基于数字露头的油气地质实践教学方法

摘  要：普通高校实践教学过程中普遍面临着教学资源不足的考验，尤其是油气地质实习领域。由于教学经费与学时的限制，传统地质实习的教学质量往往难以得到保障和提高，虚拟仿真辅助教学是这一问题的有效解决途径。然而，地质实习对虚拟仿真系统的性能与精度提出新的要求，这需要更加精细的技术支持与方法创新。通过研究团队对数字露头技术多年的研究，在深入分析野外地质实习的特点与教学质量影响因素的基础上，提出一套基于数字露头的地质实习辅助教学方法；以长江大学地球科学学院地质实习教学为案例，依托数字油田虚拟实验室，建立地质实习虚拟仿真教学平台；将数字露头技术应用于地质实习教学环节，为学生提供新的学习方法，激发学习积极性，有效提高地质实习教学质量，助推专业双一流建设。

关键词：虚拟仿真；数字露头；地质实习；教学质量；教学方法

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）10-0123-04

Abstract： In the process of practical teaching， ordinary colleges and universities are generally faced with the test of insufficient teaching resources， especially in the field of oil and gas geology. Due to the limitation of teaching funds and hours， it is often difficult to ensure and improve the teaching quality of traditional geological practice， and virtual simulation-assisted teaching is an effective way to solve this problem. However， geological practice puts forward new requirements for the performance and accuracy of virtual simulation systems， which requires more sophisticated technical support and method innovation. Based on the research team's years of research on digital outcrop technology， based on the in-depth analysis of the characteristics of field geological practice and the influencing factors of teaching quality， a set of auxiliary teaching methods for geological practice based on digital outcrop was proposed. Taking the geology practice teaching of the School of Earth Sciences of Yangtze University as an example， relying on the digital oilfield virtual laboratory， a virtual simulation teaching platform for geological practice was established. The application of digital outcropping technology to the teaching of geological practice provides students with new learning methods， stimulates their enthusiasm for learning， effectively improves the quality of geological practice teaching， and promotes the construction of double first-class majors.

Keywords： virtual reality; digital outcrop; geological practice; teaching quality; teaching method

野外地质实践是培养石油地质类人才的重要途径，但野外地质实践教学面临着多重挑战，如学生在野外地质实践时的经历是“一次性”的，事后很难身临其境回顾所学知识；或受许多地质风貌的地形、环境、位置影响，学生不能近距离观察学习；或受限于教学时间、资金预算，不能让学生充分学习等。而在各种数字化技术飞速发展的今天，如何将虚拟仿真等技术应用于地质类实践教学，提升地质教学水平，是地质类教学所面临的问题。

虚拟仿真（VR）技术已经广泛地应用于文化、娱乐、工业制造与教育教学各个领域[1]。在扩充教学资源、提高教学质量的需求驱动下，虚拟仿真技术在教学中的应用得到快速发展[2-6]。国内各大高校纷纷申报组建国家级虚拟仿真实验室和教学中心，成都理工大学就针对矿产勘探相关专业，建设有“三维数字化矿产勘查虚拟仿真系统”，服务于学生的矿山实习教学[7]。

数字露头借助“天-空-地”不同尺度的数据采集与建模技术建立，是地质露头的数字化和定量化载体[8]。卫星遥感（天）精度为米级，一般用于大范围区域地质露头数据的采集与建模；无人机倾斜摄影测量（空）精度为分米～厘米级，一般用于中等范围区域地质露头数据的采集与建模；地面激光雷达（地）精度可达毫米级，一般用于单个露头点数据的采集与建模。长江大学地球科学学院教科研团队基于科研项目，积累了大量的数字露头模型与资料，借助VR技术的支持，将其应用于地质类实践教学过程中，有效提升了教学质量。

但在地质实习过程，不仅需要近距离观察岩层的颜色、岩石结构、化石和沉积构造等微观的地质特征，还需要从宏观角度观察地层接触关系、构造特征与沉积相带发育等，在精度与性能方面，对虚拟仿真技术也提出了新的要求与挑战。笔者所在研究团队多年来致力于高精度数字露头技术的研究，并依托长江大学中央地方共建空间信息工程中心的数字油田虚拟实验室，开展地质实习虚拟仿真教学方法的研究。

一  野外地质实践教学质量影响因素分析

野外地质实习是油气地质实践教学的重要环节，一直受到专业教师与教学管理者的高度重视，如何提高地质实习的教学质量，也是教学工作者研究的重难点。野外地质实习的教学效果，受多方面因素的影响，总的来说，包含以下几个方面。

一是，实践教学环节内容与课时设置。实践教学环节课时越充裕，教学效果越好，但受限于教学计划与培养方案，能设置的野外地质实习课时有限。如何在有限的课时内，安排更为丰富的学习内容，让学生掌握更多的地质知识，一直是地质实习教学工作追求的方向。能否找到一个途径，在较短时间内让学生对全国乃至全世界典型地质现象有一个基本的认识了解，再针对选取的地质实习区域重点研究学习？

