一流课程建设背景下“宝石矿床学”虚拟仿真实验教学环境的探索与实践

史淼 ，袁野，陶隆凤 *

1.河北地质大学宝石与材料学院，石家庄 050031

2.河北省岩石矿物材料绿色开发重点实验室，石家庄 050031

3.硅酸盐固废资源化利用河北省工程研究中心，石家庄 050031

4.中国地质大学（北京）珠宝学院，北京 100083

前言

自2019年教育部发布《教育部关于一流本科课程建设的实践意见》起，全国高校以树立课程建设新理念为核心，推进并完善课程的改革与创新，全面开展一流本科课程的建设与实践[1]。

“宝石矿床学”课程是地质学基础课“矿床学”分支，是专门针对宝石及材料工艺学专业本科生开设的一门专业核心课，旨在从根源上让学生了解并掌握珠宝玉石产出的地质条件、形成过程及典型特征，具很强的理论性与应用性[2-4]。为使学生更好地理解、消化理论知识，进行矿床学实验教学必不可少，但宝玉石矿产资源的形成是一个漫长、复杂且不可逆的地质过程，我们无法直接观察、描述距今上亿年前的地质事件，且矿产开采也存在较大的安全风险，这就决定了宝石地质教学中引入并建立虚拟仿真实验教学体系的必要性。虚拟仿真实验以现代教育理论为指导，以计算机网络技术、仿真技术及多媒体技术为依托，是现今信息时代背景下建立的一种全新实验教学模式，它不仅能够还原再现真实的实验过程，而且还能够克服传统实验的各种制约和弊端，优化教育资源，提高教学质量[5-7]。

目前，宝石矿床实验教学一般采用野外调研、室内标本观察等教学方式，且出于安全性考虑，在野外研究中无法直接对地下采矿过程进行实地考察[8]。针对以上存在问题，借助计算机虚拟仿真技术，构建新型实验教学环境，弥补宝石矿床教学过程中野外观测与普通实验的不足之处，解决专业理论学习与实践教学难题，提高宝石地质教学质量，力求解决制约地质学人才培养瓶颈问题，同时也为一流本科课程的建设提供创新性探索与实践案例。

1 “宝石矿床学”虚拟实验教学体系建立

1.1 构建思路

“宝石矿床学”课程将宝石学与地质学相结合，重点针对各类珠宝玉石展开成矿机理研究与教学，课程教学复杂且抽象。虚拟仿真理念的引入，会使抽象的矿床概念变得更容易理解，而虚拟仿真实验将依托原有宝石矿床教学实验体系，增设于野外教学与室内实验教学基础之上，是对原有实验教学的有益补充。本课程作为宝石及材料工艺学专业本科教学的核心课，前接“普通地质学”、“结晶学与矿物学”及“岩石学”等地质类专业基础课，后续专业生产实习，本专业的课程教学将以“宝石矿床学”为示例，以“从现实存在到抽象模型，从虚拟仿真到虚实结合，从虚实结合到回归现实”这一思路逐渐展开教学实践[9]，从教学、实习、实践以及科研等多个环节全程把控[10]，最终形成完整的专业课程教学体系。

1.2 主要教学模块

引入虚拟仿真实验教学理念后，“宝石矿床学”课程教学整体分为理论教学、实验训练及科研活动3大模块：

（1）理论教学

宝玉石矿产资源种类较多，教学涵盖知识点广泛且重点、难点居多。已有宝玉石矿床专属教材出版较早，存在一定时代局限性，而矿床学专业教材重点为主矿床体系，除针对宝石矿床的内容、篇幅较少外，对主体系各类矿床的知识点也进行了高度精炼与浓缩。在理论教学中，采用教师课堂讲授与学生主观能动性带动相结合的方式，尤其是在教师授课过程中，将理论难点内容（如矿床、矿体、矿石、矿物4个维度矿床学概念；矿体空间产状与矿床形成；矿床成因类型与成矿专属性等）进行虚拟仿真化，从而有助于学生梳理矿床体系，加强学生对重点、难点知识的理解与掌握。

（2）实验训练

实验训练为该课程虚拟仿真教学中最为核心的内容，可细分为宝玉石矿床野外考察、矿体手标本室内观察以及宝玉石矿床虚拟仿真实验教学3个部分。野外考察与矿体手标本观察为传统实验教学模式，且已有多年实践教学经验，课程野外路线为山东昌乐蓝宝石矿床与蒙阴金刚石矿山地质公园实地考察；矿体手标本包含有岩浆、热液、风化、沉积以及变质等多个成因类型的各类宝玉石原岩样品。

