劉 財(cái), 杜曉娟, 高淑貞, 潘保芝, 陸繼龍, 郭 巍, 陳 晨,陳祖斌,肖長來
(吉林大學(xué) 地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,吉林 長春 130021)
在《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》[1]、《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》[2]和教育部“關(guān)于組織開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知”[3]精神指導(dǎo)下,吉林大學(xué)依托應(yīng)用地球物理國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,集中地質(zhì)、地球物理、地質(zhì)儀器與鉆探儀器、水文與水資源、計(jì)算機(jī)技術(shù)等優(yōu)勢資源,搭建了地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。借鑒國內(nèi)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)[4-8],設(shè)計(jì)和建設(shè)了基礎(chǔ)訓(xùn)練平臺(tái)項(xiàng)目、綜合訓(xùn)練平臺(tái)項(xiàng)目與創(chuàng)新訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)項(xiàng)目,經(jīng)過建設(shè)被教育部批準(zhǔn)成立國家級(jí)地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(下稱中心)。
地質(zhì)資源是國家戰(zhàn)略資源,石油、天然氣被稱為工業(yè)的血液,金屬及非金屬固體礦產(chǎn)是工業(yè)的糧食,水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。資源的開發(fā)與利用以資源探測為手段,以查明儲(chǔ)量為前提。
地質(zhì)資源立體探測就是對(duì)于同一地區(qū)或同一種資源(固體礦產(chǎn)或油氣等)分別在空中、地面、地下進(jìn)行探測,取得信息,為進(jìn)一步解釋研究和資源開發(fā)奠定基礎(chǔ),如圖1所示。

圖1 地質(zhì)資源立體探測示意圖
空中探測是通過遙感遙測、航空探測等技術(shù)手段,獲取距離地面不同高度的探測數(shù)據(jù)(信息);地面探測是在地球表面應(yīng)用地質(zhì)勘探、地球物理勘探、地球化學(xué)勘探、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘探等技術(shù)手段,獲取地面探測信息;地下探測是應(yīng)用鉆機(jī)獲取地下巖芯資料,應(yīng)用地球物理測井技術(shù)獲得地球內(nèi)部一定深度的地球物理信息。對(duì)空中、地面和地下探測信息的綜合研究,可以建立探測區(qū)地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等綜合解釋“標(biāo)尺”,刻畫探測區(qū)地下物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu),揭示構(gòu)造背景及成礦動(dòng)力學(xué)過程,研究成礦規(guī)律,建立成礦模型,開展成礦預(yù)測和資源潛力評(píng)價(jià),拓展資源勘查空間等。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),獲取空中、地面和地下探測信息是關(guān)鍵問題。該問題也是地質(zhì)資源探測類學(xué)生能力培養(yǎng)的重要方面,因此需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行地質(zhì)資源立體探測技術(shù)的綜合訓(xùn)練。
然而,賦存于地下、具有巨大歷史跨度的地質(zhì)資源形成過程看不見、摸不著,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中難以再現(xiàn),而復(fù)雜的地質(zhì)作用和礦產(chǎn)賦存狀態(tài)在真實(shí)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)中也無法重復(fù)。同時(shí)野外探測儀器、鉆探裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、操作難度較大,有的還具有一定危險(xiǎn)性。地質(zhì)資源立體探測真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有時(shí)間和空間的局限性。
為了克服上述局限性,建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,研究探測方法本身具備虛擬仿真特性,應(yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬仿真和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),虛擬地下條件變化,通過數(shù)值模擬、人機(jī)交互操作和仿真儀器、裝備及其探測過程,獲取空中、地面與地下信息,使學(xué)生對(duì)看不見、摸不著的資源賦存狀態(tài)及其地球物理響應(yīng)產(chǎn)生直觀認(rèn)識(shí),完善地質(zhì)資源探測技術(shù)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐體系,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)資源立體探測。
地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè),為地質(zhì)資源探測類科學(xué)研究方法的擴(kuò)展和本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段與教學(xué)方法的創(chuàng)新創(chuàng)造了有利條件,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)與應(yīng)用,對(duì)于改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、激發(fā)學(xué)生研究興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力都具有非常重要的意義。
