基于“虛實結合”的成巖/成礦過程實驗教學探索

［摘 要］巖石學、礦床學是地質類專業的核心課程，筆者針對這些課程傳統實驗教學中存在的真實場景及原理難以再現、教學資源有限、驗證性實驗過多等問題，基于“虛實結合”實踐平臺進行成巖/成礦過程實驗教學探索，倡導集實操驗證與虛擬仿真于一體的教學方式，構建了虛擬仿真實驗教學平臺，設計了實驗教學內容及教學過程，實現了“虛”“實”教學方式的有效融合。

［關鍵詞］“虛實結合”；虛擬仿真；教學方式；成巖/成礦過程；實驗教學

［中圖分類號］G642.423 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）06-0049-04

隨著互聯網、數據庫、人機交互、網絡通信、虛擬現實等信息技術飛速發展，虛擬仿真實驗逐漸應用于高校地質類課程教學中[1]。通過構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，能夠展現原本不可視的結構、現象或科學原理，解決目前實驗做不到、做不好的問題[2]。“虛”“實”教學方式深度融合，能夠使學生獲得真實情境的學習體驗，顯著改善教學效果。

一、成巖/成礦過程虛擬仿真實驗設計背景

成巖/成礦過程虛擬仿真實驗教學主要為巖石學、礦床學等課程教學服務。作為地質類專業的核心課程，巖石學、礦床學等課程內容繁雜、理論抽象，通過研究地球內部各種礦物、巖石的成分、結構構造、物理化學特性等，解決巖石、礦石的產生方式、演化歷史、分布規律及資源利用等問題。其中，成巖/成礦作用是貫穿課程教學內容的主線。

巖石學、礦床學課程非常注重理論與實踐的結合，強調對學生實踐能力和創新能力的培養[3]。成巖/成礦過程實驗有助于使學生在略顯枯燥的理論學習中產生濃厚的學習興趣與求知欲，加深對理論知識的理解，獲得開展科學實驗的基本訓練。成巖/成礦過程實驗教學方式的變革是課程內涵提升的重要抓手。

（一）傳統實驗存在的問題

傳統的巖石學、礦床學實驗教學主要基于圖片和文字介紹，依靠巖石、礦床的手標本、光/薄片標本進行，往往存在著如下幾個問題。

1.成巖/成礦過程難以直觀再現，學生難以深入理解

各類巖石、礦產往往要經歷數百萬年，甚至數億年的地質變化才能形成，其形成過程漫長而復雜，看不見、摸不著，甚至難以想象，真實成巖/成礦過程及成巖/成礦環境難以再現。已經形成的地下巖體/礦體的分布狀態、控礦構造的空間展布、圍巖蝕變的發育特征、礦化期礦化階段的演化等，均難以在野外直接觀察到。學生沒有接觸野外實際的經驗，僅依賴理論課堂上講授的內容、通過碎片式的實驗標本，難以復原實際場景[4]。

2.實驗教學資源有限，系統性不足

地質類課程實驗對樣品要求較高，天然樣品往往只保留了地質過程最終演化階段的一些信息，如何從天然樣品反演和追蹤成巖/成礦的條件、過程和機制是一大難題[5]。各種巖石、礦床類型繁多，地質影響因素復雜，且實驗標本的采集工作受到采集者認識水平等主觀條件的制約，實驗室只能獲取部分天然樣品，很難完整、系統、典型地展現整條地層剖面或整個礦床的面貌。野外實踐教學雖能收集到較全面的資料和數據，但又涉及項目過程周期長、外出實驗成本高、野外實驗安全風險大等問題[6]。現有資源的零散性致使師生在課堂上只能選擇一些主要的知識點進行實踐，無法做到面面俱到，難以讓學生建立全面的知識體系，基于實驗室樣品探究成巖/成礦過程實際運行困難。

3.以驗證性實驗為主，缺乏有效教學手段

傳統實驗多為驗證性實驗，如結構構造、礦物質組成、巖/礦石命名、礦床成因驗證等。雖然驗證性實驗能夠幫助學生了解巖/礦石的成分、結構，使書本上抽象的理論具體化，但由于傳統實驗教學中驗證性實驗占比過大，整個實驗過程缺乏啟發性、挑戰性和探究性，導致學生先于實操獲知了實驗結果及結論，不可避免地按照先入為主的思維定式展開實驗操作，難以根據實驗現象綜合深入探究成巖/成礦作用過程，這不利于培養學生的設計能力和創新思維，不能完全實現實驗初衷。