宝玉石矿床虚拟仿真实验是对野外考察与室内实验这两部分的有益增补，主要针对理论教学、野外调研以及手标本观察中的重难点问题设计了专门的虚拟教学实验训练。虚拟仿真实验部分主要分为：1）穿越式地质体验，通过虚拟仿真手段模拟还原典型宝玉石矿床形成的地质过程，使学生通过对宝玉石矿体形成、时空演化、地质变迁以及后期保存的全过程体验，将抽象性概念现实化，从而理解并掌握理论教学难点；2）地质类博物馆云游，带领学生云参观已开放线上观展功能的各地质博物馆，通过观察馆藏岩石矿物样品，弥补自身实验室矿床手标本种类与数量的不足；3）采矿模拟实验，对宝玉石矿床的开采与分选过程、宝玉石原矿的切磨与加工过程等设计模拟实训软件，学生使用软件对各类生产过程进行模拟实操，从而弥补出于安全性考虑不能带领学生进行现场考察的遗憾。

（3）科研活动

科研活动主要表现为在授课时注重对学生科研兴趣与科研思维的引导与培养，结合教师已有科研项目，通过让学有余力学生参与完成科研项目的部分内容，将项目研究成果向虚拟仿真实验教学资源进行转化，使学生们得到科研思维、方法和实验技能的训练与提升。

1.3 教学资源库建设

（1）虚拟教学资源库

为进一步打造宝玉石矿床的三维沉浸式体验教学，虚拟仿真教学资源库的建立必不可少。课程从虚拟视频库、虚拟软件库及虚拟标本库全面构建虚拟仿真教学资源。

虚拟视频库，主要为宝玉石矿产资源时空分布、宝玉石矿床形成过程模拟、典型宝玉石矿床三维解剖等教学视频，对应理论教学难点与实验训练的“穿越式地质体验”。

虚拟软件库，主要为宝玉石矿床开采与宝玉石原矿加工的可实操软件，旨在让学生模拟体验采矿与加工过程，对应实验训练的“采矿模拟实验”。

虚拟标本库，主要为各类矿体手标本的三维数字标本库。由于地质类教学标本种类较多且结构、构造复杂，部分标本还容易风化、腐蚀与磨损[11]，故建立虚拟标本库有利于教学样品扩充，同时能够使样品教学信息较完整的保存下来。该库对应于室内实验教学，并且通过“云游博物馆”存储下来的虚拟样品又是对室内实验样品种类的有效补充。

（2）3D打印教学模型库

建立3D打印模型标本库进一步将虚拟标本库实物化[12]，同时建立模型库的过程也是改变传统“教师教与学生学”模式，提升学生课堂沉浸感与参与感的重要环节。学生通过课堂学习与自身理解，把理论知识应用于宝石矿床学样品三维建模与实体成型中去，从而加强了对知识点的理解与掌握，提高了学生的实践创新能力。

2 实施效果与改进措施

“宝石矿床学”虚拟仿真实验教学体系构建完成后，已在我校宝石及材料工艺学专业大三年级学生展开了实践教学，课程设置的各类虚拟实验引起了学生们极大的专业学习兴趣。通过虚拟实验教学，学生们对宝玉石矿产形成的地质过程有了更好地理解与掌握，同时也对矿产资源的开发技术与流程有了一定程度的了解与认识。学生们普遍反映，引入虚拟仿真理念的“宝石矿床学”既生动有趣又知识点丰富，自己能够在课堂上及时消化难懂的地质知识，并且在参与虚拟教学资源库建设的过程中，自己的科研积极性也得到了有效调动，对各类大学生创新创业项目申报的积极性有了显著提高。

课程实施教学过程中也存在一些需要改进的问题，如虚拟实验教学视频需进一步丰富与完善；虚拟教学软件在使用过程中存在卡顿，仍需编辑与优化；典型矿床3D模型打印过程中，建模软件与打印参数仍需进一步模拟与调整，从而得到更适宜值，使打印出的模型效果更好。以上存在问题在后续教学过程中都会进一步完善与改进。

3 结语

“宝石矿床学”课程教学通过引入全新的虚拟仿真实验教学理念，改变了传统“教师教与学生学”的模式，提升了课堂的趣味性，增强了学生的课堂沉浸感与参与感，从而提高了学生对知识的理解与实际运用能力。在课程教学实施与探索过程中，克服了传统实验的制约，尤其是在现今疫情影响下，野外教学工作常常受到防控影响而无法正常展开。建立虚拟教学资源库，不失为一种有效的备选方案。

“宝石矿床学”虚拟仿真实验教学为宝石及材料工艺学专业本科生实践教学提供了全新地尝试，完成了虚拟教学环境的探索与构建，从而改进了教学模式并提高了教学质量，为一流专业本科课程建设提供可参考的实例。