三維地層認知虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)

李 斌，付敬帥，張小娟，孫世剛，蘇生瑞，李 鵬

（長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054）

高等學校的實驗室肩負產(chǎn)學研任務，是重要的教學活動、科學研究基地[1-2]，在相對薄弱的本科實踐教學環(huán)節(jié)上具有不可替代的作用[3]。虛擬仿真實驗教學無疑是推進現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學深度融合、促進高等教育內(nèi)涵式發(fā)展的重要舉措[4]，事實上，也代表著中國高等教育實驗教學發(fā)展的重要方向。網(wǎng)絡環(huán)境下在線學習的實驗教學新方式，不只為學生開展探究式自主實驗、共享式學習和能動創(chuàng)新性實踐提供了信息化手段和可視化平臺[5-6]，而且契合了新工科[7]發(fā)展和新時代要求，可更有效激發(fā)學生求知欲、動手欲、感知欲。在虛擬仿真實驗的三維集成環(huán)境里，學生可靈活安排時間、綜合運用多種信息技術(shù)手段，通過虛擬逼真的實驗場景和數(shù)字形象的模型對象，以開放、自主、交互方式，高效、安全、經(jīng)濟地進行各種實驗活動，使成本高、難重復、有危險的實體教學實驗得以虛擬仿真完成且可隨意重復，既能總體實現(xiàn)真實條件下的教學效果[8]，又能收獲即使實體、現(xiàn)場也難達到的實驗體驗[9-10]。

為了推動虛擬仿真實驗教學的開展，教育部于自2017 年起，啟動了國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目的認定工作[11]。2018 年長安大學的“三維地層認知虛擬仿真實驗”獲得地質(zhì)類項目陜西省教育廳認定[12]，自此承載該實驗的虛擬仿真系統(tǒng)正式上線運行[13]。該系統(tǒng)依托教育部重點實驗室的地質(zhì)工程虛擬仿真實驗室自主開發(fā)建立，在長安大學地學類3 個本科專業(yè)“地質(zhì)構(gòu)造學”課程實驗教學中發(fā)揮輔助作用，助力創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[14]。

傳統(tǒng)的扁平式地層教學方式受實驗設備和實驗場地條件限制較大，而且靈活的可視認知不足。若能在計算機網(wǎng)絡環(huán)境下進行虛擬地層仿真實驗，無疑能改變傳統(tǒng)實驗短板并彌補不可見、難再現(xiàn)的缺憾[15-16]，進而拓展實驗空間、革新實驗手段、提高實驗效果。虛擬仿真實驗系統(tǒng)支撐下的三維地層認知實驗，能幫助學生更容易完成實驗任務，且高效鞏固課堂所學，助力地層教學實驗步入新境界。

1 虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)目標

地層三維可視化技術(shù)[17]是三維地層認知虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)的模型與技術(shù)基礎(chǔ)。對地層的三維數(shù)字建模依賴地質(zhì)鉆孔、地質(zhì)剖面和地裂縫（可視為淺表斷層）[18]等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。作為研究地殼中巖石（層）受地質(zhì)作用發(fā)生變形規(guī)律及其機理的地學本科核心課程之一，構(gòu)造地質(zhì)學探討的雖是小區(qū)域、小構(gòu)造[19]，但解決的卻是工程地質(zhì)大問題[20]。

構(gòu)造地質(zhì)學實踐性較強，隱伏的地層往往不可見，傳統(tǒng)的實驗教學方式難以滿足現(xiàn)代地層認知、學習的需要，因此本研究開發(fā)了三維地層認知虛擬實驗系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)仿真功能，在計算機環(huán)境下進行地層認知實驗，以取代（至少是補充）過去野外或室內(nèi)的地層物理模型實驗。基于虛擬仿真實驗系統(tǒng)，地層可三維呈現(xiàn)、要素可精確量算、鉆孔可虛擬設置、地層可直觀切割，現(xiàn)實不可見的抽象地層瞬間成為虛擬仿真下逼真的可見地層。因此，不確定、不直觀、難重復、量化差等眾多地層認知難題，在虛擬仿真實驗系統(tǒng)中有望一一化解，且成本低、安全性好、效率高。

