基于虚拟仿真的腾冲火山地质实习设计与实现

杨海英，赵志芳，王俊，王博，李广伟，解国爱，曾敏，张瑞丝

(1. 云南大学，地球科学学院 云南 昆明 650500 2. 南京大学，地球科学与工程学院 江苏 南京 210000)

腾冲火山地质认识实习是云南大学于2009年以来一直持续建设、依托以火山作用及地质景观为特色的腾冲火山国家地质公园(以下简称：腾冲火山公园)实习基地开展的地质学野外实习，是云南大学地质学、地理物理学等相关专业必修课程《地质认识实习》重要内容之一。腾冲火山公园拥有典型独特的火山地貌，包括大空山、小空山等火山机构、曲石玄武岩柱状节理、热海大滚锅等，并广泛分布火成岩，为世界著名的旅游景观。但面向国际化共享及深度实现认知存在以下问题，严重影响了认知实习效果：(1)火山地质地貌现象极具教学科研推广价值，但腾冲地处中国西南边境、邻近中缅边境，道路遥远，独特丰富的火山地质景观难以面向国内外开放实习共享；(2)腾冲火山地质认识实习的观测对象均为倍受保护的珍稀地质旅游资源，如火山石、柱状节理等更是不可再生资源，传统地质实习需要通过常用的地质锤采集岩块、使用放大镜观察岩石成分结构构造等工作方法，无从深度认知火山地质地貌及火成岩成分、结构、构造特征；(3)腾冲地形地貌陡峻，尤其是曲石玄武岩柱状节理组成的坡地坡度高达60°以上，充分开展地质认识实习存在困难。加之地质认知学习按教学规律一般安排在暑期开展，此时腾冲地区正值雨季，易发生滚石掉落等威胁。在传统腾冲地质认识实习时间1～2天内，通过现场指导教师“教”、学生集中“听”和“练习”方式，很难让几十甚至上百名学生有充分动手使用地质工具，丰富的地质现象、地质体也难以在短时间内全面、反复认知。

随着大数据、人工智能和虚拟现实等新兴技术在教学中不断得到应用，传统的教学方式得以改进，实现“以学生为中心”的教学模式探索，促进学生以“听”为主向以“学”为主、以“表象认知为主”向以“系统过程实验探索”为主的转变，极大提高了教学效果。基于虚拟仿真技术，多个野外地质实习教学系统已先后搭建[1]，如北京周口店野外地质仿真模拟实习教学实验系统[2]、实景虚拟技术还原了工程地质现场环境，探索了虚拟实践相关环节[3]、先进的虚拟仪器和虚拟现实技术，构建了地热地质虚拟实验室[4]。另外，能源地质、海洋地质、野外地质、油田地质等课程相继展开了在线虚拟仿真教学[5-8]。增加了教学方法多样性、培养了学生综合能力。

鉴于此，针对腾冲火山公园传统地质认识实习中存在的不足，本文借助腾冲火山公园的旅游吸引力，依托虚拟仿真平台，搭建了腾冲地区火山地貌地质认识实习虚拟仿真实验教学平台，复原了腾冲火山地貌(主要包括大空山、小空山、曲石柱状节理)三维虚拟仿真场景，优化设计了虚拟地质工具使用及认知实验环节，拓展了多维度多角度火山地貌认知，增强了学生深度认知腾冲火山地质地貌的能力，并引导学生主动实验操作，锻炼了专业人才的创新能力，为综合地学人才培养提供了重要支撑。

1 腾冲火山地质地貌概况

云南腾冲火山公园位于阿尔卑斯-喜马拉雅特提斯构造带东段，三江(金沙江、澜沧江、怒江)构造带腾冲变质地体内。包括火山风景区和热海风景区，主要分布大空山、小空山等火山锥、火山口、熔岩台地、曲石玄武岩柱状节理等著名地质遗迹(图1)。

图1 腾冲火山地质公园地理位置图(a)、构造位置图(b)(据姜朝松[9]、Tapponnieret al [10]、Bai etal.，[11]修改)以及大空山、小空山和曲石地区构造地质图(c)(据云南省地质局(1983))Fig 1. The Geographical Location Map (a)and Structural Location Map(b)of Tengchong Volcano Geological Park，as Well as The Structural Geological Map of Dakongshan，Xiaokongshan and Qushi Area(c)

(1)大空山：火山口保存完好，以兀挺、直刺苍穹而得名，海拔2080m，火山锥高100m，山体底部直径650m～720m，火山口直径约200m，深约50m，为截顶圆锥状火山锥(图2a)。火山口岩垣完整、无裂隙，顶部较平坦且伴有多个小火山口遗迹(图2b)。

