构造地质学课程虚-实结合教学模式探索

石强 周煜欣 倪嘉齐

摘  要：构造地质学是地质资源与地质工程学科的重要分支学科，主要研究岩石中的构造变形特征，可以解决地球科学领域的诸多问题。地质构造是赋存于地壳或岩石圈中的地层或地质体在漫长的地质作用演化过程中形成，这些变形作用的过程一般看不见、摸不着，难以通过实验再现，导致课程具有抽象性强、系统性强、实践性强的特点。虚-实结合教学模式的建设，能够在多学科、多技术协同支持下构建全三维、多信息、精细化的地质构造模型，模拟构造变形过程的真实自然场景，为学生营造出一种沉浸式的学习氛围，在理论和实践教学中具有十分显著的优势。

关键词：虚-实结合；构造地质学；理论-实践教学；构造变形；地壳或岩石圈

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

構造地质学是各地矿类院校地质资源与地质工程学科专业课程体系中最重要的专业基础课程，同时也是传统地质学的三个主要分支学科之一[1-4]。其主要是以组成地壳或岩石圈的各种地质体的构造变形特征为对象，测量并记录其在野外的构造形迹，进而研究构造变形的成因机制及其与围岩之间的相互影响和演化规律，具有抽象性、系统性、实践性较强的特点。自2018年以来，为落实《教育信息化“十三五”规划》总体部署，教育部提出建设国家虚拟仿真实验教学项目，相继开展了涵盖23个学科类别、260个项目的虚拟仿真实验项目建设认定，利用互联网、人工智能、大数据和虚拟现实技术推动信息技术与教育教学深度融合，全力探索未来数字化教育的新模式[3-8]。构造地质学课程虚实一体化教学模式的建设，能够在多学科、多技术协同支持下构建多信息、精细化、全三维的构造演化模型，模拟构造变形过程的真实自然场景，为学生营造出一种沉浸式的学习氛围，对理论和实践教学具有十分显著的优势。

一  现状分析

在国家的教育信息化战略部署前提下，实践教学成为信息化的重要攻克对象，在逐步的探索过程中发现，虚拟仿真技术的应用对提升学生综合实践能力的发挥不可替代的作用。特别是自2020年以来，新冠病毒感染疫情全球蔓延、传统线下教学转向线上的背景下，虚拟仿真课程建设已经初见成效，受到好评，但仍需进一步研究和探索。构造地质学理论授课所讲述的地质构造主要产出位置在地壳或岩石圈中，在后期漫长的地质作用演化过程中可能会持续发生变质变形，这些过程一般看不见、摸不着，时间和空间的尺度较大，导致在理论授课过程中难以还原、再现，并且复杂的地质作用和构造空间产出状态在课程实验中也很难复原、重复。因此，学生反馈理论知识难以理解且知识点繁杂，导致很难将所学知识与各种复杂的客观构造现象融会贯通。

二  教学改革内容

（一）  课程思政教育建设

通过构造地质学课程虚-实结合课程，向学生展示秦皇岛实习区自然地理特征，通过秀丽的山川河流、鬼斧神工的岩石地貌等，提高学生对地质专业的热爱，同时培养热爱祖国山川、河流、大地的情怀，进行课程思政教育，注重知识能力素质的有机融合。

（二）  利用平台的仿真性和虚幻性

在构造地质学理论课程的讲授中，引入“虚-实结合”一体化的概念[1，3]，利用现代计算机技术进行野外场景模拟，虚拟并还原不同地质条件下所能产生的构造变形，在视觉和听觉上进行双重冲击，使学生对赋存在地壳或岩石圈中看不见、摸不着的构造变质变形产生最为直观的认识[1，3]；同时，利用互联网、人工智能、大数据和虚拟现实技术对构造变形进行模拟，还原构造变形的形成机制及演化过程，结合VR技术营造一种沉浸式的场景，提高学生对地质构造的认识和理解，达到理论知识讲授与野外地质实践体系相结合的目的[1，3]。实现真三维效果，模拟客观世界中当前存在或不存在的真实环境，有效解决传统野外教学地质空间和时间难以建立的难题，使得教学形式具备先进性。