B/S 的虛擬仿真實驗系統(tǒng)（總體架構(gòu)如圖1 所示）提供的功能是依據(jù)實驗內(nèi)容和要求定制而成的。

系統(tǒng)建設的目標是：

（1）實驗內(nèi)容和任務完全在虛擬仿真的實驗環(huán)境下，對照三維地層模型通過人機交互方式進行操作和完成；

（2）實驗流程和具體操作涵蓋地層三維建模及其視圖導航、地層操作、要素量算等多個知識點，貫穿實驗、考核、習題等全部環(huán)節(jié)；

圖1 虛擬仿真實驗系統(tǒng)B/S 架構(gòu)

（3）實驗系統(tǒng)具備地層三維模型分層顯示、分類展示、巖性查詢、空間要素量算、地層剖切等多種功能，實驗操作可有效提高學生對地層三維模型使用、識讀、判斷、分析等綜合能力；

（4）實驗過程不僅便于學生多快好省地認知地層，構(gòu)建完整、直觀、量化的地層結(jié)構(gòu)知識體系，而且宜于培養(yǎng)學生利用現(xiàn)代信息技術(shù)快速獲取知識、信息的能力，不僅拓展學生的專業(yè)視野，改變學習觀念，甚至增強專業(yè)認同感和學習自信心。

2 虛擬仿真實驗系統(tǒng)設計要點

作為三維地層認知虛擬仿真實驗的宿主程序，虛擬仿真系統(tǒng)要能提供虛擬場景下地層立體認知所需的再現(xiàn)、操作、分析的全過程、全要素、全方位整體數(shù)字解決方案，實際有效解決基于圖紙進行的實驗地質(zhì)構(gòu)造研判抽象、不直觀、難重復的現(xiàn)實難題。

為此，虛擬仿真系統(tǒng)的功能設計是關(guān)鍵，地層模型的建立是基礎(chǔ)。地層模型基于地質(zhì)剖面、地層鉆孔等真實數(shù)據(jù)，采用分區(qū)建模思想，應用TIN+GTP 混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在顧及地裂縫的前提下建構(gòu)完成[21-22]。從視圖導航、模型操作、查詢量算、地層分析和外圍服務這5 方面所涵蓋的18 個知識點的操作入手，對虛擬仿真系統(tǒng)的功能進行了系統(tǒng)詳細設計和艱辛探索[13]。搭建功能完備實驗平臺的目的和任務就是借助虛擬仿真技術(shù)，三維再現(xiàn)地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)，在虛擬仿真環(huán)境下模擬地層形態(tài)、分析地層特征、量算地層要素，即用虛擬仿真技術(shù)手段和直觀形象的認知方式，實現(xiàn)對地層認知的高效率、可重復再現(xiàn)。

建立的虛擬仿真實驗系統(tǒng)由5 個功能模塊組成，對接實驗項目的18 個知識點（如圖2 所示）。

（1）視圖導航模塊包括旋轉(zhuǎn)平移縮放、視點控制、第一人稱視角等功能；

（2）模型設置模塊包括拔高系數(shù)設置、分層顯示、分類展示和巖性著色等功能；

（3）查詢量算模塊包括地層巖性查詢、距離與面積量算等功能；

圖2 虛擬仿真實驗系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

（4）三維分析模塊包括虛擬鉆孔、地層剖面、地層剖切等功能；

（5）外圍服務模塊包括用戶登錄、實驗考核和習題練習等功能。

3 虛擬仿真實驗系統(tǒng)特色

本虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)本著“它山之石”（以非地質(zhì)的GIS 技術(shù)開發(fā)實驗平臺）“可以攻玉”（解決地質(zhì)工程等地學專業(yè)的地層認知實驗問題）的初衷，完全獨立自主開發(fā)完成。系統(tǒng)采用了流行、成熟、便于推廣的B/S 架構(gòu)搭建，所用工具包括：

