水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量及信息提取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探索

摘要 水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量是開展戰(zhàn)略性礦產(chǎn)定位預(yù)測(cè)的重要技術(shù)手段，其實(shí)際工作過程具有危險(xiǎn)性大、工作周期長、成本高等特點(diǎn)，學(xué)生難以在野外真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量及信息提取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建立了“實(shí)習(xí)區(qū)概況”“采樣方法原理”“野外樣品采集”“室內(nèi)樣品分析與數(shù)據(jù)處理”“信息提取”等從室內(nèi)到室外的實(shí)際工程場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量從野外樣品采集到室內(nèi)綜合研究的全場(chǎng)景、全過程再現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)完成后系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分并實(shí)時(shí)反饋，教學(xué)效果良好，今后將進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，擴(kuò)大共享范圍。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；水系沉積物

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.07.002

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)教育體系中實(shí)踐性教學(xué)的一種組織形式，是高校培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力的直接手段，包括傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[1]。近年來，隨著虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，其憑借低成本、高效、交互性、沉浸性、安全性等優(yōu)勢(shì)在高等教育領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，許多高校利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目逐步運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景中難以完成或具有危險(xiǎn)性的教學(xué)實(shí)驗(yàn)[2-4]，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間形成良好互補(bǔ)，節(jié)省了大量時(shí)間、人力和物質(zhì)資源，有效促進(jìn)了高校教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變[5-8]。自2019 年教育部發(fā)布《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》以來[9]，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目作為虛擬仿真類課程納入一流本科課程建設(shè)，截至目前，國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)上線了2684 個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有效實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)教育資源的共享。

礦產(chǎn)資源是人類社會(huì)生存和進(jìn)步的核心物質(zhì)基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐[10]。關(guān)鍵礦產(chǎn)的勘查、開發(fā)是維護(hù)國家能源安全和經(jīng)濟(jì)安全的重要保障[11]。水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量是對(duì)水系中的沉積物進(jìn)行系統(tǒng)的采樣分析，以發(fā)現(xiàn)與礦化有關(guān)的次生異常，進(jìn)而追索原生礦體的一種找礦方法[12]。其找礦效率高，是開展戰(zhàn)略性礦產(chǎn)定位預(yù)測(cè)的重要技術(shù)手段，也是地學(xué)類專業(yè)學(xué)生的必修課程教學(xué)內(nèi)容。但由于該實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）工作環(huán)境具危險(xiǎn)性（尤其是高海拔、深切割地區(qū)）、野外工作周期長（通常需要數(shù)十天）、采樣數(shù)量也較多（通常達(dá)幾千件）、分析化驗(yàn)費(fèi)用成本高等特點(diǎn)，客觀上制約了在野外真實(shí)場(chǎng)景開展實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）教學(xué)的可行性。因此，該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，大多是通過課堂講解或播放視頻來完成，導(dǎo)致學(xué)生理論和實(shí)踐脫節(jié)，對(duì)所學(xué)知識(shí)缺乏感性認(rèn)知，創(chuàng)新能力得不到很好的培養(yǎng)和提升，難以滿足國家對(duì)戰(zhàn)略性礦產(chǎn)勘查評(píng)價(jià)人才的需求。

