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摘 要：传统实验教学模式正在成为制约现代地质人才培养质量的瓶颈问题。通过引入虚拟仿真技术，模拟高风险、高成本、极端条件下的真实实验，可以破解传统实验教学模式难题。文章分析了地质专业实验教学存在的主要问题，探究了地质专业虚拟仿真实验教学平台建设的重要意义及应用前景。在此基础上，提出了地质专业虚拟仿真实验教学平台建设的具体内容：实验仪器设备安全操作演示视频、基础实验虚拟仿真互动教学系统以及重大灾害过程虚拟仿真实验平台。
关键词：地质专业；实验教学；虚拟仿真；互动教学
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2016）20-0054-02
Abstract： Traditional experimental teaching mode has been the bottleneck that restricts the cultivation of modern geological talents. Therefore， through introduction of virtual simulation technology to simulate high-risk and high-costreal experiments in extreme condition， some problems in traditional experimental teaching mode can be solved. This paper has analyzed the main problems in the experimental teaching of geological specialty and investigated the significance and application prospect of establishing virtual simulation experimental teaching platform for geology students. On the basis of this， we also propose its specific content， including safety operation demo videos of experiment instruments， interactive virtual simulation teaching system of fundamental experiments， together with virtual simulation experiment platform of the process of the major disasters.
Keywords： geology speciality； experimental teaching； virtual simulation； interactive teaching
美國弗吉尼亚大学William Wolf于1989年提出了虚拟实验室的概念，是区别于理论教学与真实实验的第三种设计手段和形式[1-4]。近些年，国内部分高校针对自身的教学与科研需求相继开发了专业相关的虚拟仿真实验项目，推进虚拟仿真实验教学平台的建设[5-6]。虚拟仿真实验具有成本低、可重复、效率高、可扩展、操作安全、高度开放等特点。实验者通过模拟真实实验环境，完成预设实验项目，可以获取较为可靠的实验数据，快速响应实验教学与科研的需求。
地质专业所涉及的实验教学课程多是面向矿山与地下工程领域相关人才培养的核心课程。由于存在较大安全风险，该类实验教学课程一般无法直接在地下矿山等实地开展。此外，由于采矿及覆岩异动过程不可逆、地层内部矿物几何特征不可见、精密仪器实验成本高等问题，加之近些年相关专业招生已达一定规模，使得该类实验教学课程或难以真实开展，或开展的深度与广度不够，成为制约地质人才培养质量的瓶颈。
借助计算机虚拟现实技术，通过科学规划，兼顾地质专业人才培养与地矿类专业地质课程学习，开展地质专业虚拟仿真实验教学平台建设，搭建安全、可靠、直观、经济的非常规实验教学平台，可以模拟高风险、高成本、极端条件下的真实实验。在此基础上，将虚拟仿真实验与真实实验、现场实习相结合，能够破解制约地质人才培养质量的实验教学难题，提升地质专业以及地矿类专业地质课程实验教学整体水平，满足人才培养需求。
一、地质专业实验教学存在的主要问题
