虛擬現(xiàn)實技術在構造地質(zhì)學實踐教學中的應用

張津?qū)帲?源，馬 驍，朱 驍，王文潔，2，3

[1.中國石油大學(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

實踐教學是高校教學工作的重要組成部分，是深化課堂教學的重要環(huán)節(jié)，是學生獲取、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依然是高校人才培養(yǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)，特別是基礎學科專業(yè)的實踐教學方案明顯滯后，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)應用的逐步推進，實踐教學模式也隨之改變。人工智能、大數(shù)據(jù)等高新科技與傳統(tǒng)實踐類教學相結合[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)復合型新工科人才的重要途徑。

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

二、構造地質(zhì)學實踐教學的特點與需求

地質(zhì)學是一門注重實踐的學科。在地質(zhì)學專業(yè)課程的教學過程中，學生需要進行大量的實踐操作和野外地質(zhì)考察來滿足理論教學中無法滿足的直觀認識需要，培養(yǎng)空間想象能力，通過地質(zhì)實踐提高學生的觀察思考能力、邏輯思維能力、實踐操作能力和項目組織能力。因此，在構造地質(zhì)學教學過程中，實踐學習是必不可少的重要環(huán)節(jié)。[4]目前，國內(nèi)外高校構造地質(zhì)學實踐教學方式為開展野外地質(zhì)踏勘，集中組織學生到野外地質(zhì)實習基地開展地層接觸關系、褶皺形態(tài)、節(jié)理分布、斷層結構、同沉積構造等野外構造地質(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合的重要教學環(huán)節(jié)。這種實踐教學方式在國內(nèi)外已得到廣泛認可，成為傳統(tǒng)構造地質(zhì)學實踐教學的重要組成部分。[5]當前，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿科技逐步取得技術性突破。對高校而言，如何借助高新技術突破傳統(tǒng)教學模式，引入前沿科技教學手段，成為當前構造地質(zhì)學教學改革的重要議題。

三、虛擬現(xiàn)實技術在教學中的可行性分析

虛擬現(xiàn)實技術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)實技術已經(jīng)在多個教學領域進行了嘗試，特別是在實踐教學、實驗操作和情境教學中取得了較好的教學效果。[6]構造地質(zhì)學野外實踐教學具有綜合性和靈活性[7]，教師可運用虛擬現(xiàn)實技術搭建數(shù)字化場景，制訂野外環(huán)境和虛擬現(xiàn)實相結合的教學方案。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，提高學生對構造地質(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，觀察實際的構造特征，強化地質(zhì)認識，切實提高構造地質(zhì)學知識點的運用能力。虛擬現(xiàn)實技術運用到構造地質(zhì)學實踐教學中，主要體現(xiàn)在兩個方面。

一是將實際的構造地質(zhì)現(xiàn)象在虛擬場景中進行還原，錄制出具有代表性的、與理論知識點相對應的野外地質(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)象細微的變化進行識別，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)實習基地。在實際的野外地質(zhì)實習基地有多個觀察點，教師在每個觀察點可以給學生講解不同的構造地質(zhì)現(xiàn)象，形成一個實習體系。虛擬現(xiàn)實技術可以加載多個虛擬場景，與野外地質(zhì)實習基地的多個觀察點具有匹配性。在虛擬野外地質(zhì)實習基地中，按照野外踏勘行進路線切換不同場景，可以完成一整套構造地質(zhì)實習任務。

因此，采用虛擬現(xiàn)實技術搭建虛擬野外地質(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)實教學方案，具有可行性。