图2 大空山、小空山火山锥近景(a)及大空山火山口坑底(b)照片Fig 2. Photos of Close Shots of Dakongshan and Xiaokongshan Volcanic Cones (a)and Dakongshan Crater Floor(b)

大空山火山形成于第四纪更新世中晚期，属腾冲火山活动第三期晚期产物。经历两次主要火山活动，第一次距今约36万年前火山喷溢活动，第二次距今约25万年前爆裂式喷发活动。火山锥由橄榄玄武岩和火山碎屑岩组成，常见的火山碎屑岩为凝灰岩(图3a)和火山弹(图3b)。

图3 腾冲国家地质公园火山凝灰岩(a)、火山弹(b)、浮石(c)和熔岩(d)标本Fig 3. Specimens of Volcanic Tuff (a)，Volcanic Bomb(b)，Pumice(c)，and Lava(d)from Tengchong National Geopark

(2)小空山：位于大空山南侧直线距离500m～600m，二者相伴，均属截顶圆锥状火山(图2a、图4)。小空山是平顶圆锥形火山，火山口处海拔约1960m，底部直径约350m，火山口坑深60m。火山坑最底部保留了原始的熔岩湖地形，在锥体东侧发育后期岩浆侵位形成的半月形熔岩穹丘，其直径约200m，高50m。主要经历两次火山喷发，第一次喷发距今约20万年，没能堆积成很高的锥体；最近一次爆发后山顶留下宽大的火山口，形如锅状。火山机构保存完好，火山锥顶部平坦，锥体由火山碎屑岩、火山灰、火山弹等组成，主要的岩石为火山浮石(图3c和熔岩(图3d))。

图4 腾冲大空山、小空山、黑空山地貌景观Fig 4. Landscape of Dakongshan，Xiaokongshan，and Heikongshanin Tengchong

(3)曲石柱状节理：是火山岩的一种特有景观，柱状节理的形成过程与火山熔岩冷凝作用有关，经地表剥蚀裸露形成地质景观。玄武岩柱状节理形成机制的主导学说是“冷却收缩说”[12]，该学说认为玄武岩流中柱状节理的理想生成方式是岩流冷却过程中，岩浆喷溢出地表冷凝结晶，由于其成分均匀，地形平坦，岩浆缓慢冷却形成半凝固状，并围绕一些大致成等距离排列的凝结中心开始收缩，产生垂直于收缩方向的张力裂隙，从而形成垂直于冷凝面的裂隙面(张节理)，体积收缩引起岩石物质向固定的内部中心聚集，致使岩石裂开，形成多面柱体，把岩石分割成多边形柱状体，是力学上的平衡关系[13，14]。“假说”已有模拟实验很好的验证，三个相邻的六边形之间为最稳定的120°夹角，但由于玄武岩成分和冷却速度的差异性，导致自然界往往不是理想的六边形，常见五边形、四边形等。图5。

图5 腾冲曲石玄武岩柱状节理野外照片(a、b)及柱状节理手标本特征(c)Fig 5. Field Photos of Basalt Columnar Joints in Qushi Area，Tengchong (a，b)and Characteristics of Hand Specimens of Columnar Joints(c)

曲石柱状节理位于腾冲县曲石乡龙川江畔，出露面积约2km2，由火山间断性多次喷发、岩浆冷凝形成柱状节理，经龙川江断裂错断、剥露、风化剥蚀、河流切割，再在流水的冲刷、切割形成特有景观。节理大约形成于3万年前，是我国迄今为止发现的规模最大、保存最完整、年代最新的柱状节理，腾冲当地人把柱状节理称为“神柱”。图5。

2 地质工具简介

(1)地质罗盘：又称“袖珍经纬仪”。主要包括磁针、水平仪和倾斜仪。结构上可分为底盘、外壳和上盖(图6a)，主要仪器均固定在底盘上，三者用合页联结成整体。用于识别方向、确定位置、测量地质体产状及草测地形图等(图6b)，具体使用方法如下：

图6 罗盘组成结构(a)及其测量原理(b)Fig 6. Composition Structure (a)and Measurement Principle(b)of Compass

①方位的测量：将对物觇板指向测物，进行瞄准，使目的物、对物觇板小孔、盖玻璃上的细丝、对目觇板小孔连在一条线上，同时使圆水准器水泡居中，指针静止时北针所指度数即为所测目的物的方位角。