2004-2013十年间，我国经济高速发展，能源需求不断增大，使得煤炭产量从19.9亿吨飙升至39.7亿吨，近两年虽然有所下降，但仍维持在38亿吨左右的高位。能源需求速增与地质人才不足之间的矛盾在过去十年间突显，可以概括为：人才总量稀缺，一线人才稀缺，青年人才稀缺，高学历人才稀缺，领军人才稀缺。在这个大背景下，地质专业招生规模持续扩大，但随之而来的人才培养却出现了一些问题，其中最为显著的是毕业生实践技能不足，究其原因，主要是受限于当前地质专业实验教学现状。
（一）安全责任大、生产任务重，现场实践教学难展开
地质专业人才培养的目标，是培养一大批基础理论扎实、工程实践能力强的高级技术人才，尤其实践技能在日常工作中更为重要。目前，地质专业实践技能的培养主要是通过常规实验室教学和野外实习两个环节来实现。这两个环节对于学生实践技能的提升有重要作用，但仍有局限性。只有通过现场实践的磨砺，才能更好的掌握相关技能。然而，企业生产任务重，安全责任大，使得现场实践教学难展开。
（二）深部不可见、致灾机理复杂，常规实验仿真性差
实践教学是地质专业人才培养的关键环节。然而，地质专业研究领域主要涉及地下岩体结构与构造、地下工程、地下水等方面。比如说，地下水在多孔介质中的渗流主要发生在地表以下的岩体中，由于深部且多孔介质内部不可见，导致地下水渗流过程不可见，渗透系数响应机理不明确；又比如说，矿井水害，机理异常复杂，影响因素众多，且灾害过程不可逆。故而，针对地下水渗流和灾害的研究迫切需要通过实验来模拟。但由于常规实验能够模拟的条件有限，导致实验仿真性较差，无法达到研究目的。 （三）物理建模繁冗、传感设备昂贵，常规实验成本高
地质专业研究对象是深部岩体、地下水等。由于覆岩移动过程、突水过程不可逆等特点，使得相关研究需要通过物理建模模拟真实场景，以期把握其规律。由于物理建模既要考虑建模材料的相似性，又要考虑建模条件的充分性，使得建模过程极为繁冗。而且由于过程的不可逆性，物理模型也无法重复使用，每次实验均需重建物理模型。加之，物理模型中的实时响应数据需要通过大量传感设备进行传输，而传感设备价格较为昂贵，使得常规实验成本高。
二、地质专业虚拟仿真实验平台建设意义及应用前景
（一）建设意义
绿色、安全、高效，是地质相关行业的共同愿景。而这一愿景的实现离不开大量基本功扎实、工程素养高、实践能力强的专业技术人才。通过地质专业虚拟仿真实验平台的建设，搭建安全、可靠、直观、经济的虚拟仿真实验教学平台，可以模拟高风险、高成本、极端条件下的真实实验。解决当前地质专业实验教学中存在的安全责任大、生产任务重，现场实践教学难展开；深部不可见、致灾机理复杂，常规实验仿真性差；物理建模繁冗、传感设备昂贵，常规实验成本高等问题。破解制约地质人才培养质量的實验教学难题，提升地质专业相关实验教学整体水平，满足人才培养需求。
开展地质专业虚拟仿真实验教学平台建设，不仅可以提升地质相关专业实验教学整体水平，而且可以为学院申报国家级虚拟仿真实验教学中心做好基础性工作。虚拟仿真实验教学采用虚拟现实的软件和模拟器，可以多次重复，而且安全环保、成本低廉、节约能源。在地质专业大学生实验教学及实践创新能力培养环节中引入虚拟仿真模式，并扩展到企业实践教学，不仅有助于学生对地质专业知识的深入理解和把握，而且可以让学生在实验室就能为企业实践中相关技能的培养打下坚实基础。
（二）应用前景
1. 面向地质类专业开设实验课程
地质专业虚拟仿真实验教学平台的建设，不仅可以服务于本专业学生的实践创新能力培养，而且可以面向全校十多个相关专业，千余人次的本科生进行开放。甚至可以为区域大学生科研训练、课外科技活动及各类创新竞赛服务。成为院、校、区域内各级各类本专科学生实验教学、创新实践及区域经济发展重要的实践基地并发挥实验示范作用，有效的促进各相关专业、学科的交叉、融合发展。
2. 面向行业和国内同类高校辐射
全国其他十余所原煤炭部高校以及其他三十余所非煤高校也招收了地质相关专业的学生，比如河南理工大学、西安科技大学、山东科技大学等。我院地质专业虚拟仿真实验教学平台建设完成以后，可以将该建设模式在该类院校中进行推广，同时将该实验教学改革的成果及资源与行业高校共享，在实验教学研究与人才培养方面相互交流。
三、地质专业虚拟仿真实验教学平台建设内容
地质专业虚拟仿真实验教学平台建设应依据科学规划、层次鲜明、重点突出、资源共享原则推进。通过以下内容的虚拟仿真实验教学平台建设，可以破解地质相关行业的安全生产隐患与大批学生实践困难难题，实现资源共享。为地质类学生实践和创新能力培养开创一条特色之路。主要包括以下几个方面建设内容：
（一）实验仪器设备安全操作演示视频
地质专业实验仪器设备主要包括“同位素比质谱仪”、“等离子体原子发射光谱仪（ICP-72OES）”、“给水度仪”以及“达西仪”等，既有通识类实验教学仪器，又有科研类大型精密仪器。通过实验仪器设备安全操作演示视频、通识类实验教学微课视频的录制，方便学生通过网络学习平台进行在线学习及研究，实现实验教学资源的共享。
