數(shù)字填圖技術(shù)與地質(zhì)野外實踐教學(xué)的深度融合

申添毅

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074

野外地質(zhì)教學(xué)實習(xí)是地質(zhì)類專業(yè)本科生的必修課程，通過野外實踐，可以使學(xué)生鞏固課堂基礎(chǔ)理論知識，初步掌握野外地質(zhì)工作的基本方法，幫助學(xué)生開始構(gòu)建科學(xué)的地質(zhì)學(xué)研究思維體系。特別是大學(xué)二年級后開展的綜合地質(zhì)實習(xí)，可以幫助學(xué)生掌握區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的基本方法和步驟，引導(dǎo)學(xué)生把抽象的理論知識與實際的地質(zhì)現(xiàn)象聯(lián)系起來，提升同學(xué)們觀察問題、分析問題、解決問題的能力，初步培養(yǎng)科研能力和科研精神，為今后的野外及科研工作打下堅實的基礎(chǔ)[1]。因此，各大地質(zhì)院校均十分注重高質(zhì)量地完成野外綜合地質(zhì)實習(xí)教學(xué)，不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗、改進(jìn)教學(xué)方法，并引入最新的技術(shù)方法（例如數(shù)字填圖技術(shù)），來提升教學(xué)質(zhì)量。

傳統(tǒng)的野外地質(zhì)實習(xí)教學(xué)多采用“灌輸式”模式，即教師手把手教學(xué)生如何進(jìn)行野外描述與記錄，學(xué)生根據(jù)教師所講內(nèi)容進(jìn)行觀察描述、編寫報告[2]。這種方式不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力及創(chuàng)新能力。許多高校及教師針對這一問題，開始不斷改革教學(xué)方式，包括“以學(xué)生為中心”的自主探究模式[1,3]、互動式教學(xué)模式[4]，基于OBE理念的教學(xué)模式[5]等，力求真正鍛煉和提高學(xué)生的地質(zhì)思維、創(chuàng)新和科研能力。在實際教學(xué)過程中最為棘手的問題通常表現(xiàn)為學(xué)生初次接觸系統(tǒng)的地質(zhì)實際，課堂理論如何與野外實際發(fā)生聯(lián)系，對初學(xué)者來說是個挑戰(zhàn)，會顯得有些無所適從。因此不管采用何種教學(xué)模式，如何幫助引導(dǎo)學(xué)生盡快適應(yīng)這種結(jié)合，使課堂知識點有效融入野外實際，是野外實習(xí)教學(xué)首要解決的問題，而具有引導(dǎo)功能的數(shù)字填圖系統(tǒng)可以在這一過程中發(fā)揮重要作用。

2004年以來，數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng)在我國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中開始全面推廣，標(biāo)志著我國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作進(jìn)入數(shù)字化時代[6-8]。目前這套數(shù)字地質(zhì)填圖系統(tǒng)以地質(zhì)填圖的空間數(shù)據(jù)表達(dá)為基礎(chǔ)，遵循傳統(tǒng)地質(zhì)填圖的客觀規(guī)律，創(chuàng)造性地建立了PRB數(shù)字填圖技術(shù)，對地質(zhì)觀測內(nèi)容做了非常系統(tǒng)的規(guī)范化的條目要求， 使得地質(zhì)工作者可以在野外全面和準(zhǔn)確記錄各項地質(zhì)觀測數(shù)據(jù)以及地質(zhì)體的空間關(guān)系[6]。因此，通過學(xué)習(xí)數(shù)字填圖系統(tǒng)的操作流程，可以幫助學(xué)生進(jìn)行野外地質(zhì)路線及地質(zhì)內(nèi)容的觀察和描述，從而掌握野外地質(zhì)工作的方法。雖然數(shù)字填圖系統(tǒng)的教學(xué)在多個高校的綜合地質(zhì)實習(xí)中均有所涉及，但是相關(guān)教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于軟件的操作使用[9-12]，導(dǎo)致數(shù)字填圖與實踐教學(xué)只是在形式上完成了統(tǒng)一[13]，未能在教學(xué)中將這套軟件所蘊含的地質(zhì)思維和方法學(xué)真正地讓學(xué)生理解，而后者也正是學(xué)生們通過野外實習(xí)需要了解的核心內(nèi)容和達(dá)到的根本目的。本文基于筆者近些年來野外地質(zhì)填圖及本科生綜合地質(zhì)實踐教學(xué)的經(jīng)驗，通過介紹和分析數(shù)字填圖系統(tǒng)的野外工作流程及學(xué)生在野外實習(xí)中出現(xiàn)的常見問題，對數(shù)字填圖系統(tǒng)如何提高野外地質(zhì)綜合實習(xí)的教學(xué)效果進(jìn)行了挖掘。