四、虛擬野外地質(zhì)實習基地的設計與構建

虛擬地質(zhì)場景的搭建應建立在野外地質(zhì)現(xiàn)象的基礎上。因此，選取典型的野外地質(zhì)剖面，進行系統(tǒng)的地質(zhì)踏勘是構建虛擬地質(zhì)場景的前提。中國石油大學(北京)克拉瑪依校區(qū)以新疆分布的宏偉山系、大型盆地作為構造地質(zhì)學專業(yè)教學的天然課堂，發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢，已經(jīng)建立了多個野外地質(zhì)實習基地。在野外地質(zhì)實習基地中，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，博格達山北麓，準噶爾盆地南緣。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)育了多種典型的構造變形樣式，如大龍口剖面中部發(fā)育多種復雜褶皺組成的大型背斜構造，稱為大龍口背斜，大龍口背斜北側發(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)實習基地，每年接待地質(zhì)實習團隊十次以上，多家高校和地質(zhì)相關單位在此均有踏勘實習記錄。

中國石油大學(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)教學優(yōu)勢。校區(qū)構造地質(zhì)學教學團隊利用無人機和單反相機等設備，趕赴天山造山帶東部地區(qū)，針對大龍口剖面典型構造地質(zhì)現(xiàn)象進行野外地質(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)實習基地，作為構造地質(zhì)學野外虛擬現(xiàn)實教學的實驗性方案。

經(jīng)過多次野外地質(zhì)剖面的詳細踏勘及地質(zhì)場景的有效錄制，構造地質(zhì)學教學團隊分別采集了8組具有代表性的構造地質(zhì)場景，錄制內(nèi)容涵蓋了地層界線識別標志、巖層組合關系、不整合面特征、差異風化現(xiàn)象、古土壤風化殼特征、倒轉(zhuǎn)褶皺特征、褶皺組合樣式、背斜構造、節(jié)理組合樣式、逆斷層構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建成多個虛擬地質(zhì)場景。按照野外地質(zhì)踏勘路線設定場景順序，建立一個完整的虛擬野外構造地質(zhì)實習基地。利用云技術將虛擬野外地質(zhì)實習基地共享至網(wǎng)絡，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)實構造地質(zhì)實踐教學課堂。虛擬野外構造地質(zhì)實習基地具有知識點覆蓋全面、構造現(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的應用。

五、虛擬現(xiàn)實技術應用及效果

虛擬現(xiàn)實技術搭建的虛擬野外構造地質(zhì)實習基地，在構造地質(zhì)等實踐教學中得到了充分的運用。同時，虛擬野外構造地質(zhì)實習基地也在理論教學中進行了應用嘗試，達到了預期效果。

(一)實踐教學應用

構造地質(zhì)學的實踐教學分為室內(nèi)構造地質(zhì)實習和野外構造地質(zhì)實習兩個實踐教學階段，這兩個實踐教學階段都嘗試利用了虛擬野外構造地質(zhì)實習基地。

1.室內(nèi)構造地質(zhì)實習

室內(nèi)構造地質(zhì)實習需要將理論課程中所涉及的典型構造特征進行分析，繪制相關地質(zhì)圖件，包括沉積巖層的原生構造、節(jié)理、褶皺、斷層等內(nèi)容。根據(jù)典型的構造特征，講解研究方法和技術。在教學過程中，教師提取虛擬野外構造地質(zhì)實習基地中典型的構造現(xiàn)象，進行觀察和分析，使學生抓住構造特點和細節(jié)，同時使他們獲得了直觀的、具有空間感的深刻認識，加深了其對知識點的掌握程度。學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造，繪制大龍口剖面素描圖，對褶皺構造的特點進行描述。通過虛擬野外地質(zhì)場景中錄制的斷層構造開展地質(zhì)觀察和構造分析，學生掌握了斷層構造發(fā)育區(qū)的空間特征、構造幾何形態(tài)和斷層組合關系，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確度。

2.野外構造地質(zhì)實習

野外構造地質(zhì)實習前期教師需要提前講解地質(zhì)實習基地中主要的構造地質(zhì)現(xiàn)象，以便學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，使學生在野外地質(zhì)實踐前對地質(zhì)現(xiàn)象有初步認識，熟悉實踐教學路線。在踏勘前期講解過程中，利用虛擬野外地質(zhì)場景展示野外實習內(nèi)容，組織學生提前進行預習，特別是針對復雜的大龍口褶皺和斷層，這幾種構造現(xiàn)象需學生在踏勘前復習理論知識點，厘清褶皺和斷層的構造要素，才能在開展野外實習中真正掌握實習內(nèi)容，達到教學目的。同時，在野外地質(zhì)實習過程中，學生可訪問虛擬野外地質(zhì)實習基地的線上功能，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)象進行描述，將所學知識點進行實際運用。

