矿产形成、勘查与开发虚拟仿真实验教学中心建设思路与进展

2014-12-25吕新彪徐四平陈志军石万忠张夏林杨明星

实验技术与管理 2014年9期

吕新彪，徐四平，陈志军，石万忠，张夏林，杨明星，王莉，张峰，郑坤

（中国地质大学（武汉），湖北武汉 430074）

矿产资源勘查工程是实践性、综合性和应用性很强的工科本科专业，它不仅需要现代地球科学基础理论和矿产勘查科学理论的理论基础，而且和矿产资源的寻找、勘查和开发工程密切相关。以往在资源勘查工程专业的本科学生培养中，除了强调数理化基础和专业课程理论学习外，特别强调专业工程实践［1－2］。目前学生实践环节主要包括野外现场观察、室内手标本和各类显微标本观察，结合文字及相关图件来分析地质现象和过程。这些实践多为片断性和间接性的，很难完整、生动、客观地表述矿产形成的过程和勘查开发过程。虚拟仿真技术在一定程度上可以很好地解决这一问题。

1 虚拟仿真实验教学是解决专业理论学习和工程实践教学难题的先进手段

1.1 矿产资源形成的特点

矿产资源是地球运动和演化的自然产物，其形成经历了极为漫长的地质历史，形成地质环境和条件复杂多变，大量矿产是在几百万至几十亿年前地壳中形成的，我们现在基本不可能观察到这样的地质过程。随着现代地球科学理论的发展和探测技术的进步，人类对矿产形成环境和条件、成矿作用过程、分布规律等认识日益深刻，并已形成了较为完整的理论知识体系。现实世界的矿产指人类能够开发利用的特殊矿物集合体或岩石。它具有以下特点：

（1）区域性。由于受地壳物质组成、结构和演化历史的差异制约，矿产空间分布具有的不均衡性，往往表现为空间上的区域性，反映独特的地质背景和成矿条件。

（2）综合性。具有跨越自然和社会经济两大学科领域，它是地质各要素之间的相互关系，以及基于社会需求的各种技术经济要素共同组成的特殊自然系统。

（3）空间性。矿产是客观存在的、赋存于地壳一定的空间范围之内的可利用物质体，其产出和分布具有一定的空间规律。

（4）历史性。矿产是在漫长的地质历史时期形成的特殊自然之物，在不同的历史阶段，其表现出不同的地质特征，一个大型矿床往往是不同地质历史阶段产物的复合体，因此，演绎矿产形成的历史也是矿产地质科学的重要内容［3－4］。

1.2 学习成矿理论、掌握资源勘查与开发工程的难点

学习和掌握成矿理论是开展矿产资源地质找矿、勘查、开发的基础。过去我们对矿产形成理论知识的表述、学习和传播，主要采用文字描述加图片示意来解决。通常，只有拥有大量的野外感性认识、地质思维分析能力和丰富的想象力的学习者，才能较好地理解矿产形成的理论。对初学者来讲，如何在较短的时间内，较好地了解和掌握矿产属性、形成条件、成矿作用和分布规律等方面的知识与理论，成为一个“瓶颈问题”。此外，目前人类开采利用的绝大多数矿产隐伏于地下，探明和表征其存在的形式、规模、产状和储量计算是一件资料整理繁杂、信息处理量大、各类图件编绘复杂的工作，需要在采用各种探测手段（地质填图、地球物理与地球化学测量等）和实施山地工程（钻探、槽探、坑道工程等）进行揭露，在获取大量地下信息和数据的基础上，用手工编制大量图件、表格加文字来表述和计算。因此，矿产勘查与开发工程具有高成本、高风险和高投入的特点。对于学生而言，学习矿产地质科学知识，仅靠书本知识学习和野外现场观摩学习是很不够的，而参加矿产勘查和开发工程实践，面临周期长（1～2年）、费用高、环境危险的状况。因此，如何让学生深刻理解矿产形成条件、机制和规律等理论知识，掌握勘查开发工程的基本方法和技术，提高学生认知能力和工程实践能力，成为矿产地质科学专业教学中的重点和难点［5－6］。虚拟仿真技术将是解决上述教学难点和重点的较为理想的途径和手段。

1.3 虚拟仿真技术的特点和在矿产地质学中应用

虚拟（Virtual Realitv）仿真（Simulation）或称为模拟现实，是基于计算机技术、信息技术和可视化技术等用一个系统模仿另一个真实系统的现代先进科学技术。虚拟仿真系统依托计算机，可以通过人的视觉、触觉、听觉等进行现实情况的再现［7］，其有别于其他视频和多媒体的基本特点有：

（1）仿真性。一方面，虚拟环境给人的各种感觉与所模拟的客观世界非常相像，一切感觉如同在真实世界一样；另一方面，当人置身于此，并以自然的行为作用于虚拟环境时，环境做出的反应也符合客观世界的有关规律。如当我们进入一个虚拟的采矿坑道观察矿石时，如果敲击矿石，则会造成矿石碎裂，露出内部的矿物组成和结构，从而显示矿石的组构特征。