中心的建設(shè)理念是實(shí)現(xiàn)“野外現(xiàn)場室內(nèi)微型化、物理定理定律可視化、數(shù)值算法過程動(dòng)態(tài)化、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)化”。在建設(shè)過程中以實(shí)踐教學(xué)大綱為依據(jù),以地質(zhì)資源立體探測人才實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和綜合素質(zhì)提高為目標(biāo),以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)和平臺(tái)建設(shè)為重點(diǎn),發(fā)揮學(xué)科專業(yè)全、技術(shù)方法全、訓(xùn)練層次全、師資隊(duì)伍強(qiáng)的優(yōu)勢,堅(jiān)持科研成果轉(zhuǎn)化機(jī)制,用高水平科研成果豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充,完善實(shí)踐教學(xué)體系。通過現(xiàn)代化信息手段和探測區(qū)域資源庫建設(shè),實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開放和共享。
中心在基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合訓(xùn)練和創(chuàng)新訓(xùn)練3個(gè)平臺(tái)上開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),面向地質(zhì)類、水利類、儀器類、測繪類、地理科學(xué)類、環(huán)境科學(xué)與工程類、地質(zhì)學(xué)類、地球物理學(xué)類等12個(gè)專業(yè),建設(shè)30個(gè)基礎(chǔ)訓(xùn)練和綜合訓(xùn)練虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,建設(shè)探測區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,形成系統(tǒng)化、分層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的優(yōu)化配置和集成共享。專業(yè)分布如圖2所示。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心面向?qū)I(yè)一覽
中心按照科學(xué)規(guī)劃、虛實(shí)結(jié)合、資源共享、持續(xù)發(fā)展的建設(shè)思路,通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉融合、培養(yǎng)學(xué)生地質(zhì)資源立體探測的專業(yè)視野及綜合分析能力。強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練,提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,提升專業(yè)綜合素養(yǎng)[9]。建成具有示范、引領(lǐng)作用的地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)是中心的重點(diǎn)任務(wù)之一。中心按照基礎(chǔ)訓(xùn)練平臺(tái)、綜合訓(xùn)練平臺(tái)和創(chuàng)新訓(xùn)練平臺(tái),提升、完善和建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。同時(shí)選擇具有良好科學(xué)研究與教學(xué)建設(shè)基礎(chǔ)的探測區(qū),建設(shè)綜合教學(xué)資源庫,支撐上述3個(gè)平臺(tái)項(xiàng)目建設(shè),以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)資源立體探測綜合訓(xùn)練目標(biāo)。教學(xué)項(xiàng)目總體框架如圖3所示。

圖3 虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目總體框架
本平臺(tái)項(xiàng)目依據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱,針對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)材料等方面的局限性,開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)可視化、人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)化。完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求的效果。項(xiàng)目類別與結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)訓(xùn)練平臺(tái)虛擬仿真項(xiàng)目框架
本平臺(tái)項(xiàng)目依據(jù)實(shí)習(xí)教學(xué)大綱,針對(duì)野外實(shí)習(xí)過程中地下情況看不見、摸不著,儀器、裝備價(jià)格昂貴,不適宜學(xué)生實(shí)際操作,達(dá)不到實(shí)習(xí)效果等方面的局限性,開發(fā)虛擬仿真實(shí)習(xí)教學(xué)項(xiàng)目,針對(duì)探測儀器與裝備、探測環(huán)境、探測目標(biāo)等進(jìn)行虛擬仿真,實(shí)現(xiàn)可視化、人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)化,使學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成地質(zhì)資源探測的實(shí)際訓(xùn)練,提高學(xué)生的實(shí)踐能力和工程素質(zhì)。訓(xùn)練項(xiàng)目如圖5所示。

圖5 綜合訓(xùn)練平臺(tái)虛擬仿真項(xiàng)目一覽