成都理工大學(xué)是以地質(zhì)、資源、環(huán)境為優(yōu)勢(shì)的國家“雙一流”建設(shè)高校，為深入貫徹能源資源安全觀和實(shí)踐育人理念，面向“找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)”等國家重大戰(zhàn)略的人才需求，緊扣地球科學(xué)時(shí)空尺度大、綜合性強(qiáng)、環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了“水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量及信息提取”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，將其作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效手段，旨在提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)其實(shí)踐操作能力，在知識(shí)技能運(yùn)用過程中，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化思維的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生解決高海拔、深切割地區(qū)水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量的設(shè)計(jì)、實(shí)施、評(píng)價(jià)等復(fù)雜工程問題的能力，構(gòu)建更加完整的礦產(chǎn)勘查地質(zhì)學(xué)知識(shí)體系，最終達(dá)到優(yōu)化教學(xué)效果的目的。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，該架構(gòu)可通過服務(wù)器升級(jí)完成版本的更新，用戶只需訪問互聯(lián)網(wǎng)，即可查看本系統(tǒng)的客戶端，十分便捷。系統(tǒng)依托開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)運(yùn)行，數(shù)據(jù)接口可在兩者之間無縫對(duì)接，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入平臺(tái)即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過平臺(tái)系統(tǒng)的智能評(píng)分、自動(dòng)批改等服務(wù)功能完成實(shí)驗(yàn)考核成績?cè)u(píng)定。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)分為五層進(jìn)行構(gòu)建，分別為數(shù)據(jù)層、支撐層、仿真層、通用服務(wù)層和應(yīng)用層（圖1）。數(shù)據(jù)層主要存放虛擬實(shí)驗(yàn)的課程庫、典型實(shí)驗(yàn)庫、標(biāo)準(zhǔn)答案庫、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及用戶信息等實(shí)驗(yàn)所需的基礎(chǔ)元件；支撐層設(shè)置了服務(wù)器監(jiān)控、域管理、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)、安全子系統(tǒng)等功能子系統(tǒng)，其主要職責(zé)是負(fù)責(zé)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理；仿真層主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)中的人物、器材及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景提供實(shí)驗(yàn)所需的仿真器，并為通用服務(wù)層提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出；通用服務(wù)層主要包括實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、理論知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)資源管理、智能指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、教學(xué)效果評(píng)價(jià)、實(shí)時(shí)交流與協(xié)同等虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境所需的一些通用支持組件，同時(shí)提供相應(yīng)的集成接口工具，以便第三方虛擬實(shí)驗(yàn)軟件可被集成于平臺(tái)進(jìn)入統(tǒng)一管理；應(yīng)用層是在前述四層建設(shè)完成的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用和開放共享，實(shí)驗(yàn)教師可根據(jù)教學(xué)需要，利用服務(wù)層提供的各種工具和仿真層提供的仿真模型進(jìn)行典型實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涉及的三維模型及其場(chǎng)景的制作、交互及發(fā)布主要基于當(dāng)前主流的虛擬仿真軟件及計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其中，三維模型數(shù)據(jù)來自現(xiàn)場(chǎng)拍照采集和3DsMax 創(chuàng)建，并統(tǒng)一存儲(chǔ)。仿真支持平臺(tái)采用基于.NET 框架的結(jié)構(gòu)形式和Microsoft.NET 運(yùn)行庫。3D 場(chǎng)景瀏覽、交互及功能發(fā)布采用Unity3D 技術(shù)，系統(tǒng)前臺(tái)頁面展示部分采用HTML、CSS 相結(jié)合的形式，并借助Unity Web Player Plugin插件實(shí)現(xiàn)瀏覽器中的3D 場(chǎng)景展示與交互，3D 虛擬場(chǎng)景與頁面通信采用Javascript 編輯腳本實(shí)現(xiàn)。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)內(nèi)容

水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量及信息提取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要包括“實(shí)習(xí)區(qū)概況”“采樣方法原理”“野外樣品采集”“室內(nèi)樣品分析與數(shù)據(jù)處理”“信息提取”“考核評(píng)價(jià)”六大教學(xué)模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高海拔、深切割地區(qū)水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量設(shè)計(jì)、野外樣品采樣、室內(nèi)樣品分析測(cè)試、樣品分析數(shù)據(jù)處理、成礦預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)等室內(nèi)設(shè)計(jì)→野外采樣→室內(nèi)綜合研究的“全鏈條”“全場(chǎng)景”實(shí)際工程過程的高度模擬，解決了學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問題“碎片化”理解的問題，提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