（三）  营造一种交互式和沉浸式的学习氛围

构造地质学课程是与地球科学相关专业学生培养的上层建筑，是一门需要大量野外实习，并要与理论知识紧密结合的学科。构造变形的研究要通过野外对构造形迹进行详细地观察与描述，室内进行严谨的整理与计算，进而得到相应的感性认识，然后进行研究资料归纳、分析，最终结合前人研究资料，得出理性的认识。以往的实践环节多以课堂上讲授的理论为主，这种教学方式不够形象直观，也不符合创新型人才培养理念。虚拟仿真系统中使用者可获得多种真实感知，有身临其境之感，实现沉浸式和交互式学习，提升学生自主学习能力、科研素质和创新能力。

（四）  实现传统教学模式下难以完成或不具备的教学功能

在构造地质学理论教学虚拟仿真平台建设的基础上，对于赋存于地下的地质体，自主设计虚拟仿真程序，展现地质结构变形的三维空间演化模型，模拟其构造变形行迹。将虚拟仿真技术应用于构造地质学的理论课程教学中，有利于学生对构造变形的宏观现象建立最直观的立体空间演化意识，进一步强化学生对看不见、摸不到的构造现象的理解和认识，达到实际应用与理论知识点相结合的目的，也使学生对地质历史的演化过程能有更深刻地理解，使得学习结果具有探究性和个性化。

（五）  虚-实结合实验教学在构造地质学中的应用

虚-实结合一体化课程主要在构造地质学实验教学上教学成果显著，构造地质学课程的实验项目主要为从教材中精心挑选的8个实验课程。对这些实验的讲解，如果仅凭对文字和图片的讲解会在一定程度上降低学生的学习兴趣，造成部分理论知识被“填鸭式”灌输给学生，课程效果会大打折扣，抽象的地质构造过程难以被学生理解。借助于虚拟仿真平台，整个地质构造作用过程（包括影响因素、应力条件、构造要素行迹）能够很好地展现给学生，同时一些3D动画和3D-Max地质建模的应用（图1）会极大地激发学生的学习探索兴趣，提高课堂效率，使课程具有一定的挑战性。特别是自2020年以来，新冠病毒感染疫情全球蔓延、传统教学转向线上的背景下，构造地质学的实验课程授课难度增大，由线下的手把手指导改为主要以线上讲述的形式，使得部分学生的学习兴趣和学习热情大打折扣，如果实验和理论教学课能够充分借助虚拟仿真平台，势必会给构造地质学实验课程教学成果带来积极的影响。

（六）  考核机制

在构造地质学虚-实结合一体化课程中，对一些重要的理论知识及构造现象虚拟仿真演示之后，会存在相应的考核机制（图2），一方面检验学生的学习效果，作为期末平时成绩的一部分（约占20%），另一方面检验虚拟仿真平台的运用效果，为后期的整改效果提供一定的依据，同时，互动性的考核会使学习结果具有探究性和个性化。

三  教学改革目标

构造地质学课程虚拟仿真教学平台建设与实践可以改善传统的教学模式，能够实现对构造变形特征的计算机虚拟成像，结合大数据、人工智能、VR等技术，使得复杂多变的构造演化作用过程在室内进行微型化还原、再现，进而能够达到虚拟技术与野外实际现象相结合、理论课程授课与实践实习教学有效衔接与互补，增强课程的科技感，提高学生学习兴趣。同时也为学生营造一种沉浸式的学习体验，使学生能够真正身临其境地感受，认识、理解并掌握基本构造变形的构造形迹特征、现象分类、组合形式和成因机制，以及对各种地质构造变形的野外观察、描述、记录及研究方法，最终达到提高学生的野外地质实践基本技能和地质构造空间思维认识能力的目的，为学生培养计划中的野外实践课程做铺垫。具体目标如下。

1）依托秦皇岛实习野外构造线路虚拟仿真平台，建设构造地质学课程实验教学平台。

2）借助学院虚拟仿真实验教学平台，虚实结合仿真地壳深部“看不见，摸不着”的地质构造，地质构造由“静态”向“动态”转换，一动一静的转换，能够生动刻画出形成构造作用演化的过程。

