礦產形成、勘查與開發虛擬仿真實驗教學中心建設思路與進展

呂新彪，徐四平，陳志軍，石萬忠，張夏林，楊明星，王 莉，張 峰，鄭 坤

（中國地質大學（武漢），湖北 武漢 430074）

礦產資源勘查工程是實踐性、綜合性和應用性很強的工科本科專業，它不僅需要現代地球科學基礎理論和礦產勘查科學理論的理論基礎，而且和礦產資源的尋找、勘查和開發工程密切相關。以往在資源勘查工程專業的本科學生培養中，除了強調數理化基礎和專業課程理論學習外，特別強調專業工程實踐［1－2］。目前學生實踐環節主要包括野外現場觀察、室內手標本和各類顯微標本觀察，結合文字及相關圖件來分析地質現象和過程。這些實踐多為片斷性和間接性的，很難完整、生動、客觀地表述礦產形成的過程和勘查開發過程。虛擬仿真技術在一定程度上可以很好地解決這一問題。

1 虛擬仿真實驗教學是解決專業理論學習和工程實踐教學難題的先進手段

1.1 礦產資源形成的特點

礦產資源是地球運動和演化的自然產物，其形成經歷了極為漫長的地質歷史，形成地質環境和條件復雜多變，大量礦產是在幾百萬至幾十億年前地殼中形成的，我們現在基本不可能觀察到這樣的地質過程。隨著現代地球科學理論的發展和探測技術的進步，人類對礦產形成環境和條件、成礦作用過程、分布規律等認識日益深刻，并已形成了較為完整的理論知識體系。現實世界的礦產指人類能夠開發利用的特殊礦物集合體或巖石。它具有以下特點：

（1）區域性。由于受地殼物質組成、結構和演化歷史的差異制約，礦產空間分布具有的不均衡性，往往表現為空間上的區域性，反映獨特的地質背景和成礦條件。

（2）綜合性。具有跨越自然和社會經濟兩大學科領域，它是地質各要素之間的相互關系，以及基于社會需求的各種技術經濟要素共同組成的特殊自然系統。

（3）空間性。礦產是客觀存在的、賦存于地殼一定的空間范圍之內的可利用物質體，其產出和分布具有一定的空間規律。

（4）歷史性。礦產是在漫長的地質歷史時期形成的特殊自然之物，在不同的歷史階段，其表現出不同的地質特征，一個大型礦床往往是不同地質歷史階段產物的復合體，因此，演繹礦產形成的歷史也是礦產地質科學的重要內容［3－4］。

1.2 學習成礦理論、掌握資源勘查與開發工程的難點

學習和掌握成礦理論是開展礦產資源地質找礦、勘查、開發的基礎。過去我們對礦產形成理論知識的表述、學習和傳播，主要采用文字描述加圖片示意來解決。通常，只有擁有大量的野外感性認識、地質思維分析能力和豐富的想象力的學習者，才能較好地理解礦產形成的理論。對初學者來講，如何在較短的時間內，較好地了解和掌握礦產屬性、形成條件、成礦作用和分布規律等方面的知識與理論，成為一個“瓶頸問題”。此外，目前人類開采利用的絕大多數礦產隱伏于地下，探明和表征其存在的形式、規模、產狀和儲量計算是一件資料整理繁雜、信息處理量大、各類圖件編繪復雜的工作，需要在采用各種探測手段（地質填圖、地球物理與地球化學測量等）和實施山地工程（鉆探、槽探、坑道工程等）進行揭露，在獲取大量地下信息和數據的基礎上，用手工編制大量圖件、表格加文字來表述和計算。因此，礦產勘查與開發工程具有高成本、高風險和高投入的特點。對于學生而言，學習礦產地質科學知識，僅靠書本知識學習和野外現場觀摩學習是很不夠的，而參加礦產勘查和開發工程實踐，面臨周期長（1～2年）、費用高、環境危險的狀況。因此，如何讓學生深刻理解礦產形成條件、機制和規律等理論知識，掌握勘查開發工程的基本方法和技術，提高學生認知能力和工程實踐能力，成為礦產地質科學專業教學中的重點和難點［5－6］。虛擬仿真技術將是解決上述教學難點和重點的較為理想的途徑和手段。

1.3 虛擬仿真技術的特點和在礦產地質學中應用

虛擬（Virtual Realitv）仿真（Simulation）或稱為模擬現實，是基于計算機技術、信息技術和可視化技術等用一個系統模仿另一個真實系統的現代先進科學技術。虛擬仿真系統依托計算機，可以通過人的視覺、觸覺、聽覺等進行現實情況的再現［7］，其有別于其他視頻和多媒體的基本特點有：