模塊一：實(shí)習(xí)區(qū)概況。包括交通位置、自然地理?xiàng)l件以及地質(zhì)概況，用戶可以通過三維沙盤仿真模型，通過俯視觀察研究區(qū)概況，了解實(shí)習(xí)區(qū)的交通位置、自然地理?xiàng)l件、地層、構(gòu)造、巖漿巖和礦體分布等特征。

模塊二：采樣方法原理。包括勘查地球化學(xué)的原理、地球化學(xué)找礦的主要方法以及水系沉積物測(cè)量的適用條件等，用戶通過自主學(xué)習(xí)掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)。

模塊三：野外樣品采集。模擬了室內(nèi)采樣點(diǎn)布設(shè)、樣品編號(hào)和野外采樣裝備（羅盤、放大鏡、鐵鏟、樣品袋、記錄卡和標(biāo)記罐等）以及野外實(shí)際工程場(chǎng)景，用戶以虛擬工作者的身份使用野外采樣裝備前往虛擬工程場(chǎng)景中，完成指定采樣點(diǎn)的樣品采集。

模塊四：室內(nèi)樣品分析與數(shù)據(jù)處理。室內(nèi)樣品分析主要包括由樣品烘干、混勻、細(xì)碎、縮分裝樣、溶解樣品及液體分析等6 個(gè)要素組成的樣品分析流程，通過各個(gè)環(huán)節(jié)所需實(shí)驗(yàn)工具生動(dòng)地展示了整個(gè)處理流程。數(shù)據(jù)處理主要要素包括描述統(tǒng)計(jì)、直方圖、多元統(tǒng)計(jì)分析（相關(guān)分析、聚類分析、因子分析）以及異常下限計(jì)算（傳統(tǒng)法、EDA 法、含量―面積分形法），通過數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)室樣品分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

模塊五：信息提取。主要包括單元素異常提取、綜合元素異常提取以及異常評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)在虛擬的三維沙盤模型上動(dòng)畫演示異常圖繪制過程，以及如何圈定綜合異常，對(duì)異常信息進(jìn)行評(píng)價(jià)。

模塊六：考核評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)過程中共設(shè)計(jì)了15 道考核題，分布在上述五個(gè)教學(xué)模塊中，其考核評(píng)分邏輯是每一道題設(shè)有1 個(gè)正確答案和多個(gè)錯(cuò)誤答案，每選擇一次錯(cuò)誤答案會(huì)扣分，直至選對(duì)為止，教師可以從學(xué)生選擇答案的錯(cuò)誤頻率以及錯(cuò)誤選項(xiàng)內(nèi)容判斷學(xué)生的真實(shí)掌握情況。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用線上為主、線下為輔的方式進(jìn)行。線下主要由授課教師在實(shí)驗(yàn)課堂引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)操作指南的模擬練習(xí)。學(xué)生在基本掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及線上實(shí)驗(yàn)操作流程后，在線上完成實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可隨時(shí)通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的實(shí)驗(yàn)操作手冊(cè)、PPT 課件、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡介視頻、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作引導(dǎo)視頻等教學(xué)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)過程中及實(shí)驗(yàn)完成后，如果遇到疑問，可隨時(shí)在線尋求授課教師解答。授課教師在線上進(jìn)行集中教學(xué)管理、資源管理、考核管理和線上答疑。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，授課教師還可隨時(shí)通過線上提問等互動(dòng)方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性，對(duì)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拓展延伸學(xué)習(xí)，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能，提高其解決實(shí)際工程問題的能力。實(shí)驗(yàn)中的測(cè)驗(yàn)考核主要側(cè)重于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)操作流程的掌握程度，以賦值評(píng)分的方式計(jì)入考核，最終匯總作為實(shí)驗(yàn)總成績。授課教師可根據(jù)各考題得分情況及最終評(píng)分結(jié)果掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)改進(jìn)。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特色

