構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程虛-實(shí)結(jié)合教學(xué)模式探索

石強(qiáng) 周煜欣 倪嘉齊

摘? 要：構(gòu)造地質(zhì)學(xué)是地質(zhì)資源與地質(zhì)工程學(xué)科的重要分支學(xué)科，主要研究巖石中的構(gòu)造變形特征，可以解決地球科學(xué)領(lǐng)域的諸多問題。地質(zhì)構(gòu)造是賦存于地殼或巖石圈中的地層或地質(zhì)體在漫長的地質(zhì)作用演化過程中形成，這些變形作用的過程一般看不見、摸不著，難以通過實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)，導(dǎo)致課程具有抽象性強(qiáng)、系統(tǒng)性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。虛-實(shí)結(jié)合教學(xué)模式的建設(shè)，能夠在多學(xué)科、多技術(shù)協(xié)同支持下構(gòu)建全三維、多信息、精細(xì)化的地質(zhì)構(gòu)造模型，模擬構(gòu)造變形過程的真實(shí)自然場(chǎng)景，為學(xué)生營造出一種沉浸式的學(xué)習(xí)氛圍，在理論和實(shí)踐教學(xué)中具有十分顯著的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：虛-實(shí)結(jié)合；構(gòu)造地質(zhì)學(xué)；理論-實(shí)踐教學(xué)；構(gòu)造變形；地殼或巖石圈

Abstract： Structural Geology is an important branch of the discipline of geological resources and geological engineering. It mainly studies the characteristics of tectonic deformation in rocks units， and it also can solve many problems of earth science in the field. The structure， hosted in the geological units of lithosphere， has been formed through a long geological history. The process of tectonic deformation， which is difficult to be reproduced by experiments， is invisible and untouchable. Therefore， the course of Structural Geology shows a strongly abstract， systematic and practical characteristics. Under the support of multi-discipline and multi-technology， the construction of integrated virtual and real teaching mode can build a three-dimensional， multi-information and geological structure model， providing real natural scenes of deformation， eventually realizing the effect of immersion learning， and having obvious advantages in theory and practice teaching.

Keywords： combination of the virtual and the real; Structural Geology; theory and practice teaching; deformation; crust or lithosphere

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)是各地礦類院校地質(zhì)資源與地質(zhì)工程學(xué)科專業(yè)課程體系中最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時(shí)也是傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)的三個(gè)主要分支學(xué)科之一[1-4]。其主要是以組成地殼或巖石圈的各種地質(zhì)體的構(gòu)造變形特征為對(duì)象，測(cè)量并記錄其在野外的構(gòu)造形跡，進(jìn)而研究構(gòu)造變形的成因機(jī)制及其與圍巖之間的相互影響和演化規(guī)律，具有抽象性、系統(tǒng)性、實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)。自2018年以來，為落實(shí)《教育信息化“十三五”規(guī)劃》總體部署，教育部提出建設(shè)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，相繼開展了涵蓋23個(gè)學(xué)科類別、260個(gè)項(xiàng)目的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)認(rèn)定，利用互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)推動(dòng)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，全力探索未來數(shù)字化教育的新模式[3-8]。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程虛實(shí)一體化教學(xué)模式的建設(shè)，能夠在多學(xué)科、多技術(shù)協(xié)同支持下構(gòu)建多信息、精細(xì)化、全三維的構(gòu)造演化模型，模擬構(gòu)造變形過程的真實(shí)自然場(chǎng)景，為學(xué)生營造出一種沉浸式的學(xué)習(xí)氛圍，對(duì)理論和實(shí)踐教學(xué)具有十分顯著的優(yōu)勢(shì)。

