全方位、立体式野外地质实习虚拟仿真教学平台构建

收稿日期：2023-05-26                                                          修回日期：2023-07-17

作者简介：丁超，男，讲师，博士，研究方向为盆地构造与油气成藏地质学；宋立军，男，教授，博士，研究方向为盆地分析与构造地质学；唐文，男，讲师，博士，研究方向为复杂地质条件下的地震波场模拟与偏移成像方法。

基金项目：陕西省高等教育学会项目“新时代野外地质实践教学创新创业教育体系构建研究”（XGH21119）；西安石油大学国际学生教育教学改革研究专项“留学生地质综合实习‘虚—实’融合教学改革研究与实践”（JGGJ2023001）

摘    要：为解决传统野外地质实习信息量大，学生地质观、时空观难以建立等问题，文章基于目前已建立的虚拟野外地质实习系统的优缺点，提出全方位、立体式野外地质实习虚拟仿真教学平台构建方案，旨在通过雷达与倾斜摄影测量相结合的三维地质建模方法，建立虚实结合与综合评价相统一的教学体系，拓展地质实习的空间和内容，培养学生的独立思考能力与创新能力。

关键词：鄂尔多斯盆地南缘；地质实习；虚拟仿真；教学平台

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2024）03-0021-04

一、引言

高等教育的根本任务是立德树人。在中国特色社会主义新时代背景下如何培养优秀的地学人才，是地质类高校教师应研究的热点课题。近些年，随着信息技术的不断发展，各种实验实训仿真项目如雨后春笋般不断涌现[1-4]。目前，国内外虚拟野外地质实习系统主要有3种类型：第一类是三维虚拟仿真，即通过传统建模来还原野外地质场景，局部采用地质照片进行表述，优点是野外地质数据采集工作量与信息量较小，缺点是场景还原技术烦琐，缺乏野外地质坐标及地质现象或地质体的真实场景；第二类是基于云端资料与全球开放的地质数据库，开展地质现象的实景演示，配套语音与数据信息，优点是内容直观、真实，系统开发周期短、操作简便，缺点是互动性差，缺乏地质空间感；第三类是虚拟野外地质实习系统，即基于谷歌地图，结合手标本和镜下照片，实现二维电子地图与野外照片相结合、宏观与微观相结合的虚拟仿真教学系统，优点是系统开发成本低、建设快，缺点是无三维实景剖面的还原与支撑。鉴于以上虚拟野外地质实习系统的优缺点，文章所研究的野外地质实习虚拟仿真教学平台采用雷达与倾斜摄影测量相结合的三维地质建模方法，通过多层级、多尺度模型的集成，还原野外真实地质环境，为学生提供身临其境的学习体验，快速提升学生的野外工作综合能力。

二、地质实习概况

21世纪初，西安石油大学地球科学与工程学院成立，目前设有5个本科专业、6个硕士点。野外地质实习作为地质学类相关专业重要的实践环节，贯穿教学全过程。该学院大一的地质认识实习、大二的地质综合实习、大三的专题实习，分别在西安市周边、米仓山、秦皇岛市石门寨、安徽省巢湖市等地的实习基地进行。学院中的每个专业根据教学大纲计划，规定实习时间为2～4周，分为校内基础知识学习与野外地质实习。校内基础知识学习包括实习动员会、区域地质概况讲解、实习路线介绍、实习工具使用、实习报告编写等。野外地质实习包括地质路线踏勘、地质剖面实测、地质填图、信手剖面和素描图绘制、野外记录本填写等。

野外地质实习的主要任务是培养学生的地质技能、地质思维、严谨的工作态度，为学生以后从事地质方面的工作打下良好基础。然而，野外地质实习时间紧、强度大，使得学生野外记录往往出现记录不全、报告不规范、地质空间感和时间感不足等问题，尤其是一些不确定因素的影响，可能导致野外地质实习无法正常进行。

