地质工程虚拟仿真实验室建设思考

＊杜 蕾

（西安石油大学地球科学与工程学院 陕西 710065）

自改革开放以来，我国经济的快速崛起有力地支撑了高等工程教育的发展，为社会主义建设培育了大批优秀的科研、工程技术人员，使我国在各领域特别是重大工程建设方面取得了瞩目的成就。近年来，在走新型工业化发展道路、建设创新型国家和经济全球化的时代背景下，社会对工程技术类人才在技术创新、工程实践及多学科交叉综合能力等方面提出了更高要求[1]，为满足国家和社会的人才需求，高校人才培养的模式也由知识技术型逐渐转变为应用创新型，因此如何利用好实践教学环节来培养创新实践能力强、适应经济发展需要的高素质工程技术人员已成为当前高等工程教育探讨的重要问题之一。目前地质工程专业传统实验室建设已经初步取得成效，可以满足专业基础实验教学的需求，但针对高成本、高难度以及综合性创新实验的开展，传统实验室显得有些“力不从心”，通过建设虚拟仿真实验室，可以打破传统实验室的时间空间局限性，填补传统实验室在工程地质大型实验、现场实验和地质过程演化等方面的空白，对地质工程专业的实践教学具有重要现实意义。

1.虚拟仿真实验室建设的必要性

学者J.Laniar最早提出了虚拟仿真的概念，虚拟仿真技术是指通过计算机仿真系统来创建一个模拟环境并使用户沉浸其中，同时利用各类输出设备将计算机技术产生的电子信号转化为用户可真实感受到的现象[2]。换言之，虚拟仿真技术就是利用计算机合成一个人工虚拟的现实世界[3]。目前虚拟仿真技术已在影视、娱乐、军事、设计等行业得到了广泛应用。而虚拟仿真实验室是以计算机、VR等硬件设备为平台，利用大数据、三维建模、人工智能、云计算、人机交互以及多媒体等多种现代技术，仿真模拟各种实验仪器设备，设计实验过程，使学生在虚拟场景中开展实验，从而达到实验教学目的[4]。

对于地质工程专业而言，创新实践能力是人才培养质量评价的重要指标，创新实践能力的培养取决于实践教学效果，而实践教学效果的保证必然离不开实验室的系统建设。近年来，随着高校工程教育改革的持续推进和实验室建设投入力度的不断加大，传统的实体实验室在硬件设施方面已经基本配备齐全且目前运行状况良好。但针对地质工程专业而言，目前的传统实验室在开展实践教学活动的部分环节中仍然表现出“能力不足”。

首先，传统的实践教学活动的教学模式主要为老师讲授+学生练习，这种教学模式因受到实验场所、仪器设备、时间和师资等的限制，无法向学生提供随时学习的机会，学生在实验课堂上只能完成实验教学大纲要求的“规定动作”，无法进一步满足学生完成开放性和创新性实验的需求。其次，受地质工程专业特点的限制，某些大型实验或现场实验在实际教学中开展困难。例如，三轴实验等专业课程试验时间周期长，仅利用有限的课堂时间难以完成；部分大型现场实验成本较高，部分极端高位环境难以模拟，同时具有一定危险性，因此仅依赖传统实验室很难实现让学生在学习过程中进行实操练习；而地质灾害的形成等地质现象的演变过程更是具有不可模拟性和不可重现性，在实际教学中无法直观向学生展示。针对此类开展困难的专业实验，传统教学中授课教师多利用图片、视频等资料，通过讲解或演示的形式进行，学生因为无法亲身参与实验过程，对相关知识的理解不够深入，实际操作能力无法得到锻炼，因此大大影响了实验教学的效果[5]。

针对当前实践教学中存在的困难与问题，将虚拟仿真技术与地质工程专业实验相结合，建设虚拟仿真实验室作为传统实验室的补充和延伸，不仅打破了传统实验室的时间空间使用限制，解决了地质工程专业教育中面临的周期长、高难度、高成本、高风险实践教学问题[6]。利用虚拟仿真实验平台可以使学生亲自操作大型现场实验，更加深入了解实验的具体操作细节和实验原理，进行地质演化过程的模拟，可以更直观的理解地质现象的形成过程，同时利用虚拟仿真平台学生不仅可以进行实验的重复练习，加深对实验的理解，也可以自主设计开展创新性实验和综合性的工程训练项目，对推动地质工程创新性、开放性实验平台建设，培养学生创新实践能力具有重要意义。

2.虚拟仿真实验室建设现状

近年来，依托国家和教育部门的规划政策，虚拟仿真技术在教育领域应用越来越广泛，高校虚拟仿真实验室的建设规模、种类及发展速度都有了显著提升。目前全国已有百余所高校正投身或已完成虚拟仿真实验教学中心的建设，具体涉及医药学、化学化工、机械工程、地球科学、材料学和土木建筑等多个专业领域[7]。其中地学类专业目前已建成了中国地质大学（北京）的能源地质与评价虚拟仿真实验教学中心及成都理工大学的地质与岩土工程虚拟仿真实验教学中心等多个虚拟仿真实验室。目前地学类虚拟仿真实验室建设虽初见成效，但由于地学类人才培养中综合了科学、技术和工程，具有一定的复杂性，因此较其他专业而言，发展建设水平相对滞后[1]。