（1）仿真性。一方面，虛擬環境給人的各種感覺與所模擬的客觀世界非常相像，一切感覺如同在真實世界一樣；另一方面，當人置身于此，并以自然的行為作用于虛擬環境時，環境做出的反應也符合客觀世界的有關規律。如當我們進入一個虛擬的采礦坑道觀察礦石時，如果敲擊礦石，則會造成礦石碎裂，露出內部的礦物組成和結構，從而顯示礦石的組構特征。

（2）虛幻性。既可以模擬客觀世界中以前存在過的或是現在真實存在的環境，也可模擬出客觀世界中當前已不存在，但可以推演出的環境，如二疊紀中國南方特第斯大洋某些區域的沉積環境的虛擬，可以對某些礦床形成過程進行模擬。

（3）交互性。虛擬仿真系統中，不僅環境能夠作用于人，人也可以對環境進行控制，而且人可以通過工具對環境進行改變，如對礦體進行虛擬的測量、鉆進、采掘等，且這種過程可以通過某種條件的改變而產生不同的結果。

（4）沉浸性。虛擬仿真系統中，使用者可獲得視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運動感覺等多種感知，從而獲得身臨其境的感受［8－9］。

虛擬仿真技術的這些特點對于學生需要去野外觀察、描述、分析各類野外地質現象非常有用，讓學生能在實驗室條件下就獲得豐富的地質資料。理想的虛擬仿真系統應該具有能夠給人所有感知信息的功能［10］。近20多年來，在傳統礦產地質調查和探測技術基礎上，結合現代計算機技術、信息技術、數字模擬技術和三維可視化技術等，已可以實現虛擬成礦地質環境、模擬成礦地質過程、虛擬再造各地質歷史時期大陸和海洋的分布及地殼基本結構和構造格架，以及不同地質歷史階段的全球構造動力學環境、構造運動和成礦地質作用，甚至可以虛擬一個地區（或礦區）的地殼三維結構和礦產體的內部結構與分布特征，并可以在虛擬礦山環境下，開展礦產勘查、開發和評估的設計與工程實驗。我們對礦產的認識和表征已從外部特征靜態描述發展為內部三維結構動態模擬，從定性描述到定量模擬，從二維表達到三維可視化仿真，從大量二維圖紙設計到虛擬三維設計，并可實現虛擬地質特征。

總之，成礦地質理論和現代科學技術的重大進步為我們構建礦產形成、勘查、開發虛擬仿真實驗教學系統奠定了良好的理論和技術基礎。通過礦產虛擬中心的實驗教學平臺，學生不僅可以直觀、便捷和高效地學習掌握地質學、礦床學、礦產勘查與開發的理論知識，深刻理解礦產形成的背景、條件和分布規律，而且可以通過虛擬的三維礦產地質模型，開展大量礦產地質調查、礦產勘查設計、工程方案制定、儲量計算和經濟評價等工程實踐，甚至可以通過補充新的野外觀測數據，在虛擬環境下開展勘查工程科學研究和工程實踐，提出成礦新觀點和新認識，深化成礦理論，可見，虛擬仿真技術在地質礦產領域中的應用，具有明顯的優越性［11］。

2 礦產形成、勘查與開發虛擬仿真實驗教學中心的建設

2.1 建設思路

中國地質大學（武漢）建設“礦產形成、勘查與開發虛擬仿真實驗教學中心”（下簡稱礦產虛擬中心）以礦產資源為主要實驗對象，以培養礦產資源勘查開發領域高素質創新人才為目的，在我校國家級固體礦產勘查實驗教學示范中心平臺基礎上，依托我校 “礦產普查與勘探”、“礦物學巖石學礦床學”和“地球探測與信息技術”3個國家二級重點學科，以及“地質過程與礦產資源”國家重點實驗室，堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，將地球科學和現代成礦理論等與計算機技術、數字模擬、三維可視化技術和網絡技術手段結合，來構建一個新型的多環境、多層次、大時間尺度的虛擬仿真實驗教學系統。學生可以通過網絡和軟件平臺，進入本系統，實現多環境、多層次空間、多視角下對礦產資源形成演化過程和礦產屬性、組構、時空結構等的觀察，虛擬礦山環境下的勘查和開發設計與實施。

2.2 基本構架和建設內容

礦產虛擬中心建設的核心是虛擬仿真實驗教學平臺構建。為此，我們利用現有國家及省級實驗教學示范中心和產學研野外基地豐富的教學資源，已初步建成了3個礦產虛擬仿真實驗教學平臺，即固體礦產資源形成與勘查開發虛擬仿真平臺、油氣形成與勘查開發虛擬仿真實驗教學平臺和珠寶玉石設計與加工虛擬仿真平臺。這3個虛擬仿真實驗平臺既相對獨立，又密切聯系，它們分別針對3類不同的礦產資源開展虛擬條件下的模擬實驗或虛擬工程設計。由于物質屬性和應用特點的不同，各實驗平臺的實驗項目也各有不同。同時，各實驗教學平臺與各自相應的實物實驗室構成了“虛實結合、相互補充”完整的實驗教學系統。基本涵蓋了我校在礦產資源領域相關專業的教學大綱中規定的理論學習、勘查與開發工程設計和產品研發等實驗教學。

