基于虛擬仿真的騰沖火山地質實習設計與實現

楊海英，趙志芳，王俊，王博，李廣偉，解國愛，曾敏，張瑞絲

(1. 云南大學，地球科學學院 云南 昆明 650500 2. 南京大學，地球科學與工程學院 江蘇 南京 210000)

騰沖火山地質認識實習是云南大學于2009年以來一直持續建設、依托以火山作用及地質景觀為特色的騰沖火山國家地質公園(以下簡稱：騰沖火山公園)實習基地開展的地質學野外實習，是云南大學地質學、地理物理學等相關專業必修課程《地質認識實習》重要內容之一。騰沖火山公園擁有典型獨特的火山地貌，包括大空山、小空山等火山機構、曲石玄武巖柱狀節理、熱海大滾鍋等，并廣泛分布火成巖，為世界著名的旅游景觀。但面向國際化共享及深度實現認知存在以下問題，嚴重影響了認知實習效果：(1)火山地質地貌現象極具教學科研推廣價值，但騰沖地處中國西南邊境、鄰近中緬邊境，道路遙遠，獨特豐富的火山地質景觀難以面向國內外開放實習共享；(2)騰沖火山地質認識實習的觀測對象均為倍受保護的珍稀地質旅游資源，如火山石、柱狀節理等更是不可再生資源，傳統地質實習需要通過常用的地質錘采集巖塊、使用放大鏡觀察巖石成分結構構造等工作方法，無從深度認知火山地質地貌及火成巖成分、結構、構造特征；(3)騰沖地形地貌陡峻，尤其是曲石玄武巖柱狀節理組成的坡地坡度高達60°以上，充分開展地質認識實習存在困難。加之地質認知學習按教學規律一般安排在暑期開展，此時騰沖地區正值雨季，易發生滾石掉落等威脅。在傳統騰沖地質認識實習時間1～2天內，通過現場指導教師“教”、學生集中“聽”和“練習”方式，很難讓幾十甚至上百名學生有充分動手使用地質工具，豐富的地質現象、地質體也難以在短時間內全面、反復認知。

隨著大數據、人工智能和虛擬現實等新興技術在教學中不斷得到應用，傳統的教學方式得以改進，實現“以學生為中心”的教學模式探索，促進學生以“聽”為主向以“學”為主、以“表象認知為主”向以“系統過程實驗探索”為主的轉變，極大提高了教學效果?；谔摂M仿真技術，多個野外地質實習教學系統已先后搭建[1]，如北京周口店野外地質仿真模擬實習教學實驗系統[2]、實景虛擬技術還原了工程地質現場環境，探索了虛擬實踐相關環節[3]、先進的虛擬儀器和虛擬現實技術，構建了地熱地質虛擬實驗室[4]。另外，能源地質、海洋地質、野外地質、油田地質等課程相繼展開了在線虛擬仿真教學[5-8]。增加了教學方法多樣性、培養了學生綜合能力。

鑒于此，針對騰沖火山公園傳統地質認識實習中存在的不足，本文借助騰沖火山公園的旅游吸引力，依托虛擬仿真平臺，搭建了騰沖地區火山地貌地質認識實習虛擬仿真實驗教學平臺，復原了騰沖火山地貌(主要包括大空山、小空山、曲石柱狀節理)三維虛擬仿真場景，優化設計了虛擬地質工具使用及認知實驗環節，拓展了多維度多角度火山地貌認知，增強了學生深度認知騰沖火山地質地貌的能力，并引導學生主動實驗操作，鍛煉了專業人才的創新能力，為綜合地學人才培養提供了重要支撐。

1 騰沖火山地質地貌概況

云南騰沖火山公園位于阿爾卑斯-喜馬拉雅特提斯構造帶東段，三江(金沙江、瀾滄江、怒江)構造帶騰沖變質地體內。包括火山風景區和熱海風景區，主要分布大空山、小空山等火山錐、火山口、熔巖臺地、曲石玄武巖柱狀節理等著名地質遺跡(圖1)。

圖1 騰沖火山地質公園地理位置圖(a)、構造位置圖(b)(據姜朝松[9]、Tapponnieret al [10]、Bai etal.，[11]修改)以及大空山、小空山和曲石地區構造地質圖(c)(據云南省地質局(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、直刺蒼穹而得名，海拔2080m，火山錐高100m，山體底部直徑650m～720m，火山口直徑約200m，深約50m，為截頂圓錐狀火山錐(圖2a)?；鹕娇趲r垣完整、無裂隙，頂部較平坦且伴有多個小火山口遺跡(圖2b)。

圖2 大空山、小空山火山錐近景(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紀更新世中晚期，屬騰沖火山活動第三期晚期產物。經歷兩次主要火山活動，第一次距今約36萬年前火山噴溢活動，第二次距今約25萬年前爆裂式噴發活動?；鹕藉F由橄欖玄武巖和火山碎屑巖組成，常見的火山碎屑巖為凝灰巖(圖3a)和火山彈(圖3b)。

圖3 騰沖國家地質公園火山凝灰巖(a)、火山彈(b)、浮石(c)和熔巖(d)標本Fig 3. Specimens of Volcanic Tuff (a)，Volcanic Bomb(b)，Pumice(c)，and Lava(d)from Tengchong National Geopark

