淺析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地?zé)岬刭|(zhì)教學(xué)科研中的應(yīng)用

男達(dá)瓦劉昭格桑尼瑪郎旭娟劉麗伏羅拉次旺成佳旋

(1.西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地?zé)岬刭|(zhì)大隊(duì)，西藏 拉薩 850032；2.河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，河北 石家莊 050031；3.河北地質(zhì)大學(xué)校醫(yī)院，河北 石家莊 050031)

全球范圍內(nèi)，地?zé)豳Y源利用量持續(xù)增長，開展地?zé)豳Y源利用的國家已經(jīng)達(dá)到88個。據(jù)2020年世界地?zé)岽髸蟾?，在地?zé)嶂苯永梅矫?，裝機(jī)容量已達(dá)到107727MWt，較2015年增長52%；在地?zé)岚l(fā)電方面，裝機(jī)容量已達(dá)到15950MWe，較2015年增加27%，并預(yù)測世界地?zé)岚l(fā)電增速將有所放緩。我國的地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量為34.896MWe，水熱地?zé)豳Y源地?zé)峁┡b機(jī)容量為14160MWt，溫泉洗浴及療養(yǎng)地?zé)崛萘繛?747MWt，地源熱泵裝機(jī)容量26450MWt[1]；相對于快速增長的地?zé)嶂苯永枚裕覈責(zé)岚l(fā)電進(jìn)展緩慢。鄭克棪對我國地?zé)岬陌l(fā)展歷程和前景進(jìn)行了展望，分析了地?zé)岚l(fā)展滯后、不均衡的原因，對未來我國地?zé)岚l(fā)展進(jìn)行了展望[2]；朱傳慶等對地?zé)岙a(chǎn)業(yè)存在的問題及地?zé)釋W(xué)科專業(yè)建設(shè)提供了針對性的建議[3]。《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出因地制宜開發(fā)利用地?zé)崮?，隨著2023年世界地?zé)岽髸⒃谖覈匍_，“十四五”期間我國地?zé)崮荛_發(fā)產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入快速發(fā)展期，預(yù)計全國對地?zé)岬刭|(zhì)專業(yè)人才的需求量將呈現(xiàn)增長趨勢。

目前，地?zé)岬刭|(zhì)相關(guān)教學(xué)實(shí)踐資源建設(shè)相對滯后，因此在地?zé)衢_發(fā)利用不平衡、不充分的背景下，探索“雙碳”目標(biāo)下地?zé)岬刭|(zhì)教學(xué)科研虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)案例建設(shè)，加強(qiáng)高層次地?zé)釕?yīng)用人才培養(yǎng)，為碳中和技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展提供急需的地?zé)岬刭|(zhì)專業(yè)人才顯得尤其重要。而實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)是其中的重要環(huán)節(jié)，通過將地?zé)岬刭|(zhì)有關(guān)實(shí)體實(shí)驗(yàn)、科研過程及結(jié)果虛擬實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生更好地將理論學(xué)習(xí)應(yīng)用于實(shí)際中去，提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)；不僅豐富地?zé)岬刭|(zhì)專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容，而且相關(guān)教學(xué)科研成果可更好地向社會公眾進(jìn)行科學(xué)普及。

1 研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtualreality，VR)是以計算機(jī)技術(shù)為核心，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面近似的數(shù)字化環(huán)境。VR從產(chǎn)生之初就受到許多行業(yè)的高度關(guān)注，特別是需要消耗大量人、財、物以及具有危險性的應(yīng)用領(lǐng)域。VR也被廣泛應(yīng)用于公共安全、工業(yè)設(shè)計、醫(yī)學(xué)、規(guī)劃、交通和文化教育等行業(yè)和部門[4,5]。

任升蓮等闡明了VR技術(shù)在地學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用前景及實(shí)施方法，建議采用非沉浸式或半實(shí)物虛擬仿真的方法實(shí)現(xiàn)地學(xué)虛擬教學(xué)的方案[6]；梁秀娟等利用VR技術(shù)建立相關(guān)的地質(zhì)、水文地質(zhì)模型和專業(yè)模型，對含水層結(jié)構(gòu)、地下水流、地下水質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題進(jìn)行了虛擬表達(dá)[7]；邱隆偉探討了VR技術(shù)在地學(xué)類課程教學(xué)中的應(yīng)用前景，其應(yīng)用有助于促進(jìn)教學(xué)環(huán)境的完善和教學(xué)理念的改變[8]；彭博從VR技術(shù)概念、主要特征及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀等，分析了VR在教育教學(xué)及成人教育中的應(yīng)用前景[9]；周訓(xùn)等開展了地下熱水循環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，很好地提升了學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)[10]；蘇小惠探討了VR技術(shù)在風(fēng)景園林設(shè)計應(yīng)用前景及存在的技術(shù)問題[11]；韓雙彪等將復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象與VR技術(shù)結(jié)合，探討了能源地質(zhì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性、建設(shè)思路、功能效果及應(yīng)用前景[12]；羅珽等討論了該技術(shù)在地球科學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢與前景，以及進(jìn)一步拓展應(yīng)用水平還需要解決的相關(guān)問題[13]；閆佰忠等通過融合大數(shù)據(jù)和虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建了基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室、室外實(shí)驗(yàn)場、校外實(shí)踐基地和多種專業(yè)軟件仿真模擬的“四維度”水文地質(zhì)教學(xué)實(shí)踐平臺，并得到了很好的應(yīng)用[14]。