（2）虚幻性。既可以模拟客观世界中以前存在过的或是现在真实存在的环境，也可模拟出客观世界中当前已不存在，但可以推演出的环境，如二叠纪中国南方特第斯大洋某些区域的沉积环境的虚拟，可以对某些矿床形成过程进行模拟。

（3）交互性。虚拟仿真系统中，不仅环境能够作用于人，人也可以对环境进行控制，而且人可以通过工具对环境进行改变，如对矿体进行虚拟的测量、钻进、采掘等，且这种过程可以通过某种条件的改变而产生不同的结果。

（4）沉浸性。虚拟仿真系统中，使用者可获得视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种感知，从而获得身临其境的感受［8－9］。

虚拟仿真技术的这些特点对于学生需要去野外观察、描述、分析各类野外地质现象非常有用，让学生能在实验室条件下就获得丰富的地质资料。理想的虚拟仿真系统应该具有能够给人所有感知信息的功能［10］。近20多年来，在传统矿产地质调查和探测技术基础上，结合现代计算机技术、信息技术、数字模拟技术和三维可视化技术等，已可以实现虚拟成矿地质环境、模拟成矿地质过程、虚拟再造各地质历史时期大陆和海洋的分布及地壳基本结构和构造格架，以及不同地质历史阶段的全球构造动力学环境、构造运动和成矿地质作用，甚至可以虚拟一个地区（或矿区）的地壳三维结构和矿产体的内部结构与分布特征，并可以在虚拟矿山环境下，开展矿产勘查、开发和评估的设计与工程实验。我们对矿产的认识和表征已从外部特征静态描述发展为内部三维结构动态模拟，从定性描述到定量模拟，从二维表达到三维可视化仿真，从大量二维图纸设计到虚拟三维设计，并可实现虚拟地质特征。

总之，成矿地质理论和现代科学技术的重大进步为我们构建矿产形成、勘查、开发虚拟仿真实验教学系统奠定了良好的理论和技术基础。通过矿产虚拟中心的实验教学平台，学生不仅可以直观、便捷和高效地学习掌握地质学、矿床学、矿产勘查与开发的理论知识，深刻理解矿产形成的背景、条件和分布规律，而且可以通过虚拟的三维矿产地质模型，开展大量矿产地质调查、矿产勘查设计、工程方案制定、储量计算和经济评价等工程实践，甚至可以通过补充新的野外观测数据，在虚拟环境下开展勘查工程科学研究和工程实践，提出成矿新观点和新认识，深化成矿理论，可见，虚拟仿真技术在地质矿产领域中的应用，具有明显的优越性［11］。

2 矿产形成、勘查与开发虚拟仿真实验教学中心的建设

2.1 建设思路

中国地质大学（武汉）建设“矿产形成、勘查与开发虚拟仿真实验教学中心”（下简称矿产虚拟中心）以矿产资源为主要实验对象，以培养矿产资源勘查开发领域高素质创新人才为目的，在我校国家级固体矿产勘查实验教学示范中心平台基础上，依托我校 “矿产普查与勘探”、“矿物学岩石学矿床学”和“地球探测与信息技术”3个国家二级重点学科，以及“地质过程与矿产资源”国家重点实验室，坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，将地球科学和现代成矿理论等与计算机技术、数字模拟、三维可视化技术和网络技术手段结合，来构建一个新型的多环境、多层次、大时间尺度的虚拟仿真实验教学系统。学生可以通过网络和软件平台，进入本系统，实现多环境、多层次空间、多视角下对矿产资源形成演化过程和矿产属性、组构、时空结构等的观察，虚拟矿山环境下的勘查和开发设计与实施。

2.2 基本构架和建设内容

矿产虚拟中心建设的核心是虚拟仿真实验教学平台构建。为此，我们利用现有国家及省级实验教学示范中心和产学研野外基地丰富的教学资源，已初步建成了3个矿产虚拟仿真实验教学平台，即固体矿产资源形成与勘查开发虚拟仿真平台、油气形成与勘查开发虚拟仿真实验教学平台和珠宝玉石设计与加工虚拟仿真平台。这3个虚拟仿真实验平台既相对独立，又密切联系，它们分别针对3类不同的矿产资源开展虚拟条件下的模拟实验或虚拟工程设计。由于物质属性和应用特点的不同，各实验平台的实验项目也各有不同。同时，各实验教学平台与各自相应的实物实验室构成了“虚实结合、相互补充”完整的实验教学系统。基本涵盖了我校在矿产资源领域相关专业的教学大纲中规定的理论学习、勘查与开发工程设计和产品研发等实验教学。

2.2.1 固体矿产资源形成与勘查开发虚拟仿真平台

该平台主要针对固体矿产资源的形成、勘查、开发等相关课程实践要求，开发了多个子平台，如：

（1）“矿床形成过程模拟”，包括13个重要矿床类型的模拟；

（2）“矿田构造应力场模拟”，这是运用岩石力学、构造地质学、流体力学和数值模拟等理论和方法，模拟和仿真矿田构造的形成、变化与成矿物质充填过程，并通过不同应力场参数和边界条件的改变，来模拟构造控矿的机理和规律；