一? 現(xiàn)狀分析

在國家的教育信息化戰(zhàn)略部署前提下，實(shí)踐教學(xué)成為信息化的重要攻克對(duì)象，在逐步的探索過程中發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力的發(fā)揮不可替代的作用。特別是自2020年以來，新冠病毒感染疫情全球蔓延、傳統(tǒng)線下教學(xué)轉(zhuǎn)向線上的背景下，虛擬仿真課程建設(shè)已經(jīng)初見成效，受到好評(píng)，但仍需進(jìn)一步研究和探索。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論授課所講述的地質(zhì)構(gòu)造主要產(chǎn)出位置在地殼或巖石圈中，在后期漫長的地質(zhì)作用演化過程中可能會(huì)持續(xù)發(fā)生變質(zhì)變形，這些過程一般看不見、摸不著，時(shí)間和空間的尺度較大，導(dǎo)致在理論授課過程中難以還原、再現(xiàn)，并且復(fù)雜的地質(zhì)作用和構(gòu)造空間產(chǎn)出狀態(tài)在課程實(shí)驗(yàn)中也很難復(fù)原、重復(fù)。因此，學(xué)生反饋理論知識(shí)難以理解且知識(shí)點(diǎn)繁雜，導(dǎo)致很難將所學(xué)知識(shí)與各種復(fù)雜的客觀構(gòu)造現(xiàn)象融會(huì)貫通。

二? 教學(xué)改革內(nèi)容

（一）? 課程思政教育建設(shè)

通過構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程虛-實(shí)結(jié)合課程，向?qū)W生展示秦皇島實(shí)習(xí)區(qū)自然地理特征，通過秀麗的山川河流、鬼斧神工的巖石地貌等，提高學(xué)生對(duì)地質(zhì)專業(yè)的熱愛，同時(shí)培養(yǎng)熱愛祖國山川、河流、大地的情懷，進(jìn)行課程思政教育，注重知識(shí)能力素質(zhì)的有機(jī)融合。

（二）? 利用平臺(tái)的仿真性和虛幻性

在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論課程的講授中，引入“虛-實(shí)結(jié)合”一體化的概念[1，3]，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行野外場(chǎng)景模擬，虛擬并還原不同地質(zhì)條件下所能產(chǎn)生的構(gòu)造變形，在視覺和聽覺上進(jìn)行雙重沖擊，使學(xué)生對(duì)賦存在地殼或巖石圈中看不見、摸不著的構(gòu)造變質(zhì)變形產(chǎn)生最為直觀的認(rèn)識(shí)[1，3]；同時(shí)，利用互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)構(gòu)造變形進(jìn)行模擬，還原構(gòu)造變形的形成機(jī)制及演化過程，結(jié)合VR技術(shù)營造一種沉浸式的場(chǎng)景，提高學(xué)生對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識(shí)和理解，達(dá)到理論知識(shí)講授與野外地質(zhì)實(shí)踐體系相結(jié)合的目的[1，3]。實(shí)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(shí)環(huán)境，有效解決傳統(tǒng)野外教學(xué)地質(zhì)空間和時(shí)間難以建立的難題，使得教學(xué)形式具備先進(jìn)性。

（三）? 營造一種交互式和沉浸式的學(xué)習(xí)氛圍

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程是與地球科學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的上層建筑，是一門需要大量野外實(shí)習(xí)，并要與理論知識(shí)緊密結(jié)合的學(xué)科。構(gòu)造變形的研究要通過野外對(duì)構(gòu)造形跡進(jìn)行詳細(xì)地觀察與描述，室內(nèi)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼砼c計(jì)算，進(jìn)而得到相應(yīng)的感性認(rèn)識(shí)，然后進(jìn)行研究資料歸納、分析，最終結(jié)合前人研究資料，得出理性的認(rèn)識(shí)。以往的實(shí)踐環(huán)節(jié)多以課堂上講授的理論為主，這種教學(xué)方式不夠形象直觀，也不符合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)理念。虛擬仿真系統(tǒng)中使用者可獲得多種真實(shí)感知，有身臨其境之感，實(shí)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。

（四）? 實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)模式下難以完成或不具備的教學(xué)功能

在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論教學(xué)虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)上，對(duì)于賦存于地下的地質(zhì)體，自主設(shè)計(jì)虛擬仿真程序，展現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形的三維空間演化模型，模擬其構(gòu)造變形行跡。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的理論課程教學(xué)中，有利于學(xué)生對(duì)構(gòu)造變形的宏觀現(xiàn)象建立最直觀的立體空間演化意識(shí)，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)看不見、摸不到的構(gòu)造現(xiàn)象的理解和認(rèn)識(shí)，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用與理論知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合的目的，也使學(xué)生對(duì)地質(zhì)歷史的演化過程能有更深刻地理解，使得學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個(gè)性化。

