地質(zhì)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思考

＊杜 蕾

（西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院 陜西 710065）

自改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)的快速崛起有力地支撐了高等工程教育的發(fā)展，為社會(huì)主義建設(shè)培育了大批優(yōu)秀的科研、工程技術(shù)人員，使我國在各領(lǐng)域特別是重大工程建設(shè)方面取得了矚目的成就。近年來，在走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和經(jīng)濟(jì)全球化的時(shí)代背景下，社會(huì)對工程技術(shù)類人才在技術(shù)創(chuàng)新、工程實(shí)踐及多學(xué)科交叉綜合能力等方面提出了更高要求[1]，為滿足國家和社會(huì)的人才需求，高校人才培養(yǎng)的模式也由知識(shí)技術(shù)型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用創(chuàng)新型，因此如何利用好實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)來培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的高素質(zhì)工程技術(shù)人員已成為當(dāng)前高等工程教育探討的重要問題之一。目前地質(zhì)工程專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)已經(jīng)初步取得成效，可以滿足專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，但針對高成本、高難度以及綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開展，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室顯得有些“力不從心”，通過建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，可以打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間空間局限性，填補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在工程地質(zhì)大型實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和地質(zhì)過程演化等方面的空白，對地質(zhì)工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性

學(xué)者J.Laniar最早提出了虛擬仿真的概念，虛擬仿真技術(shù)是指通過計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)來創(chuàng)建一個(gè)模擬環(huán)境并使用戶沉浸其中，同時(shí)利用各類輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生的電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為用戶可真實(shí)感受到的現(xiàn)象[2]。換言之，虛擬仿真技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)合成一個(gè)人工虛擬的現(xiàn)實(shí)世界[3]。目前虛擬仿真技術(shù)已在影視、娛樂、軍事、設(shè)計(jì)等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是以計(jì)算機(jī)、VR等硬件設(shè)備為平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)、三維建模、人工智能、云計(jì)算、人機(jī)交互以及多媒體等多種現(xiàn)代技術(shù)，仿真模擬各種實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，使學(xué)生在虛擬場景中開展實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的[4]。

對于地質(zhì)工程專業(yè)而言，創(chuàng)新實(shí)踐能力是人才培養(yǎng)質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)，創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)取決于實(shí)踐教學(xué)效果，而實(shí)踐教學(xué)效果的保證必然離不開實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)建設(shè)。近年來，隨著高校工程教育改革的持續(xù)推進(jìn)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投入力度的不斷加大，傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)室在硬件設(shè)施方面已經(jīng)基本配備齊全且目前運(yùn)行狀況良好。但針對地質(zhì)工程專業(yè)而言，目前的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在開展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的部分環(huán)節(jié)中仍然表現(xiàn)出“能力不足”。

首先，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的教學(xué)模式主要為老師講授+學(xué)生練習(xí)，這種教學(xué)模式因受到實(shí)驗(yàn)場所、儀器設(shè)備、時(shí)間和師資等的限制，無法向?qū)W生提供隨時(shí)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上只能完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求的“規(guī)定動(dòng)作”，無法進(jìn)一步滿足學(xué)生完成開放性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的需求。其次，受地質(zhì)工程專業(yè)特點(diǎn)的限制，某些大型實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中開展困難。例如，三軸實(shí)驗(yàn)等專業(yè)課程試驗(yàn)時(shí)間周期長，僅利用有限的課堂時(shí)間難以完成；部分大型現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)成本較高，部分極端高位環(huán)境難以模擬，同時(shí)具有一定危險(xiǎn)性，因此僅依賴傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室很難實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行實(shí)操練習(xí)；而地質(zhì)災(zāi)害的形成等地質(zhì)現(xiàn)象的演變過程更是具有不可模擬性和不可重現(xiàn)性，在實(shí)際教學(xué)中無法直觀向?qū)W生展示。針對此類開展困難的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)教學(xué)中授課教師多利用圖片、視頻等資料，通過講解或演示的形式進(jìn)行，學(xué)生因?yàn)闊o法親身參與實(shí)驗(yàn)過程，對相關(guān)知識(shí)的理解不夠深入，實(shí)際操作能力無法得到鍛煉，因此大大影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果[5]。

