数字化地质实习教学的研究与实践

2018-02-10袁红旗于英华张冬杰张姗姗

中国地质教育 2018年1期

袁红旗，于英华，张冬杰，张姗姗，毛毳

东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318

随着科学技术的不断发展,21世纪初出现了MOOC，数字化走进了人类视野，以雨后春笋般的发展态势渗透到生产、生活各个领域，对于人类改造自然实践活动产生重要影响，与此同时“数字地球”“数字国土”“数字校园”等成为社会发展过程中人们关注的重点话题。数字化的出现也对传统高校教育教学模式提出了新的挑战，地学类专业同样如此。工欲善其事,必先利其器,教学质量的提高有赖于教学手段的提高。为适应人类社会对地学类专业日益增长的需求，改变传统纸质教学的繁冗，数字化野外地质实习或数字化地质勘查相关技术在科学技术高速发展的背景下应运而生，以独特的魅力受到诸多领域的青睐与认可，在教学、生产应用中广泛使用并取得了良好的反馈效果。

一、国内外高校数字化研究、开发现状及启示

当今时代作为信息化时代，而信息的数字化也越来越为当今世界所重视。为紧跟时代步伐，使用信息化社会的需求，建设数字化高校迫在眉睫。

1.国外高校对于数字化教学研究和开发现状

世界发达国家高度重视信息技术对教育的影响和作用[2]。国外已经建立巨大的数字资源教育库，对全世界受教育者提供高质量的教育资源；重视数字化教学资源开发的制度保障，许多国家在其政策法规体系中体现了对远程教育及其资源开发的重视，远程网络教育对教师的信息技术能力特别重视，对教师要求和管理也较严格；重视对教师知识产权的保护。

2.我国高校对于数字化教学研究、开发和利用的情况

国内对高校信息化建设虽已颇有成就，但对于数字化教学资源开发仍处于摸索阶段[1-2]。数字化教学资源较匮乏，数字教学基础设施差。部分高校教师对数字化教学认识不深刻，仍受到传统教育理念的束缚，数字教学容易进入误区。而未进行数字化教学的学校，学生不具备积极劳动意识，动手能力差，被动接受教师书本知识灌溉，极少或不能主动发现并提出问题；不具有学习掌握技术的兴趣和意愿，按部就班，不能对已有物品或工具进行改进或优化。

3.进行数字化地质教学的必要性

地质学是研究地球及其演变的一门自然科学。主要研究地球的组成、构造、发展历史和演化规律。为人类更准确地认识自然提供基本知识、途径与工具。地质实习则是地质教学中极其重要的一环，同时影响着地质学教学质量。传统的地质实习教学方法及教学模式存在着一定的弊端，已不适应现在的实践教学的发展，需要改变，引导学生进行数字化地质实习，必要性如下。

（1）数字化地质调查与填图数据采集技术是区域地质调查发展的必然趋势，大学生是未来使用该技术的人员主体[3]，这要求站在地学知识传播最前线的地质类高校必须设计、讲授数字化地质实习方面的教学内容，并引导学生进行相应的实践训练。

（2）国家新一轮国土资源大调查和“数字国土”工程建设需要适应新时代、掌握数字化地质调查技术的地学人才[4]。

（3）地质学作为一门自然科学，需要顺应高校教学数字化的发展潮流。郭公民面对高校数字化教学提出“通过师资培训提高教师开发和利用数字化教学资源的能力；通过完善激励机制，调动教师参与数字化教学资源开发和利用的积极性；通过进一步整合教学资源、建设教学资源库实现资源的充分共享；坚持以学习者为中心，满足学习者的个性化需求”[5]的对策。