（五）? 虛-實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用

虛-實(shí)結(jié)合一體化課程主要在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上教學(xué)成果顯著，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要為從教材中精心挑選的8個(gè)實(shí)驗(yàn)課程。對(duì)這些實(shí)驗(yàn)的講解，如果僅憑對(duì)文字和圖片的講解會(huì)在一定程度上降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，造成部分理論知識(shí)被“填鴨式”灌輸給學(xué)生，課程效果會(huì)大打折扣，抽象的地質(zhì)構(gòu)造過程難以被學(xué)生理解。借助于虛擬仿真平臺(tái)，整個(gè)地質(zhì)構(gòu)造作用過程（包括影響因素、應(yīng)力條件、構(gòu)造要素行跡）能夠很好地展現(xiàn)給學(xué)生，同時(shí)一些3D動(dòng)畫和3D-Max地質(zhì)建模的應(yīng)用（圖1）會(huì)極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)探索興趣，提高課堂效率，使課程具有一定的挑戰(zhàn)性。特別是自2020年以來，新冠病毒感染疫情全球蔓延、傳統(tǒng)教學(xué)轉(zhuǎn)向線上的背景下，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程授課難度增大，由線下的手把手指導(dǎo)改為主要以線上講述的形式，使得部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情大打折扣，如果實(shí)驗(yàn)和理論教學(xué)課能夠充分借助虛擬仿真平臺(tái)，勢(shì)必會(huì)給構(gòu)造地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)成果帶來積極的影響。

（六）? 考核機(jī)制

在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)虛-實(shí)結(jié)合一體化課程中，對(duì)一些重要的理論知識(shí)及構(gòu)造現(xiàn)象虛擬仿真演示之后，會(huì)存在相應(yīng)的考核機(jī)制（圖2），一方面檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，作為期末平時(shí)成績的一部分（約占20%），另一方面檢驗(yàn)虛擬仿真平臺(tái)的運(yùn)用效果，為后期的整改效果提供一定的依據(jù)，同時(shí)，互動(dòng)性的考核會(huì)使學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個(gè)性化。

三? 教學(xué)改革目標(biāo)

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐可以改善傳統(tǒng)的教學(xué)模式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)構(gòu)造變形特征的計(jì)算機(jī)虛擬成像，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能、VR等技術(shù)，使得復(fù)雜多變的構(gòu)造演化作用過程在室內(nèi)進(jìn)行微型化還原、再現(xiàn)，進(jìn)而能夠達(dá)到虛擬技術(shù)與野外實(shí)際現(xiàn)象相結(jié)合、理論課程授課與實(shí)踐實(shí)習(xí)教學(xué)有效銜接與互補(bǔ)，增強(qiáng)課程的科技感，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)也為學(xué)生營造一種沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使學(xué)生能夠真正身臨其境地感受，認(rèn)識(shí)、理解并掌握基本構(gòu)造變形的構(gòu)造形跡特征、現(xiàn)象分類、組合形式和成因機(jī)制，以及對(duì)各種地質(zhì)構(gòu)造變形的野外觀察、描述、記錄及研究方法，最終達(dá)到提高學(xué)生的野外地質(zhì)實(shí)踐基本技能和地質(zhì)構(gòu)造空間思維認(rèn)識(shí)能力的目的，為學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃中的野外實(shí)踐課程做鋪墊。具體目標(biāo)如下。

1）依托秦皇島實(shí)習(xí)野外構(gòu)造線路虛擬仿真平臺(tái)，建設(shè)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

2）借助學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，虛實(shí)結(jié)合仿真地殼深部“看不見，摸不著”的地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造由“靜態(tài)”向“動(dòng)態(tài)”轉(zhuǎn)換，一動(dòng)一靜的轉(zhuǎn)換，能夠生動(dòng)刻畫出形成構(gòu)造作用演化的過程。