2.2.1 固體礦產資源形成與勘查開發虛擬仿真平臺

該平臺主要針對固體礦產資源的形成、勘查、開發等相關課程實踐要求，開發了多個子平臺，如：

（1）“礦床形成過程模擬”，包括13個重要礦床類型的模擬；

（2）“礦田構造應力場模擬”，這是運用巖石力學、構造地質學、流體力學和數值模擬等理論和方法，模擬和仿真礦田構造的形成、變化與成礦物質充填過程，并通過不同應力場參數和邊界條件的改變，來模擬構造控礦的機理和規律；

（3）“礦山與勘查虛擬設計”，對一個重要的礦床類型，建立一個虛擬礦山，使學生能深入地下，觀察礦體、礦石的組構、分布和品位變化等礦床屬性，并開展勘查工程設計，并對不同設計方案進行技術和經濟評價；

（4）“礦山開采方案虛擬設計”，該平臺可以讓學生通過對開采礦體的物質組成、結構構造和品位、厚度等分析，設計多種開采方案，并對其進行經濟評價，從而使學生掌握科學合理的設計思路和方法。

2.2.2 油氣形成與勘查開發虛擬仿真平臺

該平臺以油氣資源為對象，重點虛擬仿真油氣形成的環境、油氣成藏過程、油藏開發過程和開采等。已初步開發的實驗項目和特點見表1。

表1 油氣虛擬仿真實驗平臺已開設的實驗項目

表1 （續）

3.2.3 珠寶玉石虛擬仿真實驗教學平臺

該平臺重點針對天然寶玉石的形成和加工實驗而開發了一系列實驗項目，見表2。

表2 珠寶玉石虛擬仿真實驗教學平臺開設的實驗項目

為了有效保障虛擬仿真實驗教學平臺的運行，管理好礦產虛擬中心各實驗教學平臺的教學過程和學生實驗安排，中心依托校園虛擬網絡建立了一個基于云環境的虛擬仿真實驗教學基礎與管理服務平臺，該平臺負責為中心各虛擬仿真實驗教學平臺提供虛擬環境，并建立與其他實際實驗教學中心的連接，對各類數據資源、實物對象數據（礦床實例庫、標本庫、影像庫）和儀器設備等的分配、調用、整合和管理，其基本構架見圖1。

3 礦產虛擬中心建設的體會和發展方向

近年來，我校通過對礦產虛擬中心的建設，不僅改變了專業教學的理念和教學方式，增強了學生自主學習的信心和興趣，全面提升了教學水平和效率，而且對培養學生的探索精神、工程實踐能力和創新意識發揮了重要作用。通過該中心的建設，我們體會到：

（1）要深刻理解虛擬仿真實驗系統在實踐教學中的重要性和必要性，認識到其在工程實踐教學中與實物實驗的互補性，不能替代實物實驗教學；

（2）虛擬仿真實驗教學系統的建設要有針對性和目的性，要盡量發揮其能夠模擬仿真一些我們無法實際建造或直接觀察到的客觀實體或環境，減少危險性和降低成本的作用；

（3）建設虛擬仿真實驗平臺（或項目），要有很強的可操作性和互動性，便于學生學習和實際操作，要以互動性和可變性為核心，讓學生能發揮主動學習和創造能力；

（4）虛擬仿真實驗教學中心的作用能否發揮好，教學和管理團隊的配合非常重要，教師是中心的主導者，學生是主體，管理人員是保障。

圖1 礦產資源形成與勘查開發虛擬仿真實驗教學中心基本構架圖

我校礦產虛擬中心的建設還處于初級階段，如何更好地與理論教學和實體實驗結合，還需要不斷探索和創新。我們相信，虛擬仿真技術在礦產勘查和開發領域具有廣闊的應用前景［12－13］。特別是近幾年來網絡技術、人工智能和通訊技術等新技術的發展，為虛擬仿真實驗系統的發展提供了新的技術平臺，猶如目前國際上興起的“幕課（MOOC）”，虛擬仿真實驗也將借助于網絡技術和通訊技術等，成為新的一種學習和實踐方式，虛擬仿真系統為礦產勘查開發提供一個全新的研究平臺，它具有安全、經濟、可控、便于觀察、便于參與、實用、無破壞性、可多次重復、整體性等特點，可以對各種礦產領域的認知、設計、決策的效果與作用進行分析比較，以做出科學合理的選擇。

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