3）為学生营造一种“沉浸式”的学习体验，提升教学效果。特别是针对岩石圈的变形及流变行为，进行模拟与还原，最大程度地给予学生视觉上的冲击，提高学生的学习兴趣，激发学生探索自然科学奥秘的热情。

四  特色与创新点

（一）  仿真性和虚幻性

虚-实结合一体化课程可实现三维效果的仿真，模拟客观世界中当前存在或不存在的真实环境，有效解决传统野外教学地质空间和时间难以建立的难题，特别是针对构造地质学中各种地质构造，从应力的产生—构造变形开始—构造行迹—构造演化—构造要素都能够以三维模拟的形式还原展现出来（图3）。

（二）  交互性和沉浸性

虚-实结合一体化课程可使学生获得多种真实感知，有身临其境之感，对学生来讲是一次绝对意义上的视觉冲击（图3），为其营造一种沉浸式和交互式学习体验，提升学生的学习兴趣，培养科研素质。

（三）  共享性

加强对多媒体、互联网等技术的应用，只要有网络，课程随时随地都可以进行，使构造地质学的实验教学不受时间、地点等条件的制约。增强与各地矿兄弟院校构造地质学课程虚拟仿真平台的沟通与交流，实现教学资源高度共享，相互学习、互补共进。

五  结束语

构造地质学虚-实结合的教学模式主要依附于虚拟仿真平台，在其强大的功能背景下改善构造地质学固有的授课模式。利用先进的计算机技术，结合大数据、人工智能、VR等技术，实现复杂地质构造变形作用的虚拟建模开发和虚拟成像，解决地质构造的时间与空间尺度问题，实现室内微型化还原地质构造作用形成的过程，使课程能够达到虚实结合、理论与实践有效衔接的目的。同时理论和实践授课能够不再受时间和空间的限制，甚至能够同步进行，杜绝以往先理论教学后实践教学，因为时间空档而影响学生学习效果问题的产生。从而使学生能够真正理解并掌握构造变形的基本类型、构造形迹特征、组合模式和地球动力学机制，系统掌握构造变形的野外观察、描述、记录及研究手段，达到提高学生的野外地质实践基本技能和地质构造空间思维认识能力的目的，最终提高教学质量，探索出一种“智能+教育”的新型构造地质学课程虚-实结合教学模式。

作为地球科学相关领域中重要分支学科之一，构造地质学在地质专业学生毕业后从事的生产实践和科学研究中都有着举足轻重的地位，各地矿类院校的相关专业的本科生和研究生均需要学习构造地质学的相关分支课程，比如显微构造地质学、高级构造地质学等。因此，国内从事与构造地质学相关的教学和科研的地矿类高校及科研院所，应该重视虚拟仿真平台建设，依附平台探索构造地质学虚-实一体化课程教学模式，切实开展地质专业本科生和研究生的教学研究改革计划，为推动地质相关学科的全面发展作出贡献。

参考文献：

[1] 陈青，谭先锋，王佳，等．“构造地质”课程群一体化实践教学资源建设探索[J].新课程研究，2018（1）：57-58.

[2] 罗金海，于在平，周鼎武．理论联系实际深化“构造地质学”教学改革[J].高等理科教育，2004（3）：75-77.

[3] 陈青，谭先锋，况昊，等.“虚、实一体化”教学体系的探索——以“构造地质学”课程为例[J].教育教学论坛，2018（9）：267-268.

[4] 陈思，王国芝，陈翠华，等.资源勘查工程专业虚拟仿真实验教学建设的探索与实践[J].中国地质教育，2019，28（2）：95-99.

[5] 张长厚，王根厚．构造地质学课程教学中的研究与拓展性学习[J].中国地质教育，2015（14）：13-16．

[6] 苏冠元，韩晓敏，康博强.虚拟仿真实验教学在实验教学示范中心的应用[J].现代信息科技，2020，4（13）：194-195，198.

[7] 张宪国，张涛，林承焰.面向在线教学的野外地质虚拟仿真实验教学平台构建[J].中国地质教育，2020，29（4）：102-106.

[8] 唐利.隐伏矿床定位预测虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].教育教学论坛，2021（24）：1-4.