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

(二)理論教學應用

1.虛擬野外地質(zhì)場景的應用

在構造地質(zhì)學理論課程教學中，教師主要按照教學大綱講解構造地質(zhì)知識點。構造地質(zhì)學理論教學需要緊密結合實際的地質(zhì)現(xiàn)象。在理論教學過程中，野外地質(zhì)圖片和構造地質(zhì)模式圖是課程的主要素材。學生觀察地質(zhì)圖片和模式圖往往無法有效建立起空間感，缺乏對構造地質(zhì)特點的直觀認識，這是構造地質(zhì)學理論教學的短板。因此，虛擬野外地質(zhì)場景可以在理論教學中發(fā)揮重要作用。虛擬野外地質(zhì)場景指對具有典型構造地質(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。學生在課上和課后均可以利用虛擬野外地質(zhì)場景對構造地質(zhì)學理論課程中講到的內(nèi)容進行有針對性的觀察和分析，實現(xiàn)理論與實際相結合，有效掌握知識點。

2.虛擬野外地質(zhì)實習基地的應用

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

(三)應用效果評價

通過虛擬現(xiàn)實技術在構造地質(zhì)實踐教學中的應用，學生在構造地質(zhì)學課程中獲得了良好的學習體驗，并得到了積極的正面評價。

中國石油大學(北京)克拉瑪依校區(qū)構造地質(zhì)學教學團隊經(jīng)過一學期的教學嘗試，資源勘查工程專業(yè)49名學生對虛擬野外地質(zhì)實習基地的利用率達到了100%，登錄線上虛擬野外地質(zhì)實習基地次數(shù)達到了107次，人均登錄次數(shù)為2.18次。學生對虛擬現(xiàn)實技術在構造地質(zhì)教學中的應用效果評價在95%以上。在期末總結時，學生通過虛擬野外地質(zhì)實習基地的應用和體驗，給出了“新穎的授課方式”“提高了對構造地質(zhì)學的興趣”“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。

在虛擬野外構造地質(zhì)實習基地應用期間，學生利用周末和假期到學校周邊野外地質(zhì)露頭區(qū)進行地質(zhì)影像錄制，并獨立建立了微型虛擬野外地質(zhì)場景。針對課程中學習的重要知識點，進行了地質(zhì)信息標注，并以小組的形式對所錄制的虛擬地質(zhì)場景進行了講解。通過虛擬現(xiàn)實技術在構造地質(zhì)學中的應用，學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(北京)克拉瑪依校區(qū)構造地質(zhì)學教學團隊將虛擬現(xiàn)實技術引入傳統(tǒng)基礎學科的成功案例，其他專業(yè)教師多次與構造地質(zhì)學教學團隊進行討論交流，尋求借鑒教學經(jīng)驗，開始著手嘗試將虛擬現(xiàn)實技術應用于所在專業(yè)，有效推進了信息化、數(shù)字化技術產(chǎn)品在高校教學中應用的進程。

六、結語

高校傳統(tǒng)專業(yè)實踐教學結合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿科技開展教學改革，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)復合型新工科人才的重要途徑。虛擬現(xiàn)實技術可有效推進構造地質(zhì)學實踐教學的信息化和數(shù)字化應用進程，拓展構造地質(zhì)學專業(yè)實踐教學體系。虛擬現(xiàn)實技術在實踐教學和理論教學的應用中均獲得了良好的教學效果，為學生帶來了新穎的學習體驗。為深化虛擬現(xiàn)實技術在構造地質(zhì)教學中的應用，高校、企業(yè)和科研院所三方應加強合作，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)學研”教學平臺，為地質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)提供了新思路和新方案。