追求，培養(yǎng)和提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，推動我校電法勘探實驗教學向工程化、戰(zhàn)略化和國際化的教育教學改革方向不斷深入，推動一流專業(yè)的建設，實現(xiàn)專業(yè)內(nèi)涵式發(fā)展。

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