3）為學(xué)生營造一種“沉浸式”的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提升教學(xué)效果。特別是針對(duì)巖石圈的變形及流變行為，進(jìn)行模擬與還原，最大程度地給予學(xué)生視覺上的沖擊，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生探索自然科學(xué)奧秘的熱情。

四? 特色與創(chuàng)新點(diǎn)

（一）? 仿真性和虛幻性

虛-實(shí)結(jié)合一體化課程可實(shí)現(xiàn)三維效果的仿真，模擬客觀世界中當(dāng)前存在或不存在的真實(shí)環(huán)境，有效解決傳統(tǒng)野外教學(xué)地質(zhì)空間和時(shí)間難以建立的難題，特別是針對(duì)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中各種地質(zhì)構(gòu)造，從應(yīng)力的產(chǎn)生—構(gòu)造變形開始—構(gòu)造行跡—構(gòu)造演化—構(gòu)造要素都能夠以三維模擬的形式還原展現(xiàn)出來（圖3）。

（二）? 交互性和沉浸性

虛-實(shí)結(jié)合一體化課程可使學(xué)生獲得多種真實(shí)感知，有身臨其境之感，對(duì)學(xué)生來講是一次絕對(duì)意義上的視覺沖擊（圖3），為其營造一種沉浸式和交互式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)科研素質(zhì)。

（三）? 共享性

加強(qiáng)對(duì)多媒體、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用，只要有網(wǎng)絡(luò)，課程隨時(shí)隨地都可以進(jìn)行，使構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不受時(shí)間、地點(diǎn)等條件的制約。增強(qiáng)與各地礦兄弟院校構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程虛擬仿真平臺(tái)的溝通與交流，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源高度共享，相互學(xué)習(xí)、互補(bǔ)共進(jìn)。

五? 結(jié)束語

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)虛-實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式主要依附于虛擬仿真平臺(tái)，在其強(qiáng)大的功能背景下改善構(gòu)造地質(zhì)學(xué)固有的授課模式。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能、VR等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造變形作用的虛擬建模開發(fā)和虛擬成像，解決地質(zhì)構(gòu)造的時(shí)間與空間尺度問題，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)微型化還原地質(zhì)構(gòu)造作用形成的過程，使課程能夠達(dá)到虛實(shí)結(jié)合、理論與實(shí)踐有效銜接的目的。同時(shí)理論和實(shí)踐授課能夠不再受時(shí)間和空間的限制，甚至能夠同步進(jìn)行，杜絕以往先理論教學(xué)后實(shí)踐教學(xué)，因?yàn)闀r(shí)間空檔而影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果問題的產(chǎn)生。從而使學(xué)生能夠真正理解并掌握構(gòu)造變形的基本類型、構(gòu)造形跡特征、組合模式和地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制，系統(tǒng)掌握構(gòu)造變形的野外觀察、描述、記錄及研究手段，達(dá)到提高學(xué)生的野外地質(zhì)實(shí)踐基本技能和地質(zhì)構(gòu)造空間思維認(rèn)識(shí)能力的目的，最終提高教學(xué)質(zhì)量，探索出一種“智能+教育”的新型構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課程虛-實(shí)結(jié)合教學(xué)模式。

作為地球科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域中重要分支學(xué)科之一，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)在地質(zhì)專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后從事的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中都有著舉足輕重的地位，各地礦類院校的相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生均需要學(xué)習(xí)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的相關(guān)分支課程，比如顯微構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、高級(jí)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等。因此，國內(nèi)從事與構(gòu)造地質(zhì)學(xué)相關(guān)的教學(xué)和科研的地礦類高校及科研院所，應(yīng)該重視虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)，依附平臺(tái)探索構(gòu)造地質(zhì)學(xué)虛-實(shí)一體化課程教學(xué)模式，切實(shí)開展地質(zhì)專業(yè)本科生和研究生的教學(xué)研究改革計(jì)劃，為推動(dòng)地質(zhì)相關(guān)學(xué)科的全面發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

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