（4）数字化地质教学资源与传统纸质教学资源相比，其具有多样性、灵活性、交互性、大容量、共享性、经济型等诸多优点[6]。

引进数字化地质实习教学，能更好地提高学生对于学习的积极性，帮助学生迅速建立宏观地质概念。同时满足学生自主学习需要，解放书本束缚，使学生迅速爱上地质专业。

二、目前地学高校数字化地质实习的应用情况

鉴于地质学是一门实践性很强的学科，因此野外地质实践教育是保证地学教育质量的关键,加强地学实习课程教学和野外教学是当前地学教育十分紧迫的任务[7]。数字化地质教学实习的主要目的是使学生素质培养与业务教育相结合，利用先进的数字化工具掌握基本的地质技能，树立良好的思想作风、实事求是的工作态度、吃苦耐劳和为科学事业献身的精神[8]。这项工作在吉林大学、南京大学、中国地质大学（北京）、中国地质大学（武汉）等第一梯队的地质高校中已经开展起来，主要实现两个方面的野外地质工作内容。

1.手持GPS绘制地质实习路线图

地质实习路线图是进行地质研究、调查学习的基础工作[9]。20世纪末期，野外数据采集信息化技术发展[10]，对传统地质工作实现了数字化革命。利用手持GPS进行卫星定位，相较传统定位模式，灵敏度更高，携带更方便，且受到约束小，但却可以满足地质工作者需求。在野外实习中，利用手持GPS记录行走轨迹，注意随时保存路线并记录观察点。最后将路线导入电脑进行适当处理，制成地质实习路线图。

2.地质实习数字化填图技术

地质填图具有综合性，地质调查野外路线时，常用穿越法与追索法，但前期信息量收集较大，对各种资料需充分研究。而“3S”技术的集成发展使得野外地质填图技术效率极大提高。根据遥感技术（RS）、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)（即“3S”技术）[11]的特征将其与野外地质填图实践活动有机结合势必能够提升野外地质填图的工作效率，而且能够保证野外地质填图的科学性、精准性与规范性，所以将数字化技术全面应用到野外地质填图实践中已经成为地质勘测领域重点关注的话题。

综上可知，对于数字化地质实习教学的研究具有现实意义，第一梯队的地学高校已经开展这方面的教学活动。然后，并不是所有的高校都具备进行数字化地质实习的条件。以东北石油大学为例，硬件方面学校没有数字化地质实习所必备的GPS或地质行业常用的“掌中宝”等数字化终端。软件方面并不是所有的实习带队教师都能进行数字化地质实习的教学活动。因此，急需一种可操作的教学方法，使广大学生将会有机会利用身边携带方便、耳熟能详、时刻在使用的数字化设备（例如手机、平板电脑），来进行数字化野外地质工作的基础训练，弥补学校没有数字化野外地质实践工具的不足。在实际教学工作中，我们以秦皇岛柳江盆地为研究靶区，以东北石油大学地质2014级本科生为研究样本，对数字化地质实习进行了一些探索工作。

三、数字化地质实习的研究与实践

1.数字化地质实习研究靶区的选择

秦皇岛柳江盆地是国家级地质遗迹自然保护区，是我国北方较为理想的地质教学基地，国内许多的地质专家在该地区做了大量的野外研究工作，对地层、岩石、各种地质作用、构造特征及矿产资源，尤其是野外地质剖面等进行了深入细致的研究。形成的专著或教材较多，如杨丙中、李良芳于1984年编写的《石门寨地质及教学实习指导书》[12]；孙士超于1992年编写的《石门寨地质概况及地质教学实习指南》[13]；西北大学地质系1999年编写的《秦皇岛地区地质实习指导书》；周琦、李延平、方德庆等2000年编写的《秦皇岛地质认识实习教学指导书》；林建平、赵国春、程捷等2005年编写的《北戴河地质认识实习指导书》[14]；王家生《北戴河地质认识实习指导书》[15]和《北戴河地质认识实习简明手册》[16]。柳成志、马凤荣总结多年的野外地质勘查及教学的经验，在继承和发展国内外多位地质专家学者认识的基础上，2006年编写了《北戴河地区地质实习指导书》[17]。在此教材中，对北戴河地区尤其是柳江盆地石门寨地区的野外地质特征，典型剖面的踏勘及描述路线给予了全新的分析和探讨。由于对柳江盆地的地质教学资源比较熟悉，因此选取柳江盆地作为研究靶区，对数字化地质实习进行了研究和应用，且在辽宁兴城地区的地质实习教学中进行了推广。