創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是學(xué)生個(gè)人或?qū)W生小組在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)以及其他實(shí)踐活動(dòng)的基礎(chǔ)上,自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、在教師的指導(dǎo)下,進(jìn)行研究性學(xué)習(xí),自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì),對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析,寫出研究報(bào)告及發(fā)表研究論文的過程。中心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,可以支撐地質(zhì)資源立體探測相關(guān)專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新研究項(xiàng)目,包括基礎(chǔ)性研究項(xiàng)目、綜合性研究項(xiàng)目和設(shè)計(jì)性研究項(xiàng)目,使學(xué)生利用探測區(qū)地質(zhì)資料、物化遙數(shù)據(jù)、鉆探數(shù)據(jù),構(gòu)建地下地質(zhì)體模型,進(jìn)行地質(zhì)資源立體探測的有效方法選擇、工作流程設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證等綜合訓(xùn)練;也可為學(xué)生提供探測區(qū)域地質(zhì)綜合資料,輔助開展相關(guān)地質(zhì)資源探測問題研究。
中心在遼寧興城吉林大學(xué)實(shí)踐教學(xué)基地、大慶油田和長春周邊實(shí)習(xí)教學(xué)基地區(qū)域內(nèi),分別選擇地質(zhì)學(xué)研究程度高,礦產(chǎn)地質(zhì)、油氣地質(zhì)和水文與工程地質(zhì)條件好的區(qū)域,作為探測區(qū)。在各探測區(qū)建設(shè)綜合數(shù)據(jù)庫,包括地形、地貌、地層、構(gòu)造、巖石、礦產(chǎn)、巖石力學(xué)、巖石物性、巖石成分、水、遙感、氣象等模塊,同時(shí)建設(shè)探測儀器數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建探測儀器的信息感知、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)預(yù)處理等功能的理論模型,建立地下信息屬性探測與儀器參數(shù)之間的耦合關(guān)系,實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)所需的相關(guān)操作功能。探測方法原理數(shù)據(jù)庫,為學(xué)生提供了地質(zhì)資源立體探測的探測方法、原理和數(shù)值模擬算法等內(nèi)容。該數(shù)據(jù)庫是基礎(chǔ)訓(xùn)練模塊、綜合訓(xùn)練模塊和創(chuàng)新訓(xùn)練模塊的支撐,也為學(xué)生自主設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)提供條件和環(huán)境。
中心重視教師隊(duì)伍建設(shè)及其可持續(xù)發(fā)展,堅(jiān)持專業(yè)理論教師和虛擬仿真技術(shù)研發(fā)教師并重,專職與兼職教師結(jié)合,校內(nèi)與校外教師互補(bǔ)的原則,構(gòu)建了一支科研教學(xué)水平高、技術(shù)研發(fā)能力強(qiáng)、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的師資隊(duì)伍。隊(duì)伍結(jié)構(gòu)合理,青年教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員加入到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)隊(duì)伍中來,更有利于中心的建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展。目前,中心校內(nèi)教師規(guī)模123 人,其中具有正高職稱人員59人,占全部師資隊(duì)伍的48.0%,具有副高職稱22人,占全部師資隊(duì)伍的17.9%,中級(jí)職稱38 人,占全部師資隊(duì)伍的30.1%。99 人具有博士學(xué)位,占全部師資隊(duì)伍的80.5%,教師組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。中心教師尤其是青年教師已經(jīng)具備虛擬仿真項(xiàng)目研發(fā)的基礎(chǔ)能力,有多項(xiàng)開發(fā)的虛擬仿真項(xiàng)目用于本科生實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí)教學(xué)中。

圖6 中心教師組成結(jié)構(gòu)圖
應(yīng)特別贊許的是中心與本校計(jì)算機(jī)教學(xué)中心在師資隊(duì)伍建設(shè)等方面的良好合作。吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心是省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,計(jì)算機(jī)教學(xué)中心教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員為本中心項(xiàng)目建設(shè)與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供技術(shù)支撐。計(jì)算機(jī)教學(xué)中心教師在軟件工程與軟件自動(dòng)化、分布式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)智能等研究方向取得了國內(nèi)外公認(rèn)的成果,在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)方面具有較強(qiáng)的研究能力,取得的高層次仿真項(xiàng)目成果得到認(rèn)可。計(jì)算機(jī)技術(shù)與地質(zhì)資源立體探測技術(shù)交叉融合,已經(jīng)成為新的研究方向和學(xué)科生長點(diǎn),兩個(gè)方向已經(jīng)聯(lián)合培養(yǎng)本科生和博士研究生,并交換博士后研究人員。