（二）基础实验虚拟仿真互动教学系统
地质专业基础实验主要包括“透反两用偏光显微镜观察矿物、岩石及煤标本实验”、“主要煤、古生物及三大类标本实验”以及“达西渗流实验”等。通过建立虚拟仿真互动教学系统，实现该类基础实验的全景透视和沉浸式漫游，以及虚拟互动操作。可以拓展学生思维广度，提升学生综合设计与创新能力。
（三）重大灾害过程虚拟仿真实验平台
矿井水害是地质专业研究的重大灾害之一。采用虚拟仿真技术，实现融合工作面顶板突水、底板突水、断层突水、陷落柱突水以及老坑突水等五类典型矿井水害的形成过程演示及治理方案设计的虚拟现实交互系统。建立一套兼顾教学演示与虚拟实训的仿真灾害实验平台，不仅能够展示震撼性警示教育场景，而且能够强化灾害机理的认识与理解。
四、结束语
地质专业虚拟仿真实验教学平台建设的意义重大，是高等学校信息化建设的重要内容，是争创国家级实验教学示范中心的重要组成部分。将虚拟仿真技术应用到地质专业实验教学中，不仅解决了传统实验教学的局限性，而且有助于破解地质人才培养的瓶颈问题，为地质类学生实践和创新能力培养开创一条特色之路。同时，使得实验教学更具趣味性、创造性、共享性。
参考文献
[1]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015（5）：214-219.
[2]L·约翰逊，S·亚当斯贝克尔.新媒体联盟地平线报告（2013高等教育版）[M].张铁道，殷丙山译.美国奥斯汀，德克萨斯：新媒体联盟，2013：1-19.
[3]NMC Horizon Report.2015 Higher Education Edition[DB/OL].http：/ /cdn.nmc.org/media/2015-nmc-horizon-report-HE-EN.PDF.
[4]M.Mitchell Waldrop.The Virtual Lab[J].Nature，2013，July 18：268-270.
[5]李亮亮，赵玉珍，万志军，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014（2）：5-8.
[6]马文顶，吴作武，李正操，等.采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理，2014（9）：14-18.
关键词：地质专业；实验教学；虚拟仿真；互动教学
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2016）20-0054-02
Abstract： Traditional experimental teaching mode has been the bottleneck that restricts the cultivation of modern geological talents. Therefore， through introduction of virtual simulation technology to simulate high-risk and high-costreal experiments in extreme condition， some problems in traditional experimental teaching mode can be solved. This paper has analyzed the main problems in the experimental teaching of geological specialty and investigated the significance and application prospect of establishing virtual simulation experimental teaching platform for geology students. On the basis of this， we also propose its specific content， including safety operation demo videos of experiment instruments， interactive virtual simulation teaching system of fundamental experiments， together with virtual simulation experiment platform of the process of the major disasters.
