基于虛擬仿真平臺的人才培養(yǎng)方案探索
——以資源勘查工程專業(yè)為例

趙忠海，崔曉夢，周佳崢，荊曌怡

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，以高新技術(shù)為核心的知識經(jīng)濟(jì)將占據(jù)主導(dǎo)地位，國家的綜合實力和國際競爭力將越來越取決于教育發(fā)展、科學(xué)技術(shù)和知識創(chuàng)新的水平。人才作為教育的主體，是發(fā)展知識經(jīng)濟(jì)最關(guān)鍵、最根本的因素，培養(yǎng)和造就一批兼具科研與實踐能力的高素質(zhì)綜合人才隊伍亟不可待。就資源勘查工程專業(yè)而言，其作為一門實踐性、綜合性很強(qiáng)的地學(xué)類工科專業(yè)，以現(xiàn)代地球科學(xué)基礎(chǔ)和礦產(chǎn)勘查科學(xué)等理論為基礎(chǔ)，運用現(xiàn)代技術(shù)方法對礦產(chǎn)資源進(jìn)行勘查和開發(fā)，其過程尤為注重學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1]。趙鵬大院士提出的培養(yǎng)“五強(qiáng)”地學(xué)創(chuàng)新人才框架中，也強(qiáng)調(diào)了對學(xué)生工程實踐能力及綜合能力培養(yǎng)的重要性[2]。

傳統(tǒng)教學(xué)人才培養(yǎng)模式是以課程為導(dǎo)向，重視通識基礎(chǔ)課、學(xué)科基礎(chǔ)課和專業(yè)課的講授，忽視了學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)[3]。其教學(xué)方式的單一化，也難以實現(xiàn)學(xué)生沉浸式和交互式學(xué)習(xí)，難以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。而新一輪教育革命的推進(jìn)，使教育信息化成為信息時代教育改革發(fā)展的必然要求[4-6]。在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，運用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)字模擬技術(shù)和三維可視化技術(shù)等手段，結(jié)合實體實驗教學(xué)系統(tǒng)，建立一種各實驗教學(xué)平臺與各自對應(yīng)的實物實驗室相結(jié)合的“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充”的新型實驗教學(xué)系統(tǒng)——虛擬仿真實驗教學(xué)體系[7]。虛擬仿真實驗教學(xué)可以使學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)與研究，身臨其境地獲取野外知識，客觀形象地觀察地下巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造，進(jìn)而提高學(xué)生的野外工作技能和實踐能力，激發(fā)學(xué)生科研興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和自主性。

為此，遼寧工程技術(shù)大學(xué)（以下簡稱“我?！保┮劳羞|寧省實驗教學(xué)示范中心——虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心，構(gòu)建了具有一定示范性、共享性和行業(yè)特色的領(lǐng)先型實驗教學(xué)平臺和虛擬仿真實驗教學(xué)體系。為解決傳統(tǒng)教學(xué)模式下真實勘查項目條件不具備、實際操作困難、涉及高危、高成本等問題提供了具體方法，對著力提高高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平，積極探索“智能+教育”的人才培養(yǎng)方案產(chǎn)生了積極的影響。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

資源勘查工程是集地質(zhì)理論、勘查技術(shù)、礦業(yè)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境及礦業(yè)政策法規(guī)于一體的綜合性專業(yè)。該專業(yè)主要培養(yǎng)知識、能力、素質(zhì)各方面綜合發(fā)展，系統(tǒng)掌握資源勘查工程基本理論、基本方法和基本技能，具有創(chuàng)新精神、實踐能力和一定礦產(chǎn)資源勘查、評價和管理能力的專業(yè)技術(shù)人才[8]。為更高質(zhì)量地完成專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)校在基本理論、課程實踐方面仍需改進(jìn)。

（一）基本理論方面

1.教學(xué)方式固定化、模式化。目前教學(xué)授課模式仍以書本為主，雖現(xiàn)有較多老師使用多媒體作為教學(xué)手段，教學(xué)內(nèi)容隨圖片和視頻的引入極大地促進(jìn)了學(xué)生的理解和學(xué)習(xí)積極性，但由于資源勘查專業(yè)開設(shè)課程龐雜，涉及知識范圍廣，地下巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等三維形態(tài)復(fù)雜多變，單以二維授課方式難以讓學(xué)生對其建立直觀概念。

