構造地質學課程虛-實結合教學模式探索

石強 周煜欣 倪嘉齊

摘? 要：構造地質學是地質資源與地質工程學科的重要分支學科，主要研究巖石中的構造變形特征，可以解決地球科學領域的諸多問題。地質構造是賦存于地殼或巖石圈中的地層或地質體在漫長的地質作用演化過程中形成，這些變形作用的過程一般看不見、摸不著，難以通過實驗再現，導致課程具有抽象性強、系統性強、實踐性強的特點。虛-實結合教學模式的建設，能夠在多學科、多技術協同支持下構建全三維、多信息、精細化的地質構造模型，模擬構造變形過程的真實自然場景，為學生營造出一種沉浸式的學習氛圍，在理論和實踐教學中具有十分顯著的優勢。

關鍵詞：虛-實結合；構造地質學；理論-實踐教學；構造變形；地殼或巖石圈

Abstract： Structural Geology is an important branch of the discipline of geological resources and geological engineering. It mainly studies the characteristics of tectonic deformation in rocks units， and it also can solve many problems of earth science in the field. The structure， hosted in the geological units of lithosphere， has been formed through a long geological history. The process of tectonic deformation， which is difficult to be reproduced by experiments， is invisible and untouchable. Therefore， the course of Structural Geology shows a strongly abstract， systematic and practical characteristics. Under the support of multi-discipline and multi-technology， the construction of integrated virtual and real teaching mode can build a three-dimensional， multi-information and geological structure model， providing real natural scenes of deformation， eventually realizing the effect of immersion learning， and having obvious advantages in theory and practice teaching.

Keywords： combination of the virtual and the real; Structural Geology; theory and practice teaching; deformation; crust or lithosphere

構造地質學是各地礦類院校地質資源與地質工程學科專業課程體系中最重要的專業基礎課程，同時也是傳統地質學的三個主要分支學科之一[1-4]。其主要是以組成地殼或巖石圈的各種地質體的構造變形特征為對象，測量并記錄其在野外的構造形跡，進而研究構造變形的成因機制及其與圍巖之間的相互影響和演化規律，具有抽象性、系統性、實踐性較強的特點。自2018年以來，為落實《教育信息化“十三五”規劃》總體部署，教育部提出建設國家虛擬仿真實驗教學項目，相繼開展了涵蓋23個學科類別、260個項目的虛擬仿真實驗項目建設認定，利用互聯網、人工智能、大數據和虛擬現實技術推動信息技術與教育教學深度融合，全力探索未來數字化教育的新模式[3-8]。構造地質學課程虛實一體化教學模式的建設，能夠在多學科、多技術協同支持下構建多信息、精細化、全三維的構造演化模型，模擬構造變形過程的真實自然場景，為學生營造出一種沉浸式的學習氛圍，對理論和實踐教學具有十分顯著的優勢。

一? 現狀分析

在國家的教育信息化戰略部署前提下，實踐教學成為信息化的重要攻克對象，在逐步的探索過程中發現，虛擬仿真技術的應用對提升學生綜合實踐能力的發揮不可替代的作用。特別是自2020年以來，新冠病毒感染疫情全球蔓延、傳統線下教學轉向線上的背景下，虛擬仿真課程建設已經初見成效，受到好評，但仍需進一步研究和探索。構造地質學理論授課所講述的地質構造主要產出位置在地殼或巖石圈中，在后期漫長的地質作用演化過程中可能會持續發生變質變形，這些過程一般看不見、摸不著，時間和空間的尺度較大，導致在理論授課過程中難以還原、再現，并且復雜的地質作用和構造空間產出狀態在課程實驗中也很難復原、重復。因此，學生反饋理論知識難以理解且知識點繁雜，導致很難將所學知識與各種復雜的客觀構造現象融會貫通。

二? 教學改革內容

（一）? 課程思政教育建設

通過構造地質學課程虛-實結合課程，向學生展示秦皇島實習區自然地理特征，通過秀麗的山川河流、鬼斧神工的巖石地貌等，提高學生對地質專業的熱愛，同時培養熱愛祖國山川、河流、大地的情懷，進行課程思政教育，注重知識能力素質的有機融合。