根据高校虚拟仿真实验室建设及使用情况反馈，我们可以发现将虚拟仿真实验系统与传统实验教学相结合，两者互相补充，极大丰富了实验教学形式，建立起了互动式教学模式，把教与学有机结合起来。根据各类实验的实验成本、操作难度、实验风险、实验周期和实验教学安排等具体情况选取合适的实验形式，基础性实验以实操实验为主，高难度和高成本实验以虚拟仿真实验为主，综合提升实验教学效果和效率，丰富实验教学内容[8]。利用虚拟仿真实验平台开展实验成本高的实验可以控制实验教学成本，而进行高难度、高风险实验则补充了传统实验的教学空白，加深学生对专业知识的理解。同时利用虚拟仿真实验平台更易推进实验室开放平台、创新平台的建设，可以为学生提供多次练习的机会，提高知识掌握熟练度，拓宽了实验室使用的时间、空间限制范围，从而对于工科类学生实践能力培养具有重要作用[9]。

3.虚拟仿真实验室建设存在问题

目前虚拟仿真实验室建设虽已取得显著成绩，但不能否认的是国内各高校虚拟仿真实验教学工作多数仍处于初步探索阶段，存在诸多不完善的地方。

（1）对老师和学生要求过高。一方面，为了实现虚拟仿真技术与实验教学项目的更好融合，虚拟仿真实验教学软件的开发要求授课教师参与到软件开发过程中，这对教师多学科交叉和知识综合应用能力提出了较高要求，而目前多数教师专注于专业知识，缺乏多学科交叉的综合能力，同时部分教师由于对虚拟仿真技术缺乏深入的了解，导致不愿投入过多时间和精力来开发和学习虚拟仿真实验教学软件，在教学过程中使虚拟仿真实验教学流为形式，无法发挥虚拟仿真技术的优势。

另一方面，学生对于虚拟仿真技术和虚拟仿真实验操作等了解甚少，目前各高校未针对虚拟仿真技术面向学生开设系统的学习课程，导致学生在实验课上不仅要掌握专业实验的操作方法，同时还要学习虚拟仿真软硬件的使用方法，在有限的课堂时间中难以实现，而虚拟仿真实验室由于数量有限、管理严格、维护困难等原因，目前无法实现对全体学生的完全开放使用，导致学生课下练习时间有限，无法保证虚拟仿真实验教学的实际效果。而开展工程设计训练对学生综合能力和创造性具有更高要求，多数学生更是难以达到。

（2）实验教学中存在问题。部分已建设虚拟仿真实验室，为提高虚拟仿真平台的利用效率，降低传统实验室耗材成本，将本来可以进行实操的实验在教学中也使用虚拟仿真实验代替，导致虚拟仿真实验比重过高，实操环节缺失，主次颠倒，虚拟仿真实验没有起到应有的辅助教学效果。现有的虚拟仿真实验系统多仅限于相互独立的实验模块[10]，只能满足实验教学的基础学习任务，而在实际工作中面临的工程地质问题往往是一个复杂综合的系统过程，对工程技术人员的多学科交叉和综合实践能力有较高要求。

4.地质工程虚拟仿真实验室建设思参

针对当前高校虚拟仿真实验室存在的问题，结合地质工程专业的特点，今后地质工程虚拟仿真实验室建设应着重从以下几个方面加以考虑。

首先，在实验教学中我们应该始终明确实操实验才是实验教学的主体和核心，虚拟仿真实验建设的目的只是作为传统实验的补充和延伸，不能一味使用虚拟仿真实验代替实操实验环节，主次颠倒，导致实践环节缺失，协调好实操实验和虚拟仿真实验的关系，两者各自发挥优势，相互配合，全面提升实验教学效果。

认识到虚拟仿真技术在高等工程教育中扮演着重要角色，虚拟仿真实验室建设项目不应该只存在于实验教学改革创新案例中，而是要真正落于实处，将虚拟仿真实验室建设研究成果运用到实际教学工作中。因此针对当前传统实验室建设基本完善的背景下，在进行下步实验室建设总体建设规划时，应该把虚拟仿真实验室放在重点发展的位置。

其次，将专业教师纳入建设团队，加深教师对虚拟仿真技术优势的了解，更好地把技术和教学结合起来，加大对学生的宣传工作，使学生充分了解虚拟仿真技术的优势与特点，提高学生学习兴趣。培养本校教师作为后期维护人员，降低后期维护成本，推进虚拟仿真实验室开放平台建设，保证实验室长期有效服务于实验教学工作。同时适当加大虚拟仿真实验室建设的资金投入，利用充足的资金保障虚拟仿真实验室的硬件配备和软件开发，更好发挥虚拟仿真实验系统功能，保证实验系统的教学使用效果。另外可寻求与同类型或同专业其他大学进行合作开发，共享建设成果，节约成本，避免重复开发造成的资源浪费[11]。

最后，在具体工作中，结合本校、本专业人才培养目标，进行虚拟仿真实验室建设工作，因势利导，突出建设重点，避免照搬照抄。在软件设计中加入丰富的教学内容，利用文字、图片、视频等多种多媒体形式，综合机器人技术、大数据计算、三维建模等多种智能化技术，实现远程交互、多人协作，实现沉浸式体验效果。在完成专业课程独立实验模块建设的基础上，还需深度挖掘学科内和相关学科间各类实验之间的内在联系，逐步建起贯穿本科四年实践教学全过程的综合性虚拟仿真教学系统，在保证日常教学的基础上，同时满足学生开展综合性创新实验和复杂工程实践项目的需求，从而更好的服务于学生创新实践能力培养。

5.结语

虚拟仿真实验室的创建能有效地解决地质工程专业实验教学过程中存在的开展难度大、试验成本高、试验周期长等问题。借助虚拟仿真实验室与传统实验室平台的相互配合，通过线上配合线下，虚拟结合现实的方式，实现虚拟仿真实验教学与传统实验教学两者相互补充、相互配合，更好完成实践教学活动，更好落实教学环节的学生实践能力培养，从而培养面向新时代发展需求，综合能力强的工程技术专业人员。