（1）開發(fā)平臺：IntelliJ IDEA 2018、Vscode。

（2）編程語言：JAVA、JavaScript。

（3）后臺數(shù)據(jù)庫：PostgreSQL10+PostGIS2.5。

由于自主開發(fā)，系統(tǒng)后期的維護便利，開放性好，可塑性強。依托科研項目真實數(shù)據(jù)建立的實驗用三維地層模型可靠，實驗流程完整，功能內(nèi)容對接，實驗既能強化學生基于現(xiàn)代信息技術(shù)手段從網(wǎng)絡獲取知識的能力，也能解決不直觀、重復難、成本高、示教差等問題。系統(tǒng)集成、開通的網(wǎng)站討論區(qū)和網(wǎng)絡討論群，方便用戶進行線上討論、線下交流，從而全方位提升了實驗樂趣和學習效果。

學生通過網(wǎng)絡和終端設備，通過在線導航、量算、分析完成斷層、斷面、斷距等地層認知實驗中涉及的教學內(nèi)容，既解決了以往對操作流程認識不足的問題，又為實驗設計、參數(shù)變化提供了可能，還加深了對地層相關(guān)概念的理解。相比傳統(tǒng)實體實驗教學，學生主動參與度提高，學習靈活性加強。

不僅如此，系統(tǒng)還具備登錄、習題和考核等實用功能。以知識點評價指標體系為考核依據(jù)，考核按占比，虛實結(jié)合在線進行，主要涉及模型操作、查詢量算和三維分析等要點。作為考核結(jié)果的實驗報告總體能反映學生在線實驗內(nèi)容掌握程度、實驗操作熟悉程度、地層認知完整程度等。

可見，立足三維地層認知實際需要開發(fā)的本虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，在模型操作、網(wǎng)絡互動和自主探究方面形成一定特色。

（1）模型操作靈活。通過鉆孔數(shù)據(jù)等真實數(shù)據(jù)建立實際地層三維模型，并在直觀形象、身臨其境的系統(tǒng)環(huán)境下，通過豐富的操作功能，虛擬仿真實驗系統(tǒng)能夠全方位展示地層形態(tài)結(jié)構(gòu)，量測地層表面對象距離，量算地層表面對象多邊形區(qū)域面積，剖切地層獲取似斷層的地裂縫斷距特征信息，使學生在系統(tǒng)提供的虛擬實驗場景中進行地層認知實驗。

（2）網(wǎng)絡互動方便。在教師的組織引導下，學生通過網(wǎng)絡在線學習地層相關(guān)知識、掌握系統(tǒng)操作與使用，借助線上討論區(qū)和線下討論群互動進行學習，節(jié)省了時間，方便了交流。

（3）自主探究容易。虛擬仿真實驗順應了信息化、網(wǎng)絡化的大勢，契合了學生認知特點和習慣，易于調(diào)動和發(fā)揮學生的主觀能動性，客觀上也為學生自主學習、自主實驗和自主創(chuàng)新的學習探究新模式提供了便利條件和可能途徑。

4 結(jié)語

將虛擬仿真技術(shù)引入高等教育實驗教學環(huán)節(jié)，使實驗教學方式多樣化、信息化勢在必行。虛擬仿真實驗不僅能解決教學中很多傳統(tǒng)、滯后的瓶頸問題，還能在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)教學資源共享，促進教學質(zhì)量提高。長安大學建設的“三維地層認知虛擬仿真系統(tǒng)”是對地層認知實驗信息化、網(wǎng)絡化的初步探索和有益嘗試，但要適應新工科對實驗教學創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的新要求，在虛擬仿真實驗教學的探索實踐中，還需認真總結(jié)、逐步完善、以點帶面、不斷拓展，建立更完備的實驗系統(tǒng)。