（二）? 利用平臺的仿真性和虛幻性

在構造地質學理論課程的講授中，引入“虛-實結合”一體化的概念[1，3]，利用現代計算機技術進行野外場景模擬，虛擬并還原不同地質條件下所能產生的構造變形，在視覺和聽覺上進行雙重沖擊，使學生對賦存在地殼或巖石圈中看不見、摸不著的構造變質變形產生最為直觀的認識[1，3]；同時，利用互聯網、人工智能、大數據和虛擬現實技術對構造變形進行模擬，還原構造變形的形成機制及演化過程，結合VR技術營造一種沉浸式的場景，提高學生對地質構造的認識和理解，達到理論知識講授與野外地質實踐體系相結合的目的[1，3]。實現真三維效果，模擬客觀世界中當前存在或不存在的真實環境，有效解決傳統野外教學地質空間和時間難以建立的難題，使得教學形式具備先進性。

（三）? 營造一種交互式和沉浸式的學習氛圍

構造地質學課程是與地球科學相關專業學生培養的上層建筑，是一門需要大量野外實習，并要與理論知識緊密結合的學科。構造變形的研究要通過野外對構造形跡進行詳細地觀察與描述，室內進行嚴謹的整理與計算，進而得到相應的感性認識，然后進行研究資料歸納、分析，最終結合前人研究資料，得出理性的認識。以往的實踐環節多以課堂上講授的理論為主，這種教學方式不夠形象直觀，也不符合創新型人才培養理念。虛擬仿真系統中使用者可獲得多種真實感知，有身臨其境之感，實現沉浸式和交互式學習，提升學生自主學習能力、科研素質和創新能力。

（四）? 實現傳統教學模式下難以完成或不具備的教學功能

在構造地質學理論教學虛擬仿真平臺建設的基礎上，對于賦存于地下的地質體，自主設計虛擬仿真程序，展現地質結構變形的三維空間演化模型，模擬其構造變形行跡。將虛擬仿真技術應用于構造地質學的理論課程教學中，有利于學生對構造變形的宏觀現象建立最直觀的立體空間演化意識，進一步強化學生對看不見、摸不到的構造現象的理解和認識，達到實際應用與理論知識點相結合的目的，也使學生對地質歷史的演化過程能有更深刻地理解，使得學習結果具有探究性和個性化。

（五）? 虛-實結合實驗教學在構造地質學中的應用

虛-實結合一體化課程主要在構造地質學實驗教學上教學成果顯著，構造地質學課程的實驗項目主要為從教材中精心挑選的8個實驗課程。對這些實驗的講解，如果僅憑對文字和圖片的講解會在一定程度上降低學生的學習興趣，造成部分理論知識被“填鴨式”灌輸給學生，課程效果會大打折扣，抽象的地質構造過程難以被學生理解。借助于虛擬仿真平臺，整個地質構造作用過程（包括影響因素、應力條件、構造要素行跡）能夠很好地展現給學生，同時一些3D動畫和3D-Max地質建模的應用（圖1）會極大地激發學生的學習探索興趣，提高課堂效率，使課程具有一定的挑戰性。特別是自2020年以來，新冠病毒感染疫情全球蔓延、傳統教學轉向線上的背景下，構造地質學的實驗課程授課難度增大，由線下的手把手指導改為主要以線上講述的形式，使得部分學生的學習興趣和學習熱情大打折扣，如果實驗和理論教學課能夠充分借助虛擬仿真平臺，勢必會給構造地質學實驗課程教學成果帶來積極的影響。

（六）? 考核機制

在構造地質學虛-實結合一體化課程中，對一些重要的理論知識及構造現象虛擬仿真演示之后，會存在相應的考核機制（圖2），一方面檢驗學生的學習效果，作為期末平時成績的一部分（約占20%），另一方面檢驗虛擬仿真平臺的運用效果，為后期的整改效果提供一定的依據，同時，互動性的考核會使學習結果具有探究性和個性化。