西安石油大学所处的鄂尔多斯盆地南缘构造位置特殊，包括渭北隆起、渭河地堑构及秦岭造山带等二级构造单元，岩石类型较为齐全，地质构造与沉积现象较为丰富，是进行地质实习的理想场所。为此，作者和实习带队教师通过不断地调研和学习，基于鄂尔多斯盆地南缘地质实习，探索并制定出一套全方位、立体式野外地质实习虚拟仿真教学平台建设方案。该平台建成后，既可满足地质类专业学生的认识实习、综合实习、专题实习等需求，还可为地质单位、油田企业的人才培训提供野外地质实习虚拟仿真平台。

三、野外地质实习虚拟仿真教学平台构建

（一）平台建设目标与特色

根据“以学生为中心、以产出为导向、持续改进”的OBE（Outcome Based Education，成果导向教育）理念，构建点、线、面、体一体化时空分布格局。虚实结合的野外地质实习虚拟仿真教学平台，融合了科教育人、探索创新的教学方式，解决了学生在野外地质实习中基本地质知识和技能掌握不牢固、对地质体或地质现象的空间感薄弱、创新能力不足等问题，同时，提升了学生观察描述、独立思考、团结协作等能力。总体目标如下：在野外地质实习前了解区域地质概况，如岩石类型、沉积环境、构造特征等，拓展野外地质实习的空间与实习内容；通过虚拟仿真教学平台的实训，学生强化对地质知识的理解，形成地质演化的时空概念，培养地质思维与创新能力；在虚拟仿真教学平台的交互场景中，学生通过学习模式、考试通关模拟，培养动手操作和观察能力；在野外地质实习路线模拟中，需要多人共同协作完成地层的描述、产状的测量、数据的分析等实习任务，以此培养学生组织协调和团队协作等能力。

与传统野外地质实习相比，虚拟仿真教学平台优势明显：一是具有丰富的数字化野外地质信息，提升了学生野外地质实习的质量和效率；二是虚实结合的地质场景，可以让学生多尺度、多角度观察地质现象，弥补了传统野外地质实习的不足；三是实训不受天气、环境等因素影响，可以安全、便利地完成地质实习；四是通过普通模式与过关模式相结合、教学式与沉浸式相结合、图片与视频讲解相结合等多种学习模式，提升了学生了解地质、热爱地质的兴趣。

（二）平台构架与功能设计

在调研国内外虚拟仿真实习系统的基础上，教学团队重点研讨了北京大学、吉林大学、西南石油大学等高校的虚拟野外地质实习教学系统[5-7]，拟定了虚拟仿真教学平台的基本模块，包括基础数据采集模块、系统功能模块、后台管理模块等。虚拟仿真教学平台的主要功能包括实习路线漫游、实测剖面教学、分析功能、底图的插入与切换、实习路线管理、考核评价管理等。其中，实习路线漫游实现对实习路线的三维飞行漫游，支持踏勘路线在线查看和用户自主设计踏勘路线，并对路线沿途的典型露头进行在线文字介绍、音频或视频讲解。实测剖面教学包括在地质的核心区域进行岩层划分在线讲解、剖面地形分析、在线地层划分与测量（如长度测量、面积测量、高度测量、角度测量）。分析功能支持实时等高线提取与剖面地形分析，提供沿线飞行模拟及围绕某个地质点位（露头）进行环绕飞行。底图的插入与切换包括地形图、地质图、高清影像等数据的切换，同时支持经纬度定位和地名搜索。根据平台内容权限的设定，师生可以根据各自的需要和兴趣点对实习路线进行添加、编辑和删除等操作。考核评价主要是依据学生完成实习情况、单元测试与综合测试成绩、PPT汇报情况综合打分，管理的功能权限由教师控制。

（三）地质路线的数据采集设计

基于无人机的倾斜摄影技术、三维扫描技术和近景摄影测量技术，获得口镇、铜川市、韩城市、延安市、宜川县（壶口）等剖面高清晰三维模型，以及对相应剖面采集的手标本进行高精度三维建模。虚拟仿真教学平台基于数据采集共设计了5条地质路线，包括太古界、古生界、中生界、新生界的地层，以及各种构造变形、断裂、植物化石等。