一、數(shù)字填圖系統(tǒng)的野外操作邏輯及流程

數(shù)字填圖系統(tǒng)遵循傳統(tǒng)地質(zhì)填圖的方法，將地質(zhì)體之間的空間關(guān)系及屬性信息進(jìn)行數(shù)字化，其核心技術(shù)為PRB過程[6]。P過程為地質(zhì)點（point）過程，指的是在野外對路線中發(fā)育的地質(zhì)界線、重要地質(zhì)構(gòu)造或接觸關(guān)系等內(nèi)容進(jìn)行定點觀測的過程；R過程為分段路線（routing）過程，為兩個地質(zhì)觀測點之間的實際分段路線描述記錄的過程；B過程為點上或點間界線（boundary）過程，是對地質(zhì)點上或兩段點間路線之間的地質(zhì)分界線進(jìn)行描述的過程。數(shù)字填圖系統(tǒng)通過使用實體點、網(wǎng)鏈和全鏈或幾何拓?fù)洵h(huán)分別對地質(zhì)點、分段路線和點間界線進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和組織，實現(xiàn)對野外路線觀測到的各種地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行定義、描述、分類、聚合和歸納，從而將野外地質(zhì)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信息[6]。

從上述可以看出，PRB過程的基本組合規(guī)則完整直觀地體現(xiàn)了野外地質(zhì)工作的基本方法體系（圖1）。地質(zhì)點P是PRB的核心過程，任何分段路線R過程及點間界線B過程均要隸屬于一個P過程。這相當(dāng)于傳統(tǒng)野外地質(zhì)工作中，在野簿上的記錄要以地質(zhì)點為起始。一個P過程可以包含若干個R過程和B過程，代表了野外地質(zhì)工作中地質(zhì)點之間的多個巖性段，以及巖性界線或構(gòu)造界線的現(xiàn)象。同時對于一個R過程（一個點間分段路線），又可以包含若干個B過程，即分段路線兩端均不是、只有一個或均是地質(zhì)分界線。若某一點位出現(xiàn)多個巖相界線或多條構(gòu)造線通過，則可以出現(xiàn)多個B過程。在PRB過程中，產(chǎn)狀、化石、樣品、照片、素描等對象可以在任意過程中進(jìn)行插入。

圖1 PRB過程野外操作流程（虛線框內(nèi)為基本工作流程）

在數(shù)字填圖系統(tǒng)中，針對PRB過程提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均涵蓋這一過程需要采集的所有信息（表1）。例如，P過程的屬性結(jié)構(gòu)包括點號、點位、露頭性質(zhì)、風(fēng)化程度、點性、巖性代號、接觸關(guān)系等；R過程的屬性結(jié)構(gòu)則包括路線方位、分段距離等；B過程的數(shù)據(jù)還需要記錄界線類型、產(chǎn)狀等要素信息。

表1 PRB過程數(shù)據(jù)采集實體圖層說明及屬性編輯界面

上述PRB地質(zhì)過程不僅能夠滿足區(qū)域地質(zhì)調(diào)查野外數(shù)據(jù)采集所需要的計算機處理最基本的結(jié)構(gòu)化信息，而且能夠保證地質(zhì)工作者全面和準(zhǔn)確地采集野外觀察信息，而后者也是我們希望通過野外實踐教學(xué)能夠讓學(xué)生達(dá)到的目標(biāo)。因此，在野外教學(xué)中通過借助數(shù)字填圖系統(tǒng)，可以使得教學(xué)工作更好地開展。

二、數(shù)字填圖軟件對野外實踐教學(xué)的輔助意義

本科綜合地質(zhì)認(rèn)識實習(xí)是學(xué)生學(xué)習(xí)地質(zhì)野外工作方法、初步構(gòu)建地質(zhì)工作思維的重要過程。在野外路線教學(xué)過程中，借助數(shù)字填圖軟件，可以使學(xué)生更好地理解和掌握教學(xué)內(nèi)容，從而獲得更好的教學(xué)效果，達(dá)到事半功倍的作用。該軟件對于野外教學(xué)的輔助作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.規(guī)范野簿記錄