（二）虛擬仿真實驗必要性分析

虛擬仿真技術的快速發展為消除傳統實驗存在的風險性、局限性和不可實現性等弊端提供了有效的途徑。成巖/成礦過程虛擬仿真實驗能夠生動刻畫不同地質背景下殼幔相互作用、地殼演化、構造運動、巖漿作用和流體活動等導致元素活化、遷移、聚集、沉淀和成巖/成礦的過程，揭示巖石、礦床形成的自然環境，實現以虛補實、以虛驗實、以虛促實，達到真實實驗難以達到的教學效果。

1.以虛補實

成巖/成礦過程虛擬仿真實驗能夠模擬地下深部地質體的分布特征，可以全方位多角度地展示巖漿/熱液—構造—流體—成巖/成礦的耦合關系，實現地質現象和地質過程的動態模擬，將人類歷史中不可復見的成巖/成礦過程數字化、可視化，讓學生真實觀察巖體/礦床的地質特征、控礦因素及時空分布規律[7]，身臨其境地體驗地質體形成的“源—運—聚—儲”等復雜地質過程。

2.以虛驗實

通過虛擬仿真驗證基礎性實驗的預設結論，并進行分析研判。例如，將手標本及巖石薄片放在放大鏡及偏光顯微鏡下鑒定砂巖的礦物成分、含量、結構構造，在充分分析石英、長石、巖屑的類型、含量、顯微結構及填隙物類型、膠結方式、支撐類型等的基礎上，判斷砂巖形成的水動力條件、搬運距離的遠近、沉積介質的酸堿度、沉積區的氣候狀況、物源區的巖石性質等，進而推斷成巖過程。以此為基礎，利用虛擬平臺可以清晰地展示砂巖形成作用、沉積環境和成巖過程，對所推斷結論加以驗證。

3.以虛促實

現代高科技手段構造出的逼真的成巖/成礦過程畫面，突破了傳統的單一的實驗教學方法，極大地增強了學生的沉浸感和真實感，增添了教學趣味性。學生通過在虛擬環境中對推斷結論進行驗證，在不斷知錯、改錯的過程中，提升對地質現象“將今論古”的解讀水平，加深對成巖/成礦相關理論的理解，增強分析解決實際問題的能力。

二、成巖/成礦過程虛擬仿真實驗教學平臺

（一）基礎條件

成巖/成礦過程虛擬仿真實驗教學以傳統的巖石學、礦床學課程實驗為基礎，是傳統實驗教學的有機拓展和升華。它要求實驗室配備充足的不同類型巖石標本，以及具有典型代表性的系統的礦石、圍巖標本；此外，還要求實驗室配備一人一臺透射/反射偏光顯微鏡，并利用數碼拍攝技術和網絡傳輸系統將學生顯微鏡和教師顯微鏡有機聯系在一起，形成顯微數碼互動實驗系統，實現師生之間、生生之間鏡下圖像的實時傳輸以及一對一、一對多的交流互動，克服傳統顯微鏡設計的個體性和封閉性帶來的教學缺陷[8]。

（二）虛擬仿真實驗系統建設

所建設的虛擬仿真實驗系統包括成巖/成礦過程虛擬仿真實驗室1間、成巖/成礦過程軟件1個、典型模型13個、模型存放柜13個、臺式計算機2臺、模型展示臺50套。其中，成巖/成礦過程軟件要求包含實驗項目的核心模塊，能形象反映各類巖石/礦床的形成過程；典型模型要求模型能夠反映各類巖石/礦床的形成過程及形成環境，各模型以組合形式表現，針對各類巖石/礦床形成過程中的每個重要階段均制作一個子模型，所有的子模型最終可以組合成一個外觀具備該類巖石/礦床典型地貌特征形式的景觀模型，且所有子模型與軟件模塊所模擬的分階段對應；模型存放柜用于分別存放13個實驗項目的子模型，每個實驗項目的子模型數量根據實驗項目需表現的畫面確定，每個子模型能單獨形成獨立個體；模型展示臺要求展示臺與模型尺寸相適應，桌椅配套。

三、“虛實結合”的成巖/成礦過程實驗教學實施

（一）實驗課程教學內容

“虛實結合”成巖/成礦過程實驗課程的教學內容主要為：保留巖石學、礦床學課程傳統實驗的部分基礎實驗，包括巖石/礦床手標本的觀察、光/薄片標本在透射/反射偏光顯微鏡下的巖礦鑒定、地質圖的判讀等。在此基礎上，穩步增添專業綜合性更強、智能化程度更高的虛擬仿真實驗，實現成巖/成礦過程實時觀測與分析、成巖/成礦條件變化監測與提示、實驗結果網絡提交與云存儲等功能，展現原本不可視的成巖/成礦過程及原理，充實并拓展傳統實驗課程體系。