二是，实践教学经费限制。高校投入到实践教学环节的经费有一定限度，尤其是普通高校，实践教学经费紧张的问题往往更为突出。但地质实习既是一个知识的学习过程，也是经验的积累过程。是否能找到一个方案，有效克服实践教学经费的限制瓶颈，尽可能多地为学生提供不同区域不同地质特征的露头观察学习？

三是，授课的方式、方法。除了教师自身的教学研究与思考，教学质量的提高，也需要借助新的教学手段与方法。在地质实习的教学环节过程中，是否有比较好的新技术与教学方法值得引入？

四是，学生的学习习惯与能力。有句俗语“只有教不好的老师，没有学不好的学生”，反映出学生的潜力是可以挖掘的，需要我们采用合适的方式方法加以引导。传统的地质实习过程，需要到野外，而且经常安排在暑假假期，学生们需要冒着酷暑顶着太阳在野外实习，条件相对艰苦，一定程度上影响了学生的学习积极性。能否找到一个全新的地质实习的教学模式，实现室内室外相结合，找到一个新的教学方法，使得学生乐在其中？

二  数字露头技术特色

传统野外地质实习存在以下缺点与局限。

第一，劳动强度大，条件艰苦。野外地质实习通常安排在暑假期间，学生需要在高温酷暑的环境下进行长时间的户外活动。这不仅增加了学生的体力负担，还可能导致中暑、晒伤等健康问题，严重影响了实习的效果和学生的身心健康。

第二，可观察范围局限。由于地理和环境的限制，部分重要的地质现象只能远距离观察，无法近距离进行详细研究。这种局限性使得学生难以全面了解地质结构的细节，影响了学习的深度和广度。

第三，宏观性差。在野外实习中，学生的观察范围往往局限于特定的点和线，受到视野和道路条件的限制，很难进行全面的宏观描述和定量测量。这种点、线式的观察方式难以反映地质现象的整体性和复杂性，导致学生对地质结构的理解不够全面和准确。

第四，存在安全隐患。部分露头位置由于特殊的地貌地质条件和道路状况，存在一定的危险性。例如，陡峭的山坡、不稳定岩层、狭窄的道路等都可能对学生的安全构成威胁。因此，这些地点不适合开展大规模的教学活动，限制了实习的范围和深度。

随着摄影测量技术、虚拟仿真技术的发展，数字露头成为新兴的研究领域。国内外部分学者开展了基于激光雷达、高分辨摄影测量建立数字露头的方法。也有学者运用数字露头开展地质特征观察与研究[9-10]。数字露头技术能克服传统地质实习的局限，具有以下优势。

第一，降低劳动强度。传统的地质实习通常需要学生在野外进行长时间的体力活动，如徒步、攀爬等，对学生体能要求较高。而基于数字露头技术，学生可以在虚拟实验室内开展地质实习教学，降低体力消耗，使学生更专注于学习与研究。

第二，宏观特征刻画准确。数字露头技术能对地质结构进行高精度的三维建模，学生可在虚拟平台上对数字露头进行随意缩放，分别从宏观和局部特征观察研究地质特征。这种灵活的观察方式不仅能提高教学的直观性与全面性，还能帮助学生更好地理解地质现象的整体性与复杂性。

第三，定量化刻画方便。借助软件平台提供的专业工具，学生可以方便地进行产状的测量、面积的量算、形状的刻画等。这种定量化的方法不仅提高了数据的精确度，也为后续的研究与分析提供了可靠的数据支持。

第四，保障特殊地质条件下的地质实习过程中学生人身安全。在某些特殊地质条件下，如陡峭的山崖、复杂的地形或存在潜在危险的区域，传统地质实习可能面临较大的安全隐患。而数字露头技术可以在虚拟环境中模拟这些危险场景，学生无需亲临现场即可进行学习和研究，从而有效保障了学生的人身安全。

因此，基于数字露头技术的地质实习虚拟仿真教学方法，不仅是提升教学质量的有效解决方法，还能为学生提供更加便捷、安全、全面的信息平台。

三  基于数字露头技术的地质实习方法

将数字露头技术融入传统的地质实习教学中，开创了“野外+室内”相结合的地质实习新模式。

室内预习与野外实习相结合：以传统的野外地质观察实习为基础，利用先进的数字露头技术，在学生正式进入野外实习前，增设一个室内“预习”阶段。通过高清图像和三维模型等手段，生动、直观地展现即将在野外遇到的各种地质现象，帮助学生提前熟悉并明确重点学习内容。

问题导向的野外实习：鼓励学生带着在室内预习阶段产生的疑问参与实地考察。实习过程中，指导教师会紧密结合前期室内学习的内容，采用“验证式”教学法，即在现场直接验证理论知识，引导学生通过观察和实践来解答疑问，加深理解和记忆。

深化学习与回顾：完成野外实习返回教室后，学生有机会从微观细节到宏观整体，对所见所闻的地质构造进行深入分析和多次复习。这一过程不仅弥补了传统野外实习“一次性”体验的不足，还有助于巩固学习成果，培养学生的独立思考能力和科研素养。