2.数字化地质实习主要步骤及相关内容

（1）柳江盆地野外地质实习工区地形图数字化。

原来的“传统式”野外地质实习工区地形图，就是每个实习小组配有一张纸质的1∶50000的地形图。利用这张地形图，能够讲授基本的地形图使用方法，基本的地形图要素，传统的罗盘定位方法。但在目前高科技地质考察中，已经大面积应用电子地图，GPS定位等数字化方法。因此，第一项内容就是必须建立数字化地形图数据库。把实习工区的山脉、道路，桥梁等各种地理信息数字化，建立相应的数据库，以便学生在数字化野外地质实习终端中调取、使用（附图1）。这项工作虽然简单、枯燥、重复性强。但其工作成果非常有用，能锻炼广大学生的心性，培养积极的劳动意识，训练他们识别野外地形图的专业技能，使得每位同学都拥有数字地形图。肯定学生们的劳动成果，并让他们使用自己的劳动成果，使其获得劳动后及成功的满足感，从而达到培养广大学生积极的劳动意识的目标。这项教学活动可以在野外地质实践活动的前期室内教育部分完成。

（2）柳江盆地野外地质实习卫星地图数字化。

卫星地图在野外实习中具有重要作用，可以规划路线，寻找实习观测点，甚至在大比例、高清卫星地图上可以描述地质现象，分析地质规律。传统的卫星照片分辨率低，只能大致反映研究靶区的地形特点，远远不能满足野外实习的精度。因此，第二项任务是建立起实习工区的、所能免费获得的分辨率最高的卫星照片数据库。这项内容需要在免费数据服务软件Google Earth上实现（附图2）。引导学生们自己建立起野外工作所需要的卫星地图数据库，并在后期的地质实践中得到应用，从而锻炼他们对数字化产品及相关软件的动手操作能力。

（3）柳江盆地野外地质实习工区地质图数字化。

目前实习工区所应用的地质图是20世纪70年代所绘制的，而且并不是所有教师都有该地质图，学生更是没有。学生野外地质实习的各项学习任务，大多是验证性的任务，在各个观察点验证室内课本所学习的各种地质现象及地质规律。因此，数字化的地质图非常关键，它能给学生以地质宏观概念指导，让学生时刻了解自己所处位置地层的时代与构造特征。能让学生了解一天的野外穿越路线经过了哪些地层，了解柳江盆地不同构造部位的地层产状及岩性特征（附图3）。

（4）柳江盆地野外地质实习典型野外教学路线、观测点数字化。

实习路线将直接影响到野外地质实习的效果,因此野外实习路线的选择十分重要。鉴于实习经费不足，时间缩短等情况必须在原有的多条路线的基础上，打造适合学科特点和学生特点的黄金路线，充分利用有限的资金和时间，达到最佳的实习效果。而且将最佳的实习路线数字化，时刻记录野外地质路线的行进轨迹，并对各个典型的野外地质观测点进行定位，并整合该观测点的授课内容。这样，可以在每条路线出发之前让学生自主进行准备工作，课前预习，做到心中有数。甚至可以在此基础上，让学生自主学习，以小组为单位，制作学习报告，相互讨论，充分激发学生的积极性。对于年轻教师，改数字化路线将指引教师充分备课，提前做好准备工作，以便达到较好的教学效果。