②产状的测量：岩层产状要素包括岩层走向、倾向和倾角(图6b)。a.测量岩层走向：罗盘的长边(与罗盘上标有N-S相平行的边)的一条棱与层面紧贴，然后缓慢转动罗盘，使圆水准器气泡居中。指针停止摆动时，指针(南北指针均可)所指的读数即为岩层之走向；b.测量岩层倾向：将罗盘南端(标有S)的一条棱紧靠岩层面，这时长瞄准器指向与岩层的倾向一致。转动罗盘，使圆水准器的气泡居中。当指针不摆动时，指北针所指的读数即为岩层之倾向；c.测量岩层倾角：当测量完倾向后，不要让罗盘离开岩层面，马上把罗盘转90°(即罗盘直立)，使罗盘的长边紧靠岩层面，并与真倾斜线重合。转动罗盘底面的手把，使测斜器上的水准器(长水准器)气泡居中，这时测斜器上的游标所指半圆刻度盘的读数即为倾角。

在测量地层产状时，一般只需测量地层倾向和倾角，而走向可通过倾向数字加或减90°得到。测量倾向和倾角时，必须先测倾向，后测倾角。

③地形坡度测量：在坡顶、坡底或斜坡上各站一人，或者各立一与人等高的标杆；站在坡底的人把罗盘直立，使长瞄准器指向测量者，并转动反光镜，以观察到长水准器为准。视线从短瞄准器的小孔或尖通过，经反光镜的椭圆孔，直达标杆的顶端或人的头顶。调整罗盘底面的手把，使长水准器气泡居中(从反光镜里查看)，测斜器上游标所指半圆刻度盘读数即为坡度角。

(2)地质锤：地质锤是地质工作的基本工具之一，选用优质钢材或钢头木柄制成。地质锤头一端呈长方形或正方形，另一端呈尖棱形或扁楔形。使用时，一般用方头一端敲击岩石，使之破碎成块；用扁楔形一端沿岩层层面敲击，进行岩层剥离。此外，在完整的岩石露头上，用扁楔形一端为楔，用另一把地质锤敲击，可在岩石表面开凿成槽；也可利用扁楔形一端进行浅处挖掘，除去表面风化物。在野外，地质锤也常作为拍照时的比例尺。

(3)放大镜：放大镜是观察物体微小细节的简单目视光学器件，是焦距比眼的明视距离小得多的会聚透镜。视角愈大，像也愈大，愈能分辨物体的细节。放大镜的使用方法包括：①放大镜靠近观察的物体，观察对象不动，人眼与观察对象之间的距离不变，然后移动放大镜，在物体和人眼之间来回移动，直到物体细节清晰。②放大镜尽量靠近眼睛，放大镜不动，移动人眼的位置，直到物体细节清晰。如“人眼前移”、“人眼后移”。③放大镜靠近观察的物体，观察对象不动，人眼与观察对象之间的距离不变，然后手持移动放大镜，在物体和人眼之间来回移动，直到物体细节清晰。

3 三维虚拟仿真平台设计与实现

3.1 虚拟仿真实验平台设计

腾冲火山地貌地质认识实习虚拟仿真实验主要依托现代信息技术，基于Unity系统，用户通过人机界面与实验室三维仿真平台(http：∥ilab.ynu.edu.cn/virexp/tcyw)互动。平台构建了大空山、小空山、曲石柱状节理野外三维场景，以及地质工具(如GPS测量、地质锤、罗盘、放大镜等的使用说明)使用环节，借鉴游戏玩法引进重要知识点的通关等手段，引导学生深度观测认知、体验野外地质现象和基本工作方法，通过地质工具的反复操作与尝试，熟练掌握地质工具的正确使用技巧。指导老师和每个学生均可在Unity实验平台创建自己的独立账号。学生按照“教学平台登陆-理论学习-试验台-地质观测点”流程学习并进入虚拟仿真实验，进行三维仿真互动实验，完成实验后填写实验报告内容并最终提交报告。实习指导老师登录教学平台，在“课程管理”模块进行课程设置和实习指导，在“实验管理”模块批改学生作业并给出最终成绩。图7。

图7 腾冲火山地质地貌三维仿真模拟界面Fig 7. 3D Simulation Interface for Tengchong Volcanic Geology and Geomorphology

3.2 三维场景下的虚拟实验

该三维仿真系统包括大空山、小空山和曲石玄武岩柱状节理三个模拟场景(图7)。在互动实验中，学生需要掌握GPS定位、地质罗盘、放大镜、地质锤模拟操作，完成坡度、坑深等测量工作，测量数据自动保存在个人实习记录中。

在大空山、小空山和曲石柱状节理三个三维场景下，分别设置了GPS模拟定位(图8a)、地质锤模拟敲打岩石样品(大空山：火山凝灰岩，小空山：浮石)并取样(图8b)、放大镜模拟观察火山凝灰岩及浮石等矿物成分、结构和构造(图8c)。在大空山还设置了地质罗盘模拟测量火山口坡度和坑深(图8d)、测量火山口直径等步骤，在曲石柱状节理场景下虚拟增加了罗盘测量地层产状(走向、倾向、倾角)互动步骤。