地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在建設(shè)過程中不斷研究與創(chuàng)新,形成了自己的特色。
(1) 多學(xué)科多方法集成,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)資源立體探測實(shí)踐教學(xué)體系。地質(zhì)資源立體探測涉及到多個(gè)學(xué)科,如地質(zhì)資源與地質(zhì)工程、測繪科學(xué)與技術(shù)、環(huán)境科學(xué)與工程、水利工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)等,分散在不同學(xué)科和不同實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心中,彼此關(guān)聯(lián)度不足。中心以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為牽引,集成多學(xué)科、多方法的優(yōu)勢,共同建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,在實(shí)踐教學(xué)層次上實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科、多方法的綜合。
(2) 實(shí)踐項(xiàng)目體現(xiàn)大地質(zhì)工程特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)方法、儀器、探測目標(biāo)一體化。中心虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè),體現(xiàn)了大地質(zhì)工程的特點(diǎn),即以地質(zhì)任務(wù)為目標(biāo),集中多學(xué)科、方法、技術(shù)與儀器,分別獲取空中、地面、地下綜合信息,有利于學(xué)生綜合能力和工程意識(shí)的培養(yǎng)。克服了傳統(tǒng)實(shí)習(xí)過程中儀器、方法和目標(biāo)脫節(jié)的弊端。在實(shí)踐教學(xué)層次上實(shí)現(xiàn)了方法、儀器、探測目標(biāo)一體化。
(3) 為學(xué)生在大學(xué)階段知識(shí)與能力轉(zhuǎn)化搭建了平臺(tái)。學(xué)生在大學(xué)階段不僅學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)和專業(yè)知識(shí),更重要的是提高能力,提升素質(zhì)[10]。實(shí)踐訓(xùn)練是學(xué)生專業(yè)能力提高與專業(yè)素質(zhì)提升的重要環(huán)節(jié)。中心虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè),為學(xué)生搭建了平臺(tái)。學(xué)生根據(jù)中心教學(xué)資源庫提供的真實(shí)數(shù)據(jù)和資料,在虛擬仿真環(huán)境中,學(xué)生根據(jù)學(xué)到的探測方法和儀器,自主完成測區(qū)設(shè)計(jì),取得探測結(jié)果,在學(xué)校階段運(yùn)用典型探測區(qū)實(shí)際資料,自主完成實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目,將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決科研和生產(chǎn)實(shí)際問題能力,培養(yǎng)了創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力[11-12]。
(1) 加強(qiáng)信息化建設(shè)。提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心信息化建設(shè)水平,建立資源共享的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)交流平臺(tái),進(jìn)一步加強(qiáng)與校內(nèi)、校外、高校、科研院所和開發(fā)企業(yè)在系統(tǒng)研發(fā)和軟件制作等方面合作共享。進(jìn)行教學(xué)資源動(dòng)態(tài)管理,達(dá)到網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源高效快捷應(yīng)用。
(2) 完善共建共享機(jī)制。以機(jī)制創(chuàng)新促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的可持續(xù)發(fā)展,進(jìn)一步創(chuàng)新虛擬教學(xué)資源的共建機(jī)制,采用引導(dǎo)性投入,吸引地質(zhì)資源相關(guān)企業(yè)和單位投入虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè),共同開展虛擬教學(xué)資源的開放和應(yīng)用推廣。
(3) 深化校企合作。以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)為牽引,擴(kuò)大與合作企業(yè)合作的深度和廣度,包括共建可視化實(shí)驗(yàn)室、合作建設(shè)地質(zhì)資源立體探測可視化實(shí)驗(yàn)課程和教材、擴(kuò)展“雙導(dǎo)師制”培養(yǎng)本科生的范圍等。完善與合作企業(yè)的共建、共管、共用的實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)與共享機(jī)制。建立起校企合作“互利互惠”的激勵(lì)機(jī)制,推進(jìn)校企合作可持續(xù)發(fā)展。
[1] 中華人民共和國教育部. 教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見[Z].2012.
[2] 中華人民共和國教育部. 教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)[Z].2012.
[3] 教育部高教司.關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知:教育部高教司函:[2013]94號(hào)[Z].2013.
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