學生在“實”的教學環節中，學會判斷巖/礦石成分、結構、構造，初步分析巖/礦石成因；通過虛擬仿真“虛”的實驗，記錄成巖/成礦過程，改變成巖/成礦條件，觀察成巖/成礦過程的狀態變化，在教師的引導下分析實驗現象，辨析實驗方案存在的問題，從而做到既知道實驗結果“是什么”，又領會到實驗過程“為什么”。

（二）虛擬仿真實驗教學過程

按照教學改革思路，筆者摸索并確立適合地質學特色的教學運行模式：以實為本，以虛補實，虛實結合。本文以巖漿爆發成巖/成礦過程實驗項目為例，介紹虛擬仿真實驗教學過程及效果。

第一步：“實”的教學環節，主要進行標本觀察和圖件判讀。利用手標本及光/薄片標本，借助放大鏡、透射/反射偏光顯微鏡判定巖/礦石成分、結構、構造、圍巖蝕變等，收集山東蒙陰、遼寧瓦房店等地金剛石典型礦床的地質資料，包括礦床地質圖、剖面圖等，初步分析礦床成礦作用過程。

第二步：選擇虛擬仿真外觀模型。根據實驗對象、內容及要求選擇實驗外觀模型（見圖1），建立巖漿爆發成巖/成礦過程的整體映像。

第三步：根據實驗步驟，用4個子模型呈現巖漿爆發成巖/成礦過程（見圖2）。

子模型1表現的是地下深處（地幔）巖漿房中的巖漿處于高溫、黏稠、熔融狀態。子模型2表征了巖漿房中的高溫高壓超基性巖漿通過深大斷裂快速上升，直達地表。子模型3展現了地幔巖分熔→晶出原生礦物共生組合（如橄欖石、鋁鎂鉻鐵礦、鎂鋁榴石、金剛石等）→快速冷凝形成具有斑狀結構、氣孔狀構造、流紋狀構造等的噴出巖的過程；此過程中，地幔碳在深大斷裂上升通道中由于溫度壓力驟降，快速冷凝結晶形成很小的、呈晶芽狀的金剛石。子模型4呈現的是金剛石礦床——巖漿爆發礦床的形成過程。深大斷裂中的金剛石與炭質圍巖混染，金剛石晶體長大，同時由于揮發分膨脹，巖漿爆發，在爆發巖筒中金剛石初次富集；已形成的火山通道被熔漿所膠結的爆發角礫巖所充填，通道常被堵塞，致使堵塞部分以下的壓力重新增高，達到極限時又引起新的爆發，金剛石再次富集；經過多次巖漿爆發作用，金剛石被攜帶和富集于爆破巖筒或裂隙的某一部位中，形成巖漿爆發成因金剛石礦床。

四、結語

成巖/成礦過程虛擬仿真實驗作為一種新型的教學方式，與真實實驗相互補充，既能避免實驗完全虛化而與實際脫節，又能彌補傳統教學條件的不足，打破空間、時間的限制，有效促進實驗教學的形象化、鮮活化，解決實驗條件不足、不便開展的問題，同時還能豐富實驗內容、提高實驗效率。通過營造支撐本科教學、碩博培養的仿真模擬綜合性實驗環境，能夠充分發揮學生自主學習的主觀能動性，增強學生的實踐能力及分析和解決復雜問題的能力。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 強偉帆，郭艷軍，周哲，等.虛擬仿真技術在地質學中的應用[J].高校地質學報，2020，26（4）：464-471.

[2] 董桂偉，趙國群，王桂龍，等.高等工程教育虛擬仿真實驗教學的分析與思考：基于278項國家級虛擬仿真實驗教學項目的描述性研究[J].實驗技術與管理，2022，39（12）：199-204.

[3] 陳華勇，程佳敏，張俊嶺.多維度礦床學研究：現狀與未來展望[J].地質科技通報，2022，41（5）：1-4.

[4] 唐利.隱伏礦床定位預測虛擬仿真實驗教學的探索與實踐[J].教育教學論壇，2021（24）：1-4.

[5] 熊小林，侯通，王小林.實驗礦床學的發展現狀和前景展望[J].地球科學，2022，47（8）：2701-2713.

[6] 林伯韜，王振宇，侯冰.石油工程巖石力學課程實驗教學改進措施探討[J].大學教育，2023（8）：56-58.

[7] 石文杰，李艷軍，譚俊，等.三維可視化礦產勘查實驗教學系統建設及應用[J].中國地質教育，2023，32（1）：82-87.

[8] 曹俊，陶繼華，胡寶群，等.顯微數碼互動實驗系統在“巖漿巖石學”實驗教學中的應用研究[J].東華理工大學學報（社會科學版），2020，39（5）：492-495.

［責任編輯：周侯辰］