图8 三维虚拟仿真实验场景GPS (a)、地质锤(b)、放大镜(c)和地质罗盘(d)使用界面Fig 8.The Interface for Using GPS (a)，Geological Hammer(b)，Magnifying Glass(c)，and Geological Compass(d)in The 3D Virtual SimulationExperimental Scene

不同场景下地质技能操作步骤：在虚拟实验环节中参考游戏通关方式，穿插了知识作答，答对实验才能顺利进行；在三维场景中，右上角设计有导航小地图，界面是实验者置身的场景，小地图上表现绿色点。实验者通过操作鼠标和键盘，可移动到右上角小地图红点位置。到达目标点后，左侧菜单栏地质工具选项即变为蓝色可选状态，便可进行地质工具操作体验。如体验放大镜使用时，点击左侧菜单栏“使用放大镜”后，出现使用放大镜观察岩石画面，通过“人眼不动，放大镜前后移动”或“放大镜不动，人眼前后移动”方法观察岩石(图8c)，实验者可观察到火成岩岩相学特征。放大镜使用完毕后，会跳出相关题目及选项(图8a)，实验者答对则提示“Good job”；答错则弹出提示“你填错啦！”，多次尝试直至答对，才能进入下一步操作。

在大空山三维场景下使用罗盘测量坡度、坑深及火山口直径时，首先点击左侧菜单栏“地质罗盘”，出现罗盘测量坡角场景，通过移动视角，可采用将观测点、罗盘小孔、观察者眼睛调整在一条直线的传统方式测量坡度。用鼠标点按方式拨动罗盘下方拨片，通过罗盘镜子倒影使竖直水泡居中，可测得坡度(图9a、图9b)。实验者填写数据与罗盘读数吻合，即填写数据正确即显示“答案正确”，可进入下一步，否则显示“答案错误”，无法继续实验，需重新测量。

图9 三维虚拟仿真实验场景罗盘(a)及放大镜(b)使用答题界面Fig 9. Answering Interface for The Use of Compass (a)and Magnifying Glass(b)in The 3D Virtual Simulation Experimental Scene

实验者按照操作说明，每完成一个三维场景下的地质工具使用体验，系统会自动给出该实验的得分。待三个场景实验全部完成后，实验者可在“实验报告内容”模块填写实验报告并提交，完成本次实验。

4 虚拟仿真平台在地质教学实习课程中应用成效

本虚拟仿真平台紧密结合腾冲火山旅游资源特色优势，紧紧围绕腾冲国家火山地质公园独一无二的旅游景观，将其丰富典型的旅游地质资源设定为虚拟实习认知的主要对象，增强了实习内容的吸引力，突破了传统野外地质实习的时空局限性。

应用虚拟仿真技术，学生能够采用熟悉的游戏方式，置身于三维场景中“沉浸式”观察野外地质情况，地面、空中任意角度和任意位置观察火山地质地貌，身临其境感受罗盘、GPS、放大镜、地质锤使用方法，突破传统地面静态观测认知局限，促使学生从“听”为主向“学”为主、由“表象认知为主”向“系统过程实验探索”为主转变，教学过程着眼于三维场景、拓展学生全局性视野及实验体验。使教学内容跨越时空“活起来”、“动起来”，促进学生认知实习“深下去”，实习效果显著提升。

本实验平台在疫情期间发挥了至关重要的作用，极大改变了传统野外地质实践教学方式。腾冲地处边境疫情期间无法前往，该虚拟仿真实验课程的建设，是疫情背景下的“应运而生”，十分及时地弥补了野外现场实习无法开展的缺陷。2020年3月一经建成，就全面面向本校地质地理物理学专业及广大地学学生及国内外地学爱好者开放，在线使用达600余人。疫情结束后，该实验平台继续持续开放，较好促进了学生野外实际地质认识实习“课前、课中、课后”的学习，在提前预习野外实习内容、课中反复实验加深理解、课后复习巩固实习中均起到“有的放矢”“精准帮扶”的促进作用。

5 结论及展望

该课程平台通过虚拟仿真技术，在Unity系统构建腾冲火山地质地貌虚拟三维场景，通过三维场景中地质工具模拟操作，有效解决传统野外地质实习时空限制和地质地貌认识视觉局限性等问题，为学生全面、主动反复使用地质工具、深刻地理解火山地质地貌特征提供了重要支撑。

平台自建设以来，为本校学生以及校外地学爱好者提供了专业的教学服务，取得了良好的效果，得到了一致好评。同时，相关教学系统的进一步研发如火山喷发探究式实验也积极进行了推进，线上-线下相结合的实习指导书也在进一步完善中，课程资源也在不断积累建设中，预期结合时下地质公园“游学”“研学”热，面向国际化开放共享，亦有较好的效果。