地质标本虚拟仿真实验教学系统内容框架与功能模块设计.docx

地质标本虚拟仿真试验教学系统内容框架与功能模块设计张晓丽;陈义林;何金先【摘 要】地质标本鉴定技能是地质实践的根本技能之一.虚拟仿真教学系统可以有效解决传统地质标本试验教学中受限于时间和空间的问题.本文设计了地质标本虚拟仿真试验教学系统的内容框架与功能模块,用于指导虚拟仿真系统的建设.所设计的地质标本虚拟仿真系统包括 5 局部内容和 3 种功能模块,目标是建设一套内容全面、功能有用和贴近实际教学场景的仿真系统.通过该虚拟仿真系统,将能提高地质标本试验教学的信息化水平与资源共享程度,便利教师进展教学、考核、组织学生竞赛等工作,大幅度提高教学效率和学生的学习乐观性.【期刊名称】兰州教育学院学报【年(卷),期】2023(033)003【总页数】3 页(P84-86)【关键词】地质标本;虚拟仿真;试验教学;内容;功能模块;设计【作 者】张晓丽;陈义林;何金先【作者单位】中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116;中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116;中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏徐州 221116【正文语种】中 文【中图分类】G642教育部教育信息化十年进展规划(2023-2023 年)和教育部教高司函(2023)94号文件关于开展国家级虚拟仿真试验教学中心建设工作的通知明确提出要加强高校试验教学与实践教育中心信息化建设，推动虚拟仿真试验教学系统建设与资源共享。1-2目前，虚拟仿真教学系统作为一种有效教育手段，已经广泛应用于高校的试验教学中，3-5并且在地质专业中也得到运用，6-8教学效果良好。地质类专业格外留意实践力量的培育，9-10地质标本鉴定技能是地质实践根本技能之一。针对地质标本的试验教学，前人探究过地质标本的关心教学方法与信息化工作，11-12取得了一些成果。但是，由于受到试验场所和试验开放时间的限制， 学生不能便利地进展地质标本鉴定技能的学习，同时也严峻限制了教师组织开展地质标本鉴定的技能考核与技能竞赛活动。地质标本虚拟仿真试验教学系统，具有较多的优点：能够实现先进技术与有用相结合，突破时间与空间的限制，可以便利地进展教学、考核、开展竞赛等教学工作， 它可以大幅度提高教学效率和学生的学习乐观性。因此，建立一套地质标本虚拟仿真试验教学系统，可以很好地解决目前地质标本试验教学中存在的时间与空间限制问题。矿山地质根底试验教学中心是中国矿业大学培育学生地质实践根本技能的重要单位，依托该试验中心，江苏省教育厅 2023 年省级在线开放虚拟仿真试验教学工程“地质标本在线虚拟仿真试验教学与训练竞赛系统”获批立项，本文尝试对地质标本虚拟仿真系统的内容框架与功能模块进展设计，目标是建设一套内容全面、功能有用和贴近实际教学场景的仿真系统。在传统的地质标本试验教学中，课程内容一般包括：矿物、岩石 (沉积岩、岩浆岩、变质岩)、煤岩、古生物化石、显微镜下鉴定。为了尽可能贴近实际教学效果，地质标本虚拟仿真系统也围绕这 5 局部内容进展。通过选择典型的标本进展图像、音频或视频资料采集，并进展人工精细鉴定，总结成报告，然后综合进展加工处理， 最终制作成虚拟仿真资源。以下对这 5 局部的内容分别进展阐述：(一)矿物对矿物手标本鉴定及其对应薄片显微镜下鉴定内容进展虚拟仿真建设。