淺析虛擬現(xiàn)實技術在地熱地質(zhì)教學科研中的應用

男達瓦劉昭格桑尼瑪郎旭娟劉麗伏羅拉次旺成佳旋

(1.西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地熱地質(zhì)大隊，西藏 拉薩 850032；2.河北地質(zhì)大學水資源與環(huán)境學院，河北 石家莊 050031；3.河北地質(zhì)大學校醫(yī)院，河北 石家莊 050031)

全球范圍內(nèi)，地熱資源利用量持續(xù)增長，開展地熱資源利用的國家已經(jīng)達到88個。據(jù)2020年世界地熱大會報告，在地熱直接利用方面，裝機容量已達到107727MWt，較2015年增長52%；在地熱發(fā)電方面，裝機容量已達到15950MWe，較2015年增加27%，并預測世界地熱發(fā)電增速將有所放緩。我國的地熱發(fā)電裝機容量為34.896MWe，水熱地熱資源地熱供暖裝機容量為14160MWt，溫泉洗浴及療養(yǎng)地熱容量為5747MWt，地源熱泵裝機容量26450MWt[1]；相對于快速增長的地熱直接利用而言，我國地熱發(fā)電進展緩慢。鄭克棪對我國地熱的發(fā)展歷程和前景進行了展望，分析了地熱發(fā)展滯后、不均衡的原因，對未來我國地熱發(fā)展進行了展望[2]；朱傳慶等對地熱產(chǎn)業(yè)存在的問題及地熱學科專業(yè)建設提供了針對性的建議[3]。《“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出因地制宜開發(fā)利用地熱能，隨著2023年世界地熱大會將在我國召開，“十四五”期間我國地熱能開發(fā)產(chǎn)業(yè)將進入快速發(fā)展期，預計全國對地熱地質(zhì)專業(yè)人才的需求量將呈現(xiàn)增長趨勢。

目前，地熱地質(zhì)相關教學實踐資源建設相對滯后，因此在地熱開發(fā)利用不平衡、不充分的背景下，探索“雙碳”目標下地熱地質(zhì)教學科研虛擬現(xiàn)實教學案例建設，加強高層次地熱應用人才培養(yǎng)，為碳中和技術創(chuàng)新發(fā)展提供急需的地熱地質(zhì)專業(yè)人才顯得尤其重要。而實驗實踐教學是其中的重要環(huán)節(jié)，通過將地熱地質(zhì)有關實體實驗、科研過程及結(jié)果虛擬實現(xiàn)，使學生更好地將理論學習應用于實際中去，提高學生的專業(yè)素質(zhì)；不僅豐富地熱地質(zhì)專業(yè)課程的教學內(nèi)容，而且相關教學科研成果可更好地向社會公眾進行科學普及。

1 研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(virtualreality，VR)是以計算機技術為核心，生成與一定范圍真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面近似的數(shù)字化環(huán)境。VR從產(chǎn)生之初就受到許多行業(yè)的高度關注，特別是需要消耗大量人、財、物以及具有危險性的應用領域。VR也被廣泛應用于公共安全、工業(yè)設計、醫(yī)學、規(guī)劃、交通和文化教育等行業(yè)和部門[4,5]。

任升蓮等闡明了VR技術在地學教學中的應用前景及實施方法，建議采用非沉浸式或半實物虛擬仿真的方法實現(xiàn)地學虛擬教學的方案[6]；梁秀娟等利用VR技術建立相關的地質(zhì)、水文地質(zhì)模型和專業(yè)模型，對含水層結(jié)構(gòu)、地下水流、地下水質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題進行了虛擬表達[7]；邱隆偉探討了VR技術在地學類課程教學中的應用前景，其應用有助于促進教學環(huán)境的完善和教學理念的改變[8]；彭博從VR技術概念、主要特征及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀等，分析了VR在教育教學及成人教育中的應用前景[9]；周訓等開展了地下熱水循環(huán)模擬實驗教學，很好地提升了學生的專業(yè)素質(zhì)[10]；蘇小惠探討了VR技術在風景園林設計應用前景及存在的技術問題[11]；韓雙彪等將復雜的地質(zhì)現(xiàn)象與VR技術結(jié)合，探討了能源地質(zhì)虛擬仿真實驗教學的必要性、建設思路、功能效果及應用前景[12]；羅珽等討論了該技術在地球科學領域的優(yōu)勢與前景，以及進一步拓展應用水平還需要解決的相關問題[13]；閆佰忠等通過融合大數(shù)據(jù)和虛擬仿真技術，構(gòu)建了基于室內(nèi)實驗室、室外實驗場、校外實踐基地和多種專業(yè)軟件仿真模擬的“四維度”水文地質(zhì)教學實踐平臺，并得到了很好的應用[14]。