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)特色

①科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容。將團(tuán)隊(duì)成員參與的國家重大項(xiàng)目的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，重新構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量室內(nèi)設(shè)計(jì)→野外采樣→室內(nèi)綜合研究的“全鏈條”“全場(chǎng)景”實(shí)際工程過程的高度模擬，解決了學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問題的“碎片化”理解問題，加深了其對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論方法的系統(tǒng)性掌握。②虛擬仿真與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的融合。實(shí)驗(yàn)不局限于針對(duì)操作流程的模擬，還將三維仿真與數(shù)據(jù)處理及信息提取相融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理過程及結(jié)果在三維場(chǎng)景中的呈現(xiàn)，多方案的數(shù)據(jù)處理過程體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的高階性和挑戰(zhàn)度。③完善地質(zhì)學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量是地質(zhì)學(xué)類相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的教學(xué)內(nèi)容，但實(shí)際工程場(chǎng)景中開展該實(shí)驗(yàn)存在高危險(xiǎn)、長周期、高成本等問題，而國內(nèi)目前暫無該類型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可有效完善地質(zhì)學(xué)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

4.2 教學(xué)方法特色

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于“以學(xué)生為中心”的原則，模擬了水系沉積物采樣設(shè)計(jì)、野外樣品采集、室內(nèi)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理以及信息提取等“全場(chǎng)景”工程環(huán)境，開發(fā)了多元化的“工程項(xiàng)目式”實(shí)驗(yàn)?zāi)K，由學(xué)生來主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過程，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提升其解決復(fù)雜工程問題的能力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式從傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)向探索型實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變。

4.3 評(píng)價(jià)體系特色

細(xì)化考核點(diǎn)，注重過程考核，強(qiáng)化持續(xù)改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了詳盡的實(shí)驗(yàn)考核要求和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，在一些重要的交互式操作之前，會(huì)有相關(guān)知識(shí)點(diǎn)介紹，操作步驟完成之后還會(huì)針對(duì)性對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行考核，對(duì)學(xué)生經(jīng)常忽略的知識(shí)盲點(diǎn)進(jìn)行查漏補(bǔ)缺；如果問題回答錯(cuò)誤，學(xué)生可以返回上一步再次進(jìn)行操作和答題，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)W(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行全過程記錄，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生答題情況自動(dòng)評(píng)分，并將數(shù)據(jù)反饋給教師，教師可隨時(shí)進(jìn)行在線指導(dǎo)，反饋數(shù)據(jù)也能為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完善和教學(xué)改進(jìn)提供參考。

5 結(jié)語

水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量及信息提取虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式，讓學(xué)生通過高度交互、沉浸體驗(yàn)的方式，身臨其境地去探索水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量的室內(nèi)設(shè)計(jì)、野外樣品采樣、室內(nèi)綜合研究的“項(xiàng)目式”全鏈條實(shí)際工程過程。虛擬仿真教學(xué)讓學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變成主動(dòng)探索，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)理論知識(shí)和基本技能的生動(dòng)呈現(xiàn)，學(xué)生可以突破時(shí)空限制自主學(xué)習(xí)并得到教師的及時(shí)反饋。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)自投入使用以來，取得了較好的教學(xué)效果，今后課程組將根據(jù)校內(nèi)外用戶的使用效果和反饋意見，持續(xù)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，吸納行業(yè)內(nèi)高校教師和企業(yè)專家共建虛擬教研室，擴(kuò)大共享范圍。

*通信作者：陳思

基金項(xiàng)目：教育部產(chǎn)教融合協(xié)同育人項(xiàng)目“新工科背景下礦產(chǎn)勘查課程教學(xué)改革與實(shí)踐研究”（230803579284828）；四川省高等學(xué)校創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“水系沉積物地球化學(xué)測(cè)量及信息提取”；成都理工大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“西南地區(qū)資源勘查工程專業(yè)虛擬教研室的建設(shè)與實(shí)踐”（JG2130001）。

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