（3）“矿山与勘查虚拟设计”，对一个重要的矿床类型，建立一个虚拟矿山，使学生能深入地下，观察矿体、矿石的组构、分布和品位变化等矿床属性，并开展勘查工程设计，并对不同设计方案进行技术和经济评价；

（4）“矿山开采方案虚拟设计”，该平台可以让学生通过对开采矿体的物质组成、结构构造和品位、厚度等分析，设计多种开采方案，并对其进行经济评价，从而使学生掌握科学合理的设计思路和方法。

2.2.2 油气形成与勘查开发虚拟仿真平台

该平台以油气资源为对象，重点虚拟仿真油气形成的环境、油气成藏过程、油藏开发过程和开采等。已初步开发的实验项目和特点见表1。

表1 油气虚拟仿真实验平台已开设的实验项目

表1 （续）

3.2.3 珠宝玉石虚拟仿真实验教学平台

该平台重点针对天然宝玉石的形成和加工实验而开发了一系列实验项目，见表2。

表2 珠宝玉石虚拟仿真实验教学平台开设的实验项目

为了有效保障虚拟仿真实验教学平台的运行，管理好矿产虚拟中心各实验教学平台的教学过程和学生实验安排，中心依托校园虚拟网络建立了一个基于云环境的虚拟仿真实验教学基础与管理服务平台，该平台负责为中心各虚拟仿真实验教学平台提供虚拟环境，并建立与其他实际实验教学中心的连接，对各类数据资源、实物对象数据（矿床实例库、标本库、影像库）和仪器设备等的分配、调用、整合和管理，其基本构架见图1。

3 矿产虚拟中心建设的体会和发展方向

近年来，我校通过对矿产虚拟中心的建设，不仅改变了专业教学的理念和教学方式，增强了学生自主学习的信心和兴趣，全面提升了教学水平和效率，而且对培养学生的探索精神、工程实践能力和创新意识发挥了重要作用。通过该中心的建设，我们体会到：

（1）要深刻理解虚拟仿真实验系统在实践教学中的重要性和必要性，认识到其在工程实践教学中与实物实验的互补性，不能替代实物实验教学；

（2）虚拟仿真实验教学系统的建设要有针对性和目的性，要尽量发挥其能够模拟仿真一些我们无法实际建造或直接观察到的客观实体或环境，减少危险性和降低成本的作用；

（3）建设虚拟仿真实验平台（或项目），要有很强的可操作性和互动性，便于学生学习和实际操作，要以互动性和可变性为核心，让学生能发挥主动学习和创造能力；

（4）虚拟仿真实验教学中心的作用能否发挥好，教学和管理团队的配合非常重要，教师是中心的主导者，学生是主体，管理人员是保障。

图1 矿产资源形成与勘查开发虚拟仿真实验教学中心基本构架图

我校矿产虚拟中心的建设还处于初级阶段，如何更好地与理论教学和实体实验结合，还需要不断探索和创新。我们相信，虚拟仿真技术在矿产勘查和开发领域具有广阔的应用前景［12－13］。特别是近几年来网络技术、人工智能和通讯技术等新技术的发展，为虚拟仿真实验系统的发展提供了新的技术平台，犹如目前国际上兴起的“幕课（MOOC）”，虚拟仿真实验也将借助于网络技术和通讯技术等，成为新的一种学习和实践方式，虚拟仿真系统为矿产勘查开发提供一个全新的研究平台，它具有安全、经济、可控、便于观察、便于参与、实用、无破坏性、可多次重复、整体性等特点，可以对各种矿产领域的认知、设计、决策的效果与作用进行分析比较，以做出科学合理的选择。

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［1］王华，胡光道.矿产普查与勘探学科建设的现状与未来的战略思考［G］／／张锦高，杨昌明.走进21世纪：纪念中国地质大学建校50周年文集.武汉：中国地质大学出版社，2002：35－46.

［2］吕新彪，王华，张吉军.地质工科基地创新与实践［G］／／张锦高，杨昌明.走进21世纪：纪念中国地质大学建校50周年文集.武汉：中国地质大学出版社，2002：85－93.

［3］张吉军，吕新彪，王华.国土资源部地质工科人才培养基地建设的探索与实践［M］.武汉：中国地质大学出版社，2002：126－152.

［4］赵鹏大.高等地质教育理论与实践［M］.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1993.

［5］吕新彪，王华，马长玲.地质工程教育改革中几个问题思考［J］.地质科技管理，1999，6（1）：3－38.

［6］张忠福.建立以能力培养为中心的实践教学体系［J］.实验技术与管理，2011，28（2）：11－14.

［7］于静洋，蔡坤.虚拟现实技术及其在高校教学中的应用［J］.教育信息化，2006（4）：74－75.

［8］陈萍，周会超，周虚.构建虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式［J］.实验技术与管理，2011，28（3）：35－36.

［9］赵士滨.虚拟现实技术进入高校教学的研究与实现［J］.电化教育研究，2001（2）：30－35.

［10］李斌，王岩松，秦奋.虚拟实现技术在地理野外实习中的应用［J］.实验技术与管理，2011，28（2）：93－95.