已有的研究及應用成果為本次研究提供了很好的參考，VR技術在地熱地質(zhì)教學及科研應用過程中，應結(jié)合高校及科研院所實際需求、緊密結(jié)合已有地熱地質(zhì)教學科研成果，將有關實驗、科研過程通過VR技術呈現(xiàn)，提升師生的專業(yè)素養(yǎng)；并不斷探索將產(chǎn)學研相關成果向社會公眾進行科普，提高公眾的科學素養(yǎng)。

2 發(fā)展趨勢及存在的問題

隨著有較高智能化程度的生產(chǎn)工具的研制，VR作為一種全新的顯示方式，正在不斷滿足人們對于信息可視化變革的期待。尤其在VR與地球科學專業(yè)結(jié)合的領域，通過學科交叉與綜合協(xié)同研究，將地球科學學科前沿與高新技術融合，使VR技術成為地球科學研究的一種重要技術手段，為地球科學學科的發(fā)展帶來新的變革，尤其在地熱地質(zhì)交叉熱點學科中的應用，將極大地推動其學科建設與發(fā)展。目前VR領域的重要技術問題包括：VR環(huán)境的智能程度較低；用戶可交互可操作的功能有限；虛擬和真實世界的融合繁瑣低效；對象演化模式缺乏生命力；虛擬環(huán)境呈現(xiàn)的整體沉浸感不足。此外，目前VR內(nèi)容比較稀缺，形式較為單一，難以滿足行業(yè)領域?qū)R內(nèi)容大眾化、個性化生產(chǎn)的迫切需求[15,16]。

結(jié)合地球科學行業(yè)特色高校學科的特色，虛擬現(xiàn)實技術在地熱地質(zhì)教學科研中的應用，應緊緊抓牢為培養(yǎng)高質(zhì)量創(chuàng)新型應用人才的主線，讓學生掌握國內(nèi)外地熱地質(zhì)學研究理論和應用方面的動態(tài)；建設過程中用圍繞地熱地質(zhì)學的主要研究方法，綜合地下水科學、固體地球物理學基礎及構(gòu)造地質(zhì)學等學科知識，充分借鑒科研院所、地質(zhì)礦產(chǎn)、煤炭及石油類高校相近和類似地熱地質(zhì)學課程的教學內(nèi)容，既突出地熱理論基礎的學習，又注重地熱地質(zhì)學的實際應用；并緊密結(jié)合科研項目進行案例講授，將野外地熱地質(zhì)調(diào)查、樣品采集及分析、室內(nèi)資料等過程通過虛擬現(xiàn)實技術展現(xiàn)出來，系統(tǒng)地培養(yǎng)學生掌握地熱地質(zhì)相關研究的科學方法，充分運用已有的聯(lián)合培養(yǎng)基地，結(jié)合場地案例鍛煉學生的野外能力,創(chuàng)新“產(chǎn)教融合、科教融匯”協(xié)同育人機制；探索將教學科研成果利用虛擬現(xiàn)實技術進行呈現(xiàn)，向社會公眾進行科學普及。

3 結(jié)論

通過上述資料整理及分析，得出以下結(jié)論及建議。

結(jié)合高校、科研院所的實際需求，開展地熱地質(zhì)相關課程建設，增加特色的地熱地質(zhì)教學實驗設計、地熱地質(zhì)實踐環(huán)節(jié)等教學內(nèi)容。將地熱地質(zhì)有關教學及野外獨特的現(xiàn)象(間歇泉、水熱爆炸、地熱能綜合開發(fā)利用等)進行虛擬實現(xiàn)，將理論學習與實際運用結(jié)合，提高學生的專業(yè)素質(zhì)。

整合已有地熱地質(zhì)教學及科研成果，將科研過程及結(jié)果通過虛擬現(xiàn)實技術展示出來，豐富地熱地質(zhì)專業(yè)課程的教學內(nèi)容。

高溫水熱型地熱資源。選取西藏典型的羊八井、羊易及古堆地熱田開展案例教學，介紹高溫地熱田如何經(jīng)濟合理地進行勘探、開發(fā)及利用，為區(qū)域高溫地熱綜合利用及工程建設項目熱害防治服務。

中低溫水熱型地熱資源。選取雄安新區(qū)及校園開展地熱地質(zhì)學相關研究案例教學，服務國家節(jié)能減排和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，支撐雄安新區(qū)深部地熱清潔能源高效開發(fā)利用，推進綠色校園建設進程。

巖熱型地熱資源。以山東招遠為例，探明該地區(qū)巖熱型地熱資源潛力，探索單井換熱技術應用，助力區(qū)域新舊動能轉(zhuǎn)換戰(zhàn)略。

結(jié)合“世界水日”“世界地球日”等主題活動，聯(lián)合科研院所及地勘一線單位，將地熱地質(zhì)相關成果利用虛擬技術進行呈現(xiàn)，開展地下水深部循環(huán)、節(jié)能減排、碳中和等科技志愿服務，面向大中小學及社會公眾進行科普。