針對當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)中存在的困難與問題，將虛擬仿真技術(shù)與地質(zhì)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的補(bǔ)充和延伸，不僅打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間空間使用限制，解決了地質(zhì)工程專業(yè)教育中面臨的周期長、高難度、高成本、高風(fēng)險(xiǎn)實(shí)踐教學(xué)問題[6]。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以使學(xué)生親自操作大型現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，更加深入了解實(shí)驗(yàn)的具體操作細(xì)節(jié)和實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)行地質(zhì)演化過程的模擬，可以更直觀的理解地質(zhì)現(xiàn)象的形成過程，同時(shí)利用虛擬仿真平臺(tái)學(xué)生不僅可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的重復(fù)練習(xí)，加深對實(shí)驗(yàn)的理解，也可以自主設(shè)計(jì)開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和綜合性的工程訓(xùn)練項(xiàng)目，對推動(dòng)地質(zhì)工程創(chuàng)新性、開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力具有重要意義。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)現(xiàn)狀

近年來，依托國家和教育部門的規(guī)劃政策，虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)規(guī)模、種類及發(fā)展速度都有了顯著提升。目前全國已有百余所高校正投身或已完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，具體涉及醫(yī)藥學(xué)、化學(xué)化工、機(jī)械工程、地球科學(xué)、材料學(xué)和土木建筑等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域[7]。其中地學(xué)類專業(yè)目前已建成了中國地質(zhì)大學(xué)（北京）的能源地質(zhì)與評價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心及成都理工大學(xué)的地質(zhì)與巖土工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。目前地學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)雖初見成效，但由于地學(xué)類人才培養(yǎng)中綜合了科學(xué)、技術(shù)和工程，具有一定的復(fù)雜性，因此較其他專業(yè)而言，發(fā)展建設(shè)水平相對滯后[1]。

根據(jù)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及使用情況反饋，我們可以發(fā)現(xiàn)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，兩者互相補(bǔ)充，極大豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，建立起了互動(dòng)式教學(xué)模式，把教與學(xué)有機(jī)結(jié)合起來。根據(jù)各類實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)成本、操作難度、實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)驗(yàn)周期和實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排等具體情況選取合適的實(shí)驗(yàn)形式，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)以實(shí)操實(shí)驗(yàn)為主，高難度和高成本實(shí)驗(yàn)以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為主，綜合提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和效率，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[8]。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)成本高的實(shí)驗(yàn)可以控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，而進(jìn)行高難度、高風(fēng)險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)則補(bǔ)充了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)空白，加深學(xué)生對專業(yè)知識(shí)的理解。同時(shí)利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更易推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)、創(chuàng)新平臺(tái)的建設(shè)，可以為學(xué)生提供多次練習(xí)的機(jī)會(huì)，提高知識(shí)掌握熟練度，拓寬了實(shí)驗(yàn)室使用的時(shí)間、空間限制范圍，從而對于工科類學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)具有重要作用[9]。

3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)存在問題

目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)雖已取得顯著成績，但不能否認(rèn)的是國內(nèi)各高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作多數(shù)仍處于初步探索階段，存在諸多不完善的地方。

（1）對老師和學(xué)生要求過高。一方面，為了實(shí)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的更好融合，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的開發(fā)要求授課教師參與到軟件開發(fā)過程中，這對教師多學(xué)科交叉和知識(shí)綜合應(yīng)用能力提出了較高要求，而目前多數(shù)教師專注于專業(yè)知識(shí)，缺乏多學(xué)科交叉的綜合能力，同時(shí)部分教師由于對虛擬仿真技術(shù)缺乏深入的了解，導(dǎo)致不愿投入過多時(shí)間和精力來開發(fā)和學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，在教學(xué)過程中使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)流為形式，無法發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢。