Keywords： geology speciality； experimental teaching； virtual simulation； interactive teaching
美國弗吉尼亚大学William Wolf于1989年提出了虚拟实验室的概念，是区别于理论教学与真实实验的第三种设计手段和形式[1-4]。近些年，国内部分高校针对自身的教学与科研需求相继开发了专业相关的虚拟仿真实验项目，推进虚拟仿真实验教学平台的建设[5-6]。虚拟仿真实验具有成本低、可重复、效率高、可扩展、操作安全、高度开放等特点。实验者通过模拟真实实验环境，完成预设实验项目，可以获取较为可靠的实验数据，快速响应实验教学与科研的需求。
地质专业所涉及的实验教学课程多是面向矿山与地下工程领域相关人才培养的核心课程。由于存在较大安全风险，该类实验教学课程一般无法直接在地下矿山等实地开展。此外，由于采矿及覆岩异动过程不可逆、地层内部矿物几何特征不可见、精密仪器实验成本高等问题，加之近些年相关专业招生已达一定规模，使得该类实验教学课程或难以真实开展，或开展的深度与广度不够，成为制约地质人才培养质量的瓶颈。
借助计算机虚拟现实技术，通过科学规划，兼顾地质专业人才培养与地矿类专业地质课程学习，开展地质专业虚拟仿真实验教学平台建设，搭建安全、可靠、直观、经济的非常规实验教学平台，可以模拟高风险、高成本、极端条件下的真实实验。在此基础上，将虚拟仿真实验与真实实验、现场实习相结合，能够破解制约地质人才培养质量的实验教学难题，提升地质专业以及地矿类专业地质课程实验教学整体水平，满足人才培养需求。
一、地质专业实验教学存在的主要问题
2004-2013十年间，我国经济高速发展，能源需求不断增大，使得煤炭产量从19.9亿吨飙升至39.7亿吨，近两年虽然有所下降，但仍维持在38亿吨左右的高位。能源需求速增与地质人才不足之间的矛盾在过去十年间突显，可以概括为：人才总量稀缺，一线人才稀缺，青年人才稀缺，高学历人才稀缺，领军人才稀缺。在这个大背景下，地质专业招生规模持续扩大，但随之而来的人才培养却出现了一些问题，其中最为显著的是毕业生实践技能不足，究其原因，主要是受限于当前地质专业实验教学现状。
（一）安全责任大、生产任务重，现场实践教学难展开
地质专业人才培养的目标，是培养一大批基础理论扎实、工程实践能力强的高级技术人才，尤其实践技能在日常工作中更为重要。目前，地质专业实践技能的培养主要是通过常规实验室教学和野外实习两个环节来实现。这两个环节对于学生实践技能的提升有重要作用，但仍有局限性。只有通过现场实践的磨砺，才能更好的掌握相关技能。然而，企业生产任务重，安全责任大，使得现场实践教学难展开。
（二）深部不可见、致灾机理复杂，常规实验仿真性差
实践教学是地质专业人才培养的关键环节。然而，地质专业研究领域主要涉及地下岩体结构与构造、地下工程、地下水等方面。比如说，地下水在多孔介质中的渗流主要发生在地表以下的岩体中，由于深部且多孔介质内部不可见，导致地下水渗流过程不可见，渗透系数响应机理不明确；又比如说，矿井水害，机理异常复杂，影响因素众多，且灾害过程不可逆。故而，针对地下水渗流和灾害的研究迫切需要通过实验来模拟。但由于常规实验能够模拟的条件有限，导致实验仿真性较差，无法达到研究目的。 （三）物理建模繁冗、传感设备昂贵，常规实验成本高
地质专业研究对象是深部岩体、地下水等。由于覆岩移动过程、突水过程不可逆等特点，使得相关研究需要通过物理建模模拟真实场景，以期把握其规律。由于物理建模既要考虑建模材料的相似性，又要考虑建模条件的充分性，使得建模过程极为繁冗。而且由于过程的不可逆性，物理模型也无法重复使用，每次实验均需重建物理模型。加之，物理模型中的实时响应数据需要通过大量传感设备进行传输，而传感设备价格较为昂贵，使得常规实验成本高。
二、地质专业虚拟仿真实验平台建设意义及应用前景
（一）建设意义
绿色、安全、高效，是地质相关行业的共同愿景。而这一愿景的实现离不开大量基本功扎实、工程素养高、实践能力强的专业技术人才。通过地质专业虚拟仿真实验平台的建设，搭建安全、可靠、直观、经济的虚拟仿真实验教学平台，可以模拟高风险、高成本、极端条件下的真实实验。解决当前地质专业实验教学中存在的安全责任大、生产任务重，现场实践教学难展开；深部不可见、致灾机理复杂，常规实验仿真性差；物理建模繁冗、传感设备昂贵，常规实验成本高等问题。破解制约地质人才培养质量的實验教学难题，提升地质专业相关实验教学整体水平，满足人才培养需求。