选取自然元素矿物、硫化物及其类似化合物矿物、卤化物矿物、氧化物和氢氧化物矿物、含氧盐矿物共 5 大类矿物中的常见典型矿物标本，进展图像、音频或视频资料采集， 并进展人工精细鉴定，进展虚拟仿真内容的建设。根本要求：在矿物标本的外表设立不同观测点，并猎取在不同观测点以肉眼观看和10 倍放大镜观看这 2 种观看模式下矿物的三维特征资料，包括颜色、条痕、光泽、透亮度。模拟外力作用(比方敲击)后矿物表现出的解理、劈理、断口、脆性和延展性等特征。动画仿真模拟表现矿物的磁性和电性等特征。模拟显微镜下观测和鉴定矿物的过程，包括矿物在单偏光、正交偏光和锥光镜下的表现特征。模拟鉴定过程配有相应的动态图像、文字和语音说明。(二)岩石对岩石手标本鉴定及其对应岩石薄片显微镜下鉴定内容进展虚拟仿真建设。选取岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类岩石的典型标本进展虚拟仿真。其中，岩浆岩包含超基性岩、基性岩、中性岩和酸性岩；沉积岩，包括陆源碎屑岩和內源沉积岩；变质岩，包含接触变质岩、区域变质岩、混合岩化变质岩、动力变质岩。根本要求：岩石标本进展虚拟仿真的内容要表达鉴定岩石标本的一般内容，一般包 括：颜色、构造、构造、矿物组成及其百分含量，然后是综合命名。依据不同岩石 类型，其虚拟仿真内容略有区分。在虚拟仿真中，应是模拟自然光照条件下，且模 型制作时包括肉眼观看和 10 倍放大镜观看这 2 种观看模式下观看到的内容。同时，对岩石薄片以单偏光、正交偏光和锥光镜条件里在 100 倍显微镜下观看到的三维特征进展信息采集。(三)煤岩煤岩的试验鉴定是矿业类高校的特色。对煤岩手标本鉴定及其对应煤岩薄片、煤岩光片、粉煤光片显微镜下鉴定内容进展虚拟仿真建设。煤岩标本包括泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤。根本要求：在煤岩标本的外表设立不同观测点，并猎取在不同观测点以肉眼观看和10 倍放大镜观看 2 种观看模式下煤岩的三维特征，包括：不同煤化程度腐植煤(泥炭、褐煤、长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤)的颜色、条痕色、光泽、断口、内生裂隙等特征，还包括腐植煤宏观煤岩成分、宏观煤岩类型的特征资料。同时，猎取显微镜单偏光、正交偏光下观看和鉴定煤岩薄片、煤岩光片、粉煤光片显微组分及其亚组分的反光色、透光色、形态、构造等特征资料，并三维动画模拟不同类型煤岩标本的燃烧试验过程。(四)古生物化石对古生物化石手标本鉴定及其对应薄片显微镜下鉴定内容的虚拟仿真建设。依据矿业类高校特征，古生物化石主要侧重于古植物、古动物化石。根本要求：在古生物化石标本的外表设立不同观测点，并猎取在不同观测点以肉眼观看和 10 倍放大镜观看 2 种观看模式下古生物化石的三维特征。同时，收集古生物薄片在 100 倍显微镜单偏光下观看与鉴定的内容。仿真鉴定过程可以配动态图像、文字和语音说明。局部古生物特征承受动画予以表现。(五)显微镜观看显微镜观看的内容，融合在矿物、岩石、煤岩、古生物化石的显微镜观看内容中， 具体见上文表达。主要强调是透射光、反射光、正交偏光、单偏光、锥光镜下的观看技能。同时，由于矿业类高校行业特色，显微镜下观看主要为能源矿产地质勘查效劳，矿物和岩石内容的主要侧重于以下内容：1. 常见造岩矿物与岩浆岩包含橄榄石、辉石类、角闪石类、云母类矿物、长石类、石英、霞石、锆石、榍石、磷灰石、石榴石、萤石、方解石、白云石等矿物的岩石薄片。2. 