已有的研究及應(yīng)用成果為本次研究提供了很好的參考，VR技術(shù)在地?zé)岬刭|(zhì)教學(xué)及科研應(yīng)用過程中，應(yīng)結(jié)合高校及科研院所實(shí)際需求、緊密結(jié)合已有地?zé)岬刭|(zhì)教學(xué)科研成果，將有關(guān)實(shí)驗(yàn)、科研過程通過VR技術(shù)呈現(xiàn)，提升師生的專業(yè)素養(yǎng)；并不斷探索將產(chǎn)學(xué)研相關(guān)成果向社會公眾進(jìn)行科普，提高公眾的科學(xué)素養(yǎng)。

2 發(fā)展趨勢及存在的問題

隨著有較高智能化程度的生產(chǎn)工具的研制，VR作為一種全新的顯示方式，正在不斷滿足人們對于信息可視化變革的期待。尤其在VR與地球科學(xué)專業(yè)結(jié)合的領(lǐng)域，通過學(xué)科交叉與綜合協(xié)同研究，將地球科學(xué)學(xué)科前沿與高新技術(shù)融合，使VR技術(shù)成為地球科學(xué)研究的一種重要技術(shù)手段，為地球科學(xué)學(xué)科的發(fā)展帶來新的變革，尤其在地?zé)岬刭|(zhì)交叉熱點(diǎn)學(xué)科中的應(yīng)用，將極大地推動其學(xué)科建設(shè)與發(fā)展。目前VR領(lǐng)域的重要技術(shù)問題包括：VR環(huán)境的智能程度較低；用戶可交互可操作的功能有限；虛擬和真實(shí)世界的融合繁瑣低效；對象演化模式缺乏生命力；虛擬環(huán)境呈現(xiàn)的整體沉浸感不足。此外，目前VR內(nèi)容比較稀缺，形式較為單一，難以滿足行業(yè)領(lǐng)域?qū)R內(nèi)容大眾化、個性化生產(chǎn)的迫切需求[15,16]。

結(jié)合地球科學(xué)行業(yè)特色高校學(xué)科的特色，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地?zé)岬刭|(zhì)教學(xué)科研中的應(yīng)用，應(yīng)緊緊抓牢為培養(yǎng)高質(zhì)量創(chuàng)新型應(yīng)用人才的主線，讓學(xué)生掌握國內(nèi)外地?zé)岬刭|(zhì)學(xué)研究理論和應(yīng)用方面的動態(tài)；建設(shè)過程中用圍繞地?zé)岬刭|(zhì)學(xué)的主要研究方法，綜合地下水科學(xué)、固體地球物理學(xué)基礎(chǔ)及構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等學(xué)科知識，充分借鑒科研院所、地質(zhì)礦產(chǎn)、煤炭及石油類高校相近和類似地?zé)岬刭|(zhì)學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容，既突出地?zé)崂碚摶A(chǔ)的學(xué)習(xí)，又注重地?zé)岬刭|(zhì)學(xué)的實(shí)際應(yīng)用；并緊密結(jié)合科研項(xiàng)目進(jìn)行案例講授，將野外地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查、樣品采集及分析、室內(nèi)資料等過程通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展現(xiàn)出來，系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生掌握地?zé)岬刭|(zhì)相關(guān)研究的科學(xué)方法，充分運(yùn)用已有的聯(lián)合培養(yǎng)基地，結(jié)合場地案例鍛煉學(xué)生的野外能力,創(chuàng)新“產(chǎn)教融合、科教融匯”協(xié)同育人機(jī)制；探索將教學(xué)科研成果利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行呈現(xiàn)，向社會公眾進(jìn)行科學(xué)普及。

3 結(jié)論

通過上述資料整理及分析，得出以下結(jié)論及建議。

結(jié)合高校、科研院所的實(shí)際需求，開展地?zé)岬刭|(zhì)相關(guān)課程建設(shè)，增加特色的地?zé)岬刭|(zhì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計、地?zé)岬刭|(zhì)實(shí)踐環(huán)節(jié)等教學(xué)內(nèi)容。將地?zé)岬刭|(zhì)有關(guān)教學(xué)及野外獨(dú)特的現(xiàn)象(間歇泉、水熱爆炸、地?zé)崮芫C合開發(fā)利用等)進(jìn)行虛擬實(shí)現(xiàn)，將理論學(xué)習(xí)與實(shí)際運(yùn)用結(jié)合，提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)。

整合已有地?zé)岬刭|(zhì)教學(xué)及科研成果，將科研過程及結(jié)果通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示出來，豐富地?zé)岬刭|(zhì)專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容。

高溫水熱型地?zé)豳Y源。選取西藏典型的羊八井、羊易及古堆地?zé)崽镩_展案例教學(xué)，介紹高溫地?zé)崽锶绾谓?jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行勘探、開發(fā)及利用，為區(qū)域高溫地?zé)峋C合利用及工程建設(shè)項(xiàng)目熱害防治服務(wù)。

中低溫水熱型地?zé)豳Y源。選取雄安新區(qū)及校園開展地?zé)岬刭|(zhì)學(xué)相關(guān)研究案例教學(xué)，服務(wù)國家節(jié)能減排和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，支撐雄安新區(qū)深部地?zé)崆鍧嵞茉锤咝ч_發(fā)利用，推進(jìn)綠色校園建設(shè)進(jìn)程。

巖熱型地?zé)豳Y源。以山東招遠(yuǎn)為例，探明該地區(qū)巖熱型地?zé)豳Y源潛力，探索單井換熱技術(shù)應(yīng)用，助力區(qū)域新舊動能轉(zhuǎn)換戰(zhàn)略。

結(jié)合“世界水日”“世界地球日”等主題活動，聯(lián)合科研院所及地勘一線單位，將地?zé)岬刭|(zhì)相關(guān)成果利用虛擬技術(shù)進(jìn)行呈現(xiàn)，開展地下水深部循環(huán)、節(jié)能減排、碳中和等科技志愿服務(wù)，面向大中小學(xué)及社會公眾進(jìn)行科普。