另一方面，學(xué)生對于虛擬仿真技術(shù)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作等了解甚少，目前各高校未針對虛擬仿真技術(shù)面向?qū)W生開設(shè)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)課程，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上不僅要掌握專業(yè)實(shí)驗(yàn)的操作方法，同時(shí)還要學(xué)習(xí)虛擬仿真軟硬件的使用方法，在有限的課堂時(shí)間中難以實(shí)現(xiàn)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室由于數(shù)量有限、管理嚴(yán)格、維護(hù)困難等原因，目前無法實(shí)現(xiàn)對全體學(xué)生的完全開放使用，導(dǎo)致學(xué)生課下練習(xí)時(shí)間有限，無法保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際效果。而開展工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練對學(xué)生綜合能力和創(chuàng)造性具有更高要求，多數(shù)學(xué)生更是難以達(dá)到。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在問題。部分已建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，為提高虛擬仿真平臺(tái)的利用效率，降低傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室耗材成本，將本來可以進(jìn)行實(shí)操的實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中也使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)代替，導(dǎo)致虛擬仿真實(shí)驗(yàn)比重過高，實(shí)操環(huán)節(jié)缺失，主次顛倒，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)沒有起到應(yīng)有的輔助教學(xué)效果。現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)多僅限于相互獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)?zāi)K[10]，只能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)任務(wù)，而在實(shí)際工作中面臨的工程地質(zhì)問題往往是一個(gè)復(fù)雜綜合的系統(tǒng)過程，對工程技術(shù)人員的多學(xué)科交叉和綜合實(shí)踐能力有較高要求。

4.地質(zhì)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思參

針對當(dāng)前高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室存在的問題，結(jié)合地質(zhì)工程專業(yè)的特點(diǎn)，今后地質(zhì)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)著重從以下幾個(gè)方面加以考慮。

首先，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中我們應(yīng)該始終明確實(shí)操實(shí)驗(yàn)才是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體和核心，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的目的只是作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和延伸，不能一味使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)代替實(shí)操實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，主次顛倒，導(dǎo)致實(shí)踐環(huán)節(jié)缺失，協(xié)調(diào)好實(shí)操實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，兩者各自發(fā)揮優(yōu)勢，相互配合，全面提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

認(rèn)識(shí)到虛擬仿真技術(shù)在高等工程教育中扮演著重要角色，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目不應(yīng)該只存在于實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新案例中，而是要真正落于實(shí)處，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究成果運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)工作中。因此針對當(dāng)前傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)基本完善的背景下，在進(jìn)行下步實(shí)驗(yàn)室建設(shè)總體建設(shè)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)該把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室放在重點(diǎn)發(fā)展的位置。

其次，將專業(yè)教師納入建設(shè)團(tuán)隊(duì)，加深教師對虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢的了解，更好地把技術(shù)和教學(xué)結(jié)合起來，加大對學(xué)生的宣傳工作，使學(xué)生充分了解虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢與特點(diǎn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。培養(yǎng)本校教師作為后期維護(hù)人員，降低后期維護(hù)成本，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室開放平臺(tái)建設(shè)，保證實(shí)驗(yàn)室長期有效服務(wù)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。同時(shí)適當(dāng)加大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的資金投入，利用充足的資金保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的硬件配備和軟件開發(fā)，更好發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能，保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)使用效果。另外可尋求與同類型或同專業(yè)其他大學(xué)進(jìn)行合作開發(fā)，共享建設(shè)成果，節(jié)約成本，避免重復(fù)開發(fā)造成的資源浪費(fèi)[11]。

最后，在具體工作中，結(jié)合本校、本專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作，因勢利導(dǎo)，突出建設(shè)重點(diǎn)，避免照搬照抄。在軟件設(shè)計(jì)中加入豐富的教學(xué)內(nèi)容，利用文字、圖片、視頻等多種多媒體形式，綜合機(jī)器人技術(shù)、大數(shù)據(jù)計(jì)算、三維建模等多種智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互、多人協(xié)作，實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)效果。在完成專業(yè)課程獨(dú)立實(shí)驗(yàn)?zāi)K建設(shè)的基礎(chǔ)上，還需深度挖掘?qū)W科內(nèi)和相關(guān)學(xué)科間各類實(shí)驗(yàn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，逐步建起貫穿本科四年實(shí)踐教學(xué)全過程的綜合性虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，在保證日常教學(xué)的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足學(xué)生開展綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和復(fù)雜工程實(shí)踐項(xiàng)目的需求，從而更好的服務(wù)于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)。

5.結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建能有效地解決地質(zhì)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的開展難度大、試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)周期長等問題。借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的相互配合，通過線上配合線下，虛擬結(jié)合現(xiàn)實(shí)的方式，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩者相互補(bǔ)充、相互配合，更好完成實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，更好落實(shí)教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)，從而培養(yǎng)面向新時(shí)代發(fā)展需求，綜合能力強(qiáng)的工程技術(shù)專業(yè)人員。