开展地质专业虚拟仿真实验教学平台建设，不仅可以提升地质相关专业实验教学整体水平，而且可以为学院申报国家级虚拟仿真实验教学中心做好基础性工作。虚拟仿真实验教学采用虚拟现实的软件和模拟器，可以多次重复，而且安全环保、成本低廉、节约能源。在地质专业大学生实验教学及实践创新能力培养环节中引入虚拟仿真模式，并扩展到企业实践教学，不仅有助于学生对地质专业知识的深入理解和把握，而且可以让学生在实验室就能为企业实践中相关技能的培养打下坚实基础。
（二）应用前景
1. 面向地质类专业开设实验课程
地质专业虚拟仿真实验教学平台的建设，不仅可以服务于本专业学生的实践创新能力培养，而且可以面向全校十多个相关专业，千余人次的本科生进行开放。甚至可以为区域大学生科研训练、课外科技活动及各类创新竞赛服务。成为院、校、区域内各级各类本专科学生实验教学、创新实践及区域经济发展重要的实践基地并发挥实验示范作用，有效的促进各相关专业、学科的交叉、融合发展。
2. 面向行业和国内同类高校辐射
全国其他十余所原煤炭部高校以及其他三十余所非煤高校也招收了地质相关专业的学生，比如河南理工大学、西安科技大学、山东科技大学等。我院地质专业虚拟仿真实验教学平台建设完成以后，可以将该建设模式在该类院校中进行推广，同时将该实验教学改革的成果及资源与行业高校共享，在实验教学研究与人才培养方面相互交流。
三、地质专业虚拟仿真实验教学平台建设内容
地质专业虚拟仿真实验教学平台建设应依据科学规划、层次鲜明、重点突出、资源共享原则推进。通过以下内容的虚拟仿真实验教学平台建设，可以破解地质相关行业的安全生产隐患与大批学生实践困难难题，实现资源共享。为地质类学生实践和创新能力培养开创一条特色之路。主要包括以下几个方面建设内容：
（一）实验仪器设备安全操作演示视频
地质专业实验仪器设备主要包括“同位素比质谱仪”、“等离子体原子发射光谱仪（ICP-72OES）”、“给水度仪”以及“达西仪”等，既有通识类实验教学仪器，又有科研类大型精密仪器。通过实验仪器设备安全操作演示视频、通识类实验教学微课视频的录制，方便学生通过网络学习平台进行在线学习及研究，实现实验教学资源的共享。
（二）基础实验虚拟仿真互动教学系统
地质专业基础实验主要包括“透反两用偏光显微镜观察矿物、岩石及煤标本实验”、“主要煤、古生物及三大类标本实验”以及“达西渗流实验”等。通过建立虚拟仿真互动教学系统，实现该类基础实验的全景透视和沉浸式漫游，以及虚拟互动操作。可以拓展学生思维广度，提升学生综合设计与创新能力。
（三）重大灾害过程虚拟仿真实验平台
矿井水害是地质专业研究的重大灾害之一。采用虚拟仿真技术，实现融合工作面顶板突水、底板突水、断层突水、陷落柱突水以及老坑突水等五类典型矿井水害的形成过程演示及治理方案设计的虚拟现实交互系统。建立一套兼顾教学演示与虚拟实训的仿真灾害实验平台，不仅能够展示震撼性警示教育场景，而且能够强化灾害机理的认识与理解。
四、结束语
地质专业虚拟仿真实验教学平台建设的意义重大，是高等学校信息化建设的重要内容，是争创国家级实验教学示范中心的重要组成部分。将虚拟仿真技术应用到地质专业实验教学中，不仅解决了传统实验教学的局限性，而且有助于破解地质人才培养的瓶颈问题，为地质类学生实践和创新能力培养开创一条特色之路。同时，使得实验教学更具趣味性、创造性、共享性。
参考文献
[1]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015（5）：214-219.
[2]L·约翰逊，S·亚当斯贝克尔.新媒体联盟地平线报告（2013高等教育版）[M].张铁道，殷丙山译.美国奥斯汀，德克萨斯：新媒体联盟，2013：1-19.
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[4]M.Mitchell Waldrop.The Virtual Lab[J].Nature，2013，July 18：268-270.
[5]李亮亮，赵玉珍，万志军，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014（2）：5-8.
[6]马文顶，吴作武，李正操，等.采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理，2014（9）：14-18.