（5）数字化野外地质实习实用终端设备及软件开发。

目前在野外地质工作中，有着大量高性能的终端专业设备，在吉林大学、北京大学等学校都已经做到每个学生在实习期间人手一台专业数字化地质终端设备。但目前许多学校还没有一套类似的设备。但即使没有相关的硬件设备，也可以利用身边的数字化终端设备（例如手机）进行数字化地质教学活动。例如安卓手机用户都可以免费使用的Oruxmaps软件平台，便能完成大部分的数字化地质实习学习任务，掌握数字化地质工作的基本原理。Oruxmaps作为一款优秀的安卓系统导航软件，在野外地质工作中用处很大，至少可以实现以下功能：①把纸质的地形图扫描成图片后，进行坐标校正，按照软件要求的格式导入软件中，就可以显示自己在地图上的位置，为同学们的后方交汇法确定位置提供一个验证；②可以把研究区的地质图按照同样的方法放入到手机中，就可以随时知道自己所在位置的地层、构造等方面的信息；③可以在线使用谷歌卫星地图，或提前做好谷歌离线卫星地图，给我们导航，带领我们去预先设计好的观察点位；④可以实时显示其他队友位置；⑤可以记录地质点位和所走过的轨迹，并导出为谷歌识别的文件，在谷歌上研究考察路线，地质现象；⑥随时给出经纬度坐标、海拔等信息；⑦相对于专业导航软件，其免费，界面好，在手机上画面清楚，使用方便，尤其省流量。引导学生对该软件进行使用开发，使广大学生能够熟练操作该软件进行数字化地质实习的学习任务，培养他们对已有物品进行改进、优化并为己所用的工程思维（附图4）。

（6）野外地质实习电子博客教学资源开发。

时代在发展，技术在不断更新，目前社会已经进入了网络信息时代，学生们都喜欢上网查各种数据、图表及各种专业知识，因此利用电子博客新媒体来指导教学活动具有良好的效果。因此，针对教学内容、教学特点，开发出相应的网络教学资料，使学生方便获得野外实习时间安排、各种地质技能、各条路线的学习内容、各个观察点经典的地质现象，甚至是野外实习穿戴衣物注意事项等野外实习所需要的一切资源，给予学生所谓的“野外地质实习攻略”，将会极大提高学生们的学习兴趣，使学生自主学习（附图4）。更为重要的是，在电子博客上挂载前人经典地质工作笔记（温家宝和身边地质前辈的），引导学生们掌握专业技术的兴趣和意愿，使他们懂得只要脚踏实地、专心工作便能够取得成功，实现自己的理想。

（7）数字化野外地质实习教学引导。

在前期6项准备工作的基础上，引导学生进行数字化野外地质实习。以往在野外填图阶段，学生以小组为单位，独立设计野外路线，进行填图实习工作。往往这种学习任务教师不能有效进行监督。但如果进行数字化野外地质实习教学，教师能够随时掌握各个小组的坐标位置，掌握他们所能观察到的地质现象，掌握他们所在位置的地形、地物特征，让各个小组及时汇报，可以在微信、QQ群上及时进行指导，达到良好的教学效果。

四、数字化地质实习的实施效果及应用意义

利用手机终端，引导地质类本科生进行数字化地质实习的教学活动已在秦皇岛柳江盆地和兴城地区进行了实验教学活动。在教学中，学生能够迅速建立宏观地质概念，随时了解自己所处的构造位置、地层单元。在剖面测量中可以更好地设计剖面走向，在地质填图中精确记录穿越轨迹、标注各类地质点。而且，教师、学生位置实时共享，在独立填图阶段能更好地督促学生跑路线，观察现象，完成所需的地质点位的勘查工作。因此，通过此项技术，能够更好地促进所有地质类高校数字化地质教学在地质本科教学实习中的应用。其不但使新的技术引入到现代地学教育，同时将改进传统教学模式。而且能够增强学生实际动手，引导学生利用手边耳熟能详的工具完成专业上的各种实践内容，培养他们独立解决问题的能力,实现由验证性向综合和创新性的转变。提高学生学习地质的兴趣和求知欲，激发学生综合处理问题的潜能。

参考文献：

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