2.教材內(nèi)容與現(xiàn)場實踐存有偏差。教材更新速度蝸行牛步，導(dǎo)致其內(nèi)容與現(xiàn)場實踐偏差較大，學(xué)生所學(xué)知識在實踐中使用條件有限。以地球物理勘探為例，教材中的電阻率法、激發(fā)極化法、大地電磁法等多是之前的傳統(tǒng)方法，目前勘探單位使用較多的廣域電磁法、航空瞬變電磁法等在教材中涉及較少，使學(xué)生在校學(xué)習(xí)和和實際應(yīng)用產(chǎn)生斷層，不能緊密聯(lián)系。

3.資源共享困難。目前教學(xué)建設(shè)在數(shù)據(jù)采集、開發(fā)使用等方面不具備統(tǒng)一平臺，導(dǎo)致資源勘查專業(yè)內(nèi)難以實現(xiàn)資源共享，大大降低了科研效率和教學(xué)質(zhì)量水平。

（二）課程實踐方面

實踐教學(xué)是資源勘查專業(yè)人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9]。目前學(xué)生實踐環(huán)節(jié)主要包括野外實踐教學(xué)（野外現(xiàn)場觀察和勘探）和實驗室實踐教學(xué)（室內(nèi)巖石標(biāo)本和各類顯微標(biāo)本觀察），兩者結(jié)合文字及相關(guān)圖件來分析地質(zhì)構(gòu)造和形成過程。

野外實踐教學(xué)受專業(yè)的影響在諸多方面受到限制：一是資源勘查專業(yè)主要涉及地下巖體結(jié)構(gòu)、地下構(gòu)造、資源分布等方面，實踐場地多為野外的崇山峻嶺，地質(zhì)條件艱苦，危險系數(shù)高，學(xué)生自身安全難以保證。例如礦產(chǎn)勘查野外作業(yè)中的槽探工程、鉆探工程等，其相關(guān)實地工程設(shè)計、野外采樣、地質(zhì)勘查等，都需要較高的安全條件保障，學(xué)校難以達(dá)到保證每個學(xué)生生命安全的實踐教學(xué)條件。二是地下巖體、礦體形成過程等現(xiàn)象難以開展真實實驗。例如地殼深部地質(zhì)體的形成往往經(jīng)歷數(shù)百萬年，其真實環(huán)境難以再現(xiàn)，地下巖體分布形態(tài)、含礦構(gòu)造等不借助勘查手段也難以直接觀察到。三是野外實踐周期較長，少則數(shù)周，多則半年。大部分礦產(chǎn)勘查項目從開始到結(jié)束往往需要經(jīng)過幾年的時間，從而導(dǎo)致學(xué)生要想系統(tǒng)地學(xué)習(xí)野外實踐知識需要的周期較長。但是，對學(xué)校、學(xué)生來講，并沒有足夠多的時間用于參加野外實踐。四是部分實踐涉及的項目施工耗資較大，且不可逆轉(zhuǎn)，實踐無法重復(fù)。五是目前在新冠病毒肺炎疫情的大環(huán)境下，學(xué)校嚴(yán)格防控人員出入，外出實習(xí)機(jī)會驟減。多重限制條件導(dǎo)致學(xué)生實習(xí)機(jī)會較少，對野外實踐缺乏理性認(rèn)知。

實驗室實踐教學(xué)中，涉及到實驗室可使用設(shè)備臺套數(shù)不足、實驗室可操作空間有限等實際問題，在教學(xué)過程中多采用老師實際操作演示、學(xué)生記錄的教學(xué)方式，同時受課長時間的限制，導(dǎo)致學(xué)生可實際獨立練習(xí)的時間有限，受益較淺，大大降低了教學(xué)效率和學(xué)生實際動手能力。

為了克服上述局限性，我校申請建設(shè)了地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘查與開發(fā)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，結(jié)合多媒體、大數(shù)據(jù)、三維建模、人工智能等網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)手段，將現(xiàn)有的勘查、科研項目成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真教學(xué)資源，初步建立基于虛擬仿真實驗平臺的實踐教學(xué)。

二、虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)

虛擬仿真實驗教學(xué)是教育信息化的有效手段之一，是適應(yīng)信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學(xué)關(guān)系的重要變革，是基于現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措[10]。

（一）建設(shè)思路

資源勘查虛擬仿真實驗教學(xué)體系是以地球科學(xué)新成果和現(xiàn)代成礦理論為基礎(chǔ)，以計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字模擬、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等手段為依托，結(jié)合實物仿真、實驗條件自主設(shè)計、數(shù)據(jù)分析處理及教學(xué)管理，形成的具備開放性、交互性和可擴(kuò)展性的綜合性實驗教學(xué)體系[11]。我校虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)思路如下。