三? 教學改革目標

構造地質學課程虛擬仿真教學平臺建設與實踐可以改善傳統的教學模式，能夠實現對構造變形特征的計算機虛擬成像，結合大數據、人工智能、VR等技術，使得復雜多變的構造演化作用過程在室內進行微型化還原、再現，進而能夠達到虛擬技術與野外實際現象相結合、理論課程授課與實踐實習教學有效銜接與互補，增強課程的科技感，提高學生學習興趣。同時也為學生營造一種沉浸式的學習體驗，使學生能夠真正身臨其境地感受，認識、理解并掌握基本構造變形的構造形跡特征、現象分類、組合形式和成因機制，以及對各種地質構造變形的野外觀察、描述、記錄及研究方法，最終達到提高學生的野外地質實踐基本技能和地質構造空間思維認識能力的目的，為學生培養計劃中的野外實踐課程做鋪墊。具體目標如下。

1）依托秦皇島實習野外構造線路虛擬仿真平臺，建設構造地質學課程實驗教學平臺。

2）借助學院虛擬仿真實驗教學平臺，虛實結合仿真地殼深部“看不見，摸不著”的地質構造，地質構造由“靜態”向“動態”轉換，一動一靜的轉換，能夠生動刻畫出形成構造作用演化的過程。

3）為學生營造一種“沉浸式”的學習體驗，提升教學效果。特別是針對巖石圈的變形及流變行為，進行模擬與還原，最大程度地給予學生視覺上的沖擊，提高學生的學習興趣，激發學生探索自然科學奧秘的熱情。

四? 特色與創新點

（一）? 仿真性和虛幻性

虛-實結合一體化課程可實現三維效果的仿真，模擬客觀世界中當前存在或不存在的真實環境，有效解決傳統野外教學地質空間和時間難以建立的難題，特別是針對構造地質學中各種地質構造，從應力的產生—構造變形開始—構造行跡—構造演化—構造要素都能夠以三維模擬的形式還原展現出來（圖3）。

（二）? 交互性和沉浸性

虛-實結合一體化課程可使學生獲得多種真實感知，有身臨其境之感，對學生來講是一次絕對意義上的視覺沖擊（圖3），為其營造一種沉浸式和交互式學習體驗，提升學生的學習興趣，培養科研素質。

（三）? 共享性

加強對多媒體、互聯網等技術的應用，只要有網絡，課程隨時隨地都可以進行，使構造地質學的實驗教學不受時間、地點等條件的制約。增強與各地礦兄弟院校構造地質學課程虛擬仿真平臺的溝通與交流，實現教學資源高度共享，相互學習、互補共進。

五? 結束語

構造地質學虛-實結合的教學模式主要依附于虛擬仿真平臺，在其強大的功能背景下改善構造地質學固有的授課模式。利用先進的計算機技術，結合大數據、人工智能、VR等技術，實現復雜地質構造變形作用的虛擬建模開發和虛擬成像，解決地質構造的時間與空間尺度問題，實現室內微型化還原地質構造作用形成的過程，使課程能夠達到虛實結合、理論與實踐有效銜接的目的。同時理論和實踐授課能夠不再受時間和空間的限制，甚至能夠同步進行，杜絕以往先理論教學后實踐教學，因為時間空檔而影響學生學習效果問題的產生。從而使學生能夠真正理解并掌握構造變形的基本類型、構造形跡特征、組合模式和地球動力學機制，系統掌握構造變形的野外觀察、描述、記錄及研究手段，達到提高學生的野外地質實踐基本技能和地質構造空間思維認識能力的目的，最終提高教學質量，探索出一種“智能+教育”的新型構造地質學課程虛-實結合教學模式。

作為地球科學相關領域中重要分支學科之一，構造地質學在地質專業學生畢業后從事的生產實踐和科學研究中都有著舉足輕重的地位，各地礦類院校的相關專業的本科生和研究生均需要學習構造地質學的相關分支課程，比如顯微構造地質學、高級構造地質學等。因此，國內從事與構造地質學相關的教學和科研的地礦類高校及科研院所，應該重視虛擬仿真平臺建設，依附平臺探索構造地質學虛-實一體化課程教學模式，切實開展地質專業本科生和研究生的教學研究改革計劃，為推動地質相關學科的全面發展作出貢獻。

參考文獻：

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