野簿是專門用來記錄野外地質(zhì)現(xiàn)象的觀察內(nèi)容，是野外工作的第一手資料。野簿的記錄應(yīng)當(dāng)做到實事求是、條理清楚、信息全面，能夠體現(xiàn)或回溯整個野外的工作進(jìn)程及觀察到的各種地質(zhì)現(xiàn)象。在野外教學(xué)實踐過程中，學(xué)生們在記錄野簿時往往會漏記很多基本信息，例如，在地質(zhì)點的記錄中缺失點位、露頭、點義、風(fēng)化程度等信息，在地質(zhì)界線或斷層界線的描述中忘記測量相關(guān)的產(chǎn)狀信息，在點間路線的描述中記錄不連續(xù)或信息缺失等。此外，同學(xué)們在野外路線中喜歡使用野外照片代替素描，但是在記錄時常常忽略最重要的兩個內(nèi)容：照片名稱及鏡頭方向（表2）。這些信息都是野外資料收集中的重要的基本信息，其信息缺失往往造成后續(xù)室內(nèi)分析不可彌補的缺憾。而這些內(nèi)容均是數(shù)字填圖系統(tǒng)PRB過程中必須獲取的數(shù)據(jù)基本屬性信息，因此在學(xué)生記錄野簿的過程中，通過借助數(shù)字填圖系統(tǒng)在野外定點、畫線，不斷提醒自己每一個地質(zhì)點或每一條地質(zhì)界線、分段路線上需要記錄和描述內(nèi)容的齊全程度，從而規(guī)范野簿的記錄，保證記錄的內(nèi)容的完整和準(zhǔn)確。

表2 野外地質(zhì)教學(xué)中學(xué)生們普遍存在的相關(guān)問題及數(shù)字填圖系統(tǒng)的解決方法

2.理清點與點之間的邏輯關(guān)系

在野外教學(xué)過程中，每當(dāng)停下來要觀察某一個露頭，學(xué)生問得最多的就是“這里需要定點嗎”，也有很多學(xué)生弄不清楚“地質(zhì)點”與“點間點”之間的聯(lián)系。在野簿中常會看到學(xué)生將點間分段路線的內(nèi)容與點間界線的內(nèi)容混在一起，不能很直觀地從野簿的記錄中讀出地質(zhì)界線的存在及特征，甚至缺失點間界線的信息（表2）。在數(shù)字填圖系統(tǒng)中，軟件將一條路線簡化為若干PRB過程的組合，弱化“點間點”的表述，而強調(diào)“沿途”（分段路線R）和“點間界線”（B）的概念。這也是更為合理的邏輯關(guān)系，兩點之間的內(nèi)容只需要通過分段路線及其之間的地質(zhì)界線來聯(lián)系（圖1）。在野外路線的觀察過程中，我們一直對學(xué)生強調(diào)要注意觀察巖性的變化或構(gòu)造的發(fā)育情況，如果出現(xiàn)了巖性的變化，在達(dá)不到定新地質(zhì)點的標(biāo)準(zhǔn)時，就需要用“點間界線”進(jìn)行分割。在數(shù)字填圖系統(tǒng)的操作中，需要首先完成一段R過程（代表走過的這段路線），然后添加B過程（代表所觀察的巖性分界線），而這兩個過程均附屬于上一個點，映射了點與點間之間的邏輯關(guān)系。同時，地質(zhì)點（P）與點間界線（B）之間的分段路線（R）是不可或缺的，否則會產(chǎn)生邏輯上的錯誤。這種設(shè)計也可以指導(dǎo)學(xué)生的野簿記錄，特別是對點間內(nèi)容的記錄。在看到點間界線后，需要在野簿中先描述上一段路線沿途所看到的巖石巖性，再記錄點間界線的內(nèi)容，從而保證通過野簿的記錄可以方便快捷地回溯野外的工作進(jìn)程。

3.加強產(chǎn)狀、素描等信息的采集

野外工作是地質(zhì)學(xué)研究中最重要最基礎(chǔ)的工作，通過野外調(diào)查可以獲取豐富、客觀的地質(zhì)信息和數(shù)據(jù)。野外地質(zhì)體的產(chǎn)狀測量、典型地質(zhì)現(xiàn)象的照片和素描均是必須采集的重要地質(zhì)信息。這些素材越豐富，越有利于后期工作的開展，因此必須要通過野外教學(xué)，讓學(xué)生養(yǎng)成多測產(chǎn)狀、多拍照片、多畫素描的良好習(xí)慣。野簿的記錄并不能非常直觀地反映出已測產(chǎn)狀或已有照片素描的位置及數(shù)量，借助數(shù)字填圖系統(tǒng)的可視化界面，可以很清晰地知曉所獲數(shù)據(jù)的數(shù)量、密度及豐富程度，從而督促學(xué)生自己對這些素材進(jìn)行補充采集，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的良好野外工作習(xí)慣。