第一，該系統(tǒng)的設(shè)計建立在真實可靠的野外實踐采集數(shù)據(jù)之上，對野外數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與制作開發(fā)，為建設(shè)虛擬仿真平臺奠定基礎(chǔ)。

第二，構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，以可視化軟件為用戶交互操作平臺，構(gòu)建不同類型實驗項目的實物仿真場景，我校自主研發(fā)了直徑8 m 的360 度沉浸式環(huán)幕仿真教學(xué)平臺（圖1）和能夠同時容納60 人開展實驗教學(xué)的VR+虛擬仿真平臺（圖2）。

圖1 360 度沉浸式環(huán)幕仿真教學(xué)平臺

圖2 VR+虛擬仿真平臺

第三，構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的后臺支撐層、管理系統(tǒng)，用以保障實驗項目正常運行，負(fù)責(zé)整個基礎(chǔ)系統(tǒng)的運行、維護(hù)和管理。

（二）建設(shè)內(nèi)容

目前，我校虛擬仿真教學(xué)體系主要內(nèi)容為以下三個虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)：（1）普通地質(zhì)學(xué)實踐三維虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)；（2）礦床學(xué)三維虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)；（3）巖石學(xué)三維虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。每個教學(xué)系統(tǒng)劃分了多個仿真實驗，如圖3 所示。

圖3 虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)內(nèi)容

三、虛擬仿真技術(shù)特點及在教學(xué)改革中的應(yīng)用效果

資源勘查虛擬仿真實驗教學(xué)體系具有其專業(yè)特色的全面性、系統(tǒng)性和銜接性，與傳統(tǒng)現(xiàn)場教學(xué)相比具有以下基本特點。

（一）仿真性和虛幻性

可實現(xiàn)真三維效果，模擬客觀世界中當(dāng)前存在或不存在的真實環(huán)境，有效解決傳統(tǒng)野外教學(xué)地質(zhì)空間和時間難以建立的難題。

（二）交互性和沉浸性

虛擬仿真系統(tǒng)中使用者可獲得多種真實感知，有身臨其境之感，實現(xiàn)沉浸式和交互式學(xué)習(xí)，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

（三）共享性

多媒體、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的引用，使野外實踐教學(xué)不受時間、地點等條件的制約，并實現(xiàn)教學(xué)資源高度共享。

虛擬仿真實驗教學(xué)作為課堂教學(xué)和集中實踐環(huán)節(jié)的重要補(bǔ)充，一是改進(jìn)了傳統(tǒng)實踐教學(xué)手段和方法的單一，解決了教學(xué)方式固定化、模式化，難以實現(xiàn)沉浸式和交互式學(xué)習(xí)的問題；二是新的教學(xué)形態(tài)及豐富的教學(xué)資源提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性及自主學(xué)習(xí)能力；三是實現(xiàn)了傳統(tǒng)教學(xué)模式下難以完成或不具備的教學(xué)功能。資源勘查主要研究地下深部巖體構(gòu)造及分布狀態(tài)等內(nèi)容，虛擬仿真實驗可通過數(shù)據(jù)基礎(chǔ)構(gòu)建理想的虛擬場景，直接有效地觀察其分布形態(tài)，提高實驗教學(xué)及研究的效率；四是實現(xiàn)了勘查現(xiàn)場的虛擬仿真，尤其涉及不可逆的工藝及不安全的場所，勘察人員不需要到野外就能體驗真實的工作環(huán)境，為礦山安全生產(chǎn)、人員生命安全提供重要技術(shù)保障。

四、結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)使學(xué)生不僅可以直觀、便捷和高效地學(xué)習(xí)掌握現(xiàn)代地球科學(xué)基礎(chǔ)和礦產(chǎn)勘查科學(xué)等理論知識，深刻理解礦產(chǎn)形成的背景、條件和分布規(guī)律，而且可以通過虛擬仿真平臺對三維礦產(chǎn)地質(zhì)模型進(jìn)行觀察研究，通過補(bǔ)充新的野外數(shù)據(jù)，分析地質(zhì)模型的改變情況，提出成礦的新觀點、新認(rèn)識，深化成礦理論?？梢姡摂M仿真技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)領(lǐng)域?qū)Ω咚刭|(zhì)人才的培養(yǎng)，具有明顯的優(yōu)越性。

構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)體系是進(jìn)一步豐富教學(xué)理念，深化和完善教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，實現(xiàn)教育信息化的重要舉措。隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的不斷更迭，虛擬仿真實驗存在著巨大的發(fā)展空間和廣闊的發(fā)展前景。