1.淳化石桥—泾阳口镇—富平金粟山地质路线

设计野外实习观察点8个。

地层与岩石：中奥陶统马家沟组白云岩、灰质白云岩、白云质灰岩，上奥陶统平凉组薄层灰岩，中二叠统石盒子组、上二叠统石千峰组长石质石英砂岩和岩屑长石砂岩。构造现象：口镇-关山断裂、圣人桥北逆冲断层、圣人桥南正断层、东风渡-响洛潭地层皱褶。外动力地质作用：碳酸盐岩地层差异风化，溶洞，冶峪河的下切作用与侧向侵蚀作用，河流阶地。

2.铜川金锁关—焦坪地质路线

设计野外实习观察点5个。

地层与岩石：上三叠统延长组长8、长9油层组长石砂岩，长7油层组张家滩页岩，长4+5油层组长石砂岩，下侏罗统延安组石英长石砂岩或长石砂岩，中侏罗统安定组粗砂岩，下白垩统宜君组、洛河组含砾砂岩或砾岩。构造现象：节理与断层、动植物化石。外动力地质作用：风成砂岩、球形风化等。

3.临潼骊山冷水沟地质路线

设计野外实习观察点4个。

地层与岩石：始新统红河组粉砂岩与砂岩、中新统寇家村组砂岩与砾岩、上新统灞河组砂岩与含砾砂岩、第四系洪积扇砾岩层与黄土。构造现象：阶梯状正断层、张节理。外动力地质作用：黄土沉积、滑坡与崩塌。

4.韩城薛峰川—禹门口地质路线

设计野外实习观察点16个。

地层与岩石：太古界涑水群片麻岩、长城系霍山组石英砂岩；古生界寒武系、奥陶系灰岩和白云岩，上石炭统本溪组石英砂岩，下二叠统山西组、中二叠统石盒子组砂岩，上二叠统石千峰组长石砂岩、粉砂岩；中生界中下三叠统刘家沟组至纸坊组砂岩、含砾砂岩，上三叠统延长组长10至长1油层组长石砂岩和岩屑长石砂岩。构造现象：渭河地堑北部边界的反转断层、正断层、节理。外动力地质作用：黄河向源侵蚀、河漫滩、河流阶地。

5.延安—壶口地质路线

设计野外实习观察点5个。

地层与岩石：中下侏罗统延安组延6油层组石英长石砂岩、延10油层组厚层砂岩，中下三叠统纸坊组砂岩，上三叠统延长组长6油层组长石砂岩和岩屑长石砂岩。构造现象：断层与节理。外动力地质作用：壶口瀑布、黄河河床与河漫滩、中国陆上第一口油井与地表油苗。

（四）地质路线教学中的思政元素融入

1.职业素养

坚持以科学的态度看待地质问题、分析地质问题，培养实事求是、不断创新的科学精神。在金锁关淌泥河—何家坊地质路线教学中，首先教师讲述上三叠统延长组长7油层组张家滩页岩的岩性特征、地层沉积构造现象、古生物化石情况等知识，其次学生自行观察与分析，最后师生讨论张家滩页岩的沉积环境与地质意义。在教学过程中，涉及了油气成因的两种观点，一种是有机成因说，另一种是无机成因说。根据野外地质观察与分析，结合地层含有的古生物情况，分析得出油气的来源应属于有机成因。而油气无机成因说，主要是学者基于宇宙的行星和陨石中含有甲烷，以及地球上火山活动中形成的烃类气体提出的。两种观点都有相应的地质证据，不能完全否定任一观点，以此培养学生严谨的科学态度和分析复杂地质问题的能力。

2.团队合作

在解决地质学领域复杂科学问题时，学生应能够寻求多学科的团队合作，具备组织、协调和管理能力。在野外地质实习中，团队合作贯穿实践全过程，尤其在野外踏勘阶段最为突出。在开展野外地质实习前，5～7名学生组成一组，每个学生在组内有相应的分工，并配备地质工具。在野外实测地形剖面教学过程中，教师先讲解实测地形剖面的方法、数据记录的内容和格式，然后带领学生测量一两个导线，剩下的实测工作则让学生独立完成。在学生开展野外地形实测过程中，教师一方面要检查数据的内容和格式是否正确，另一方面要提醒学生注意安全。同时，应强调学生之间的相互合作，保证每个学生都能积极地投入到野外地质实习中，各尽其职，各负其责。