4.培養(yǎng)空間方位感

無論是室內(nèi)教學(xué)還是野外教學(xué)，良好的空間方位感是學(xué)生理解和掌握課程知識的必備技能，然而在教學(xué)過程中大部分的學(xué)生均暴露出較弱的空間方位判別力。而地質(zhì)學(xué)又是一門與空間方位息息相關(guān)的一門學(xué)科，因此，通過野外實踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的空間方位感也是一項重要的任務(wù)。學(xué)生的空間方位感較差主要表現(xiàn)在兩個方面：一是無法迅速辨別東南西北方位，特別是在野外路線沿著山勢盤旋而上時，很難分辨路線的前進(jìn)方向，從而影響對地質(zhì)體產(chǎn)狀或延伸狀態(tài)的判斷；第二就是很難正確建立地質(zhì)體產(chǎn)狀的空間方位和空間關(guān)系，對不同地質(zhì)體之間的接觸關(guān)系常常不能很好地判斷。這些問題的解決需要借助相關(guān)的工具，除了羅盤、手機的定位軟件，特別是導(dǎo)航或地圖軟件可以很好地幫助學(xué)生找到所處位置的空間方位，確定自己的運動軌跡，但是這些都不能很好地展示地質(zhì)體的延伸和空間關(guān)系。而數(shù)字填圖軟件中可以疊加地質(zhì)圖、遙感影像圖、地形圖等基礎(chǔ)地形地質(zhì)圖件，有利于準(zhǔn)確標(biāo)定自己所處位置；同時通過進(jìn)行PRB過程的操作，可以將所觀察的地質(zhì)界線繪制在對應(yīng)的位置，從而更加直觀地掌握地質(zhì)體的展布特征及不同地質(zhì)體之間的相互關(guān)系，幫助學(xué)生理解不同地質(zhì)體之間的接觸關(guān)系。

三、數(shù)字填圖軟件應(yīng)用到野外教學(xué)的可行性

近些年來，隨著軟件的開發(fā)迭代以及手機操作系統(tǒng)的不斷升級，最新版的數(shù)字填圖系統(tǒng)野外數(shù)據(jù)采集軟件基于Android手機操作系統(tǒng)開發(fā)，任何具有GPS和拍照功能的Android系統(tǒng)的手機均可以安裝運行，而且軟件可以在中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展中心官方網(wǎng)站上進(jìn)行免費下載。2019年，Android系統(tǒng)的手機市場占有率為87%，在學(xué)生群體中也受到廣泛的歡迎。因此，基本上大部分學(xué)生均可以便捷的在自己的手機上安裝并運行該套軟件。因而，無論是硬件還是軟件都能保證在野外教學(xué)中開展相關(guān)教學(xué)的可行性。同時，該軟件的界面美觀、操作簡單、功能集成度高，無論對于老師教學(xué)還是學(xué)生學(xué)習(xí)，均不需要付出過多的時間來學(xué)習(xí)軟件的操作方法。結(jié)合軟件提供的操作手冊，學(xué)生可以通過簡單自學(xué)與摸索迅速掌握其操作方法與流程。此外，數(shù)字填圖軟件手機客戶端與桌面客戶端所使用的文件類型可以通過桌面客戶端軟件一鍵無損轉(zhuǎn)換，方便后期學(xué)生使用電腦瀏覽、修改野外采集的數(shù)據(jù)和信息。

四、總結(jié)

數(shù)字填圖系統(tǒng)將野外路線觀測描述的地質(zhì)現(xiàn)象的復(fù)雜過程抽象為PRB過程，實現(xiàn)了野外路線觀測過程的數(shù)字化，軟件的操作過程也是對于基礎(chǔ)野外地質(zhì)工作過程的映射。因此，在地質(zhì)野外實踐教學(xué)過程中，不能簡單將其作為一個軟件工作，而是應(yīng)當(dāng)深挖其背后蘊含的地質(zhì)思維和邏輯，將該系統(tǒng)作為野外地質(zhì)教學(xué)過程中的重要輔助手段，真正使數(shù)字填圖與實踐教學(xué)做到深度融合，從而幫助學(xué)生更好地理解和強化野外地質(zhì)學(xué)研究的方法和流程，規(guī)范野簿內(nèi)容記錄，理清野外工作的思路，加強野外數(shù)據(jù)的采集，培養(yǎng)空間方位感，從而保證野外教學(xué)的質(zhì)量和效果。數(shù)字填圖系統(tǒng)作為較為先進(jìn)的野外工作技術(shù)手段，不僅可以極大地拓展學(xué)生的認(rèn)知領(lǐng)域，還能提高他們自主學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)他們的探索和創(chuàng)新能力。因此，將數(shù)字填圖系統(tǒng)軟件引入到野外地質(zhì)教學(xué)中是適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的需要，也是時代進(jìn)步的必然結(jié)果。