沉积岩沉积岩与化石能源矿产联系严密，是教学的重点，因此是重点虚拟仿真内容。砂岩， 侧重于各种典型类型的砂岩薄片，内容包括：识别石英的标型特征、各种长石和岩 屑、常见重矿物类型、支撑类型、胶结类型、正杂基和假杂基，常见胶结物的成分 和构造类型。碳酸盐岩，侧重于砂屑灰岩，鲕粒灰岩，白云化灰岩的鉴定。3. 变质岩由于变质岩与化石能源矿产相关性相对较小，因此教学过程中要求略少。主要标本是千枚岩、片岩、片麻岩、大理岩、石英岩、糜棱岩等。地质标本虚拟仿真系统，功能应当具有有用性，满足教学的各种需求。因此其应具备有学习、训练、考核与竞赛共 3 种功能模块，可以便利教师进展教学、考核、组织学生竞赛等教学工作。以下是这 3 种功能模块的根本要求： (一)学习功能模块在学习功能模块，学生可以利用鼠标进展地质标本观看尺度、观看角度和鉴定条件的调整，以三维状态仿真模拟地质标本的鉴定过程，还配备动态图像、文字说明和语音说明。系统能供给试验过程的指导，帮助学生进展学习，最终使得学生把握地质标本的标准化鉴定技能。(二)训练功能模块在训练功能模块，学生模拟鉴定未知地质标本，推断地质标本的特征并对未知矿物进展定名，然后系统可以给出所鉴定矿物的名称，最终到达强化训练地质标本鉴定技能的教学目标。(三)考核与竞赛功能模块在考核与竞赛功能模块，仿真系统不供给指导，系统随机抽取设定数目的地质标本， 学生在规定时间内完成地质标本鉴定，系统自动给出考核成绩和正确答案。教师可导出成绩到指定的虚拟试验治理平台，考核结果可治理。(一)典型地质标本选取问题典型地质标本的选取，是进展虚拟仿真系统建设的关键工作之一。矿山地质根底试验教学中心中地质标本资源丰富，但是局部地质标本由于保存时间长远而风化不颖，可以进展微切割露出颖面，便利观看与仿真资源猎取。缺少的地质标本则多渠道选购或野外采集。(二)高质量信息采集问题地质标本的图像、视频信息采集，也是虚拟仿真系统建设的关键工作之一。最正确的图像、视频信息采集是对标本进展 360°自由旋转采集，但是该类信息采集设备价格昂贵而导致信息采集本钱较高。可以在地质标本外表设多个观测点进展采集，本钱较低。如何合理设计观测点，是一个需要重视的问题。(三)运行治理、产权保护问题目前，国内缺乏虚拟仿真教学系统运行治理的阅历积存，13-14尤其是针对地质标本虚拟仿真系统运行治理的阅历尚属空白，后期需要不断摸索与完善。同时，在线开放，可以实现更大范围的资源共享，但是也会带来学问产权保护的压力。15 如何针对地质标本虚拟仿真教学系统，既能进展网络在线开放共享资源，又能很好保护版权，实行可持续进展，也需要后期进展探究。地质类专业格外留意实践力量的培育，地质标本鉴定技能是地质实践根本技能之一。传统的地质标本试验教学由于受到时间、空间的限制，学生不能便利地进展地质标 本鉴定技能的学习，同时也限制了教师组织开展地质标本鉴定的技能考核与技能竞 赛活动，制约了试验教学效果，虚拟仿真教学系统可以有效解决时间和空间的限制 问题。本文设计了地质标本虚拟仿真试验教学系统的内容与功能模块，用于指导虚 拟仿真系统的建设过程。地质标本虚拟仿真的内容包括矿物、岩石、煤岩、古生物 化石、显微镜下鉴定共 5 局部内容，具备有学习、训练、考核与竞赛 3 种功能模块，总体上具有内容全面、功能有用和贴近实际教学场景的特点。通过该虚拟仿真系统，提高了地质标本试验教学的信息化程度，促进了试验资源的共享，便利教师进展教学、考核、组织学生竞赛等工作，可以大幅度提高教学效率和学生的学习乐观性。同时，本文所设计的内容和功能模块，可以为其他单位进展虚拟仿真试验教学系统的建设供给有益参考。