(2)小空山：位于大空山南側直線距離500m～600m，二者相伴，均屬截頂圓錐狀火山(圖2a、圖4)。小空山是平頂圓錐形火山，火山口處海拔約1960m，底部直徑約350m，火山口坑深60m?；鹕娇幼畹撞勘Ａ袅嗽嫉娜蹘r湖地形，在錐體東側發育后期巖漿侵位形成的半月形熔巖穹丘，其直徑約200m，高50m。主要經歷兩次火山噴發，第一次噴發距今約20萬年，沒能堆積成很高的錐體；最近一次爆發后山頂留下寬大的火山口，形如鍋狀?；鹕綑C構保存完好，火山錐頂部平坦，錐體由火山碎屑巖、火山灰、火山彈等組成，主要的巖石為火山浮石(圖3c和熔巖(圖3d))。

圖4 騰沖大空山、小空山、黑空山地貌景觀Fig 4. Landscape of Dakongshan，Xiaokongshan，and Heikongshanin Tengchong

(3)曲石柱狀節理：是火山巖的一種特有景觀，柱狀節理的形成過程與火山熔巖冷凝作用有關，經地表剝蝕裸露形成地質景觀。玄武巖柱狀節理形成機制的主導學說是“冷卻收縮說”[12]，該學說認為玄武巖流中柱狀節理的理想生成方式是巖流冷卻過程中，巖漿噴溢出地表冷凝結晶，由于其成分均勻，地形平坦，巖漿緩慢冷卻形成半凝固狀，并圍繞一些大致成等距離排列的凝結中心開始收縮，產生垂直于收縮方向的張力裂隙，從而形成垂直于冷凝面的裂隙面(張節理)，體積收縮引起巖石物質向固定的內部中心聚集，致使巖石裂開，形成多面柱體，把巖石分割成多邊形柱狀體，是力學上的平衡關系[13，14]?！凹僬f”已有模擬實驗很好的驗證，三個相鄰的六邊形之間為最穩定的120°夾角，但由于玄武巖成分和冷卻速度的差異性，導致自然界往往不是理想的六邊形，常見五邊形、四邊形等。圖5。

圖5 騰沖曲石玄武巖柱狀節理野外照片(a、b)及柱狀節理手標本特征(c)Fig 5. Field Photos of Basalt Columnar Joints in Qushi Area，Tengchong (a，b)and Characteristics of Hand Specimens of Columnar Joints(c)

曲石柱狀節理位于騰沖縣曲石鄉龍川江畔，出露面積約2km2，由火山間斷性多次噴發、巖漿冷凝形成柱狀節理，經龍川江斷裂錯斷、剝露、風化剝蝕、河流切割，再在流水的沖刷、切割形成特有景觀。節理大約形成于3萬年前，是我國迄今為止發現的規模最大、保存最完整、年代最新的柱狀節理，騰沖當地人把柱狀節理稱為“神柱”。圖5。

2 地質工具簡介

(1)地質羅盤：又稱“袖珍經緯儀”。主要包括磁針、水平儀和傾斜儀。結構上可分為底盤、外殼和上蓋(圖6a)，主要儀器均固定在底盤上，三者用合頁聯結成整體。用于識別方向、確定位置、測量地質體產狀及草測地形圖等(圖6b)，具體使用方法如下：

圖6 羅盤組成結構(a)及其測量原理(b)Fig 6. Composition Structure (a)and Measurement Principle(b)of Compass

①方位的測量：將對物覘板指向測物，進行瞄準，使目的物、對物覘板小孔、蓋玻璃上的細絲、對目覘板小孔連在一條線上，同時使圓水準器水泡居中，指針靜止時北針所指度數即為所測目的物的方位角。

②產狀的測量：巖層產狀要素包括巖層走向、傾向和傾角(圖6b)。a.測量巖層走向：羅盤的長邊(與羅盤上標有N-S相平行的邊)的一條棱與層面緊貼，然后緩慢轉動羅盤，使圓水準器氣泡居中。指針停止擺動時，指針(南北指針均可)所指的讀數即為巖層之走向；b.測量巖層傾向：將羅盤南端(標有S)的一條棱緊靠巖層面，這時長瞄準器指向與巖層的傾向一致。轉動羅盤，使圓水準器的氣泡居中。當指針不擺動時，指北針所指的讀數即為巖層之傾向；c.測量巖層傾角：當測量完傾向后，不要讓羅盤離開巖層面，馬上把羅盤轉90°(即羅盤直立)，使羅盤的長邊緊靠巖層面，并與真傾斜線重合。轉動羅盤底面的手把，使測斜器上的水準器(長水準器)氣泡居中，這時測斜器上的游標所指半圓刻度盤的讀數即為傾角。

在測量地層產狀時，一般只需測量地層傾向和傾角，而走向可通過傾向數字加或減90°得到。測量傾向和傾角時，必須先測傾向，后測傾角。

③地形坡度測量：在坡頂、坡底或斜坡上各站一人，或者各立一與人等高的標桿；站在坡底的人把羅盤直立，使長瞄準器指向測量者，并轉動反光鏡，以觀察到長水準器為準。視線從短瞄準器的小孔或尖通過，經反光鏡的橢圓孔，直達標桿的頂端或人的頭頂。調整羅盤底面的手把，使長水準器氣泡居中(從反光鏡里查看)，測斜器上游標所指半圓刻度盤讀數即為坡度角。

(2)地質錘：地質錘是地質工作的基本工具之一，選用優質鋼材或鋼頭木柄制成。地質錘頭一端呈長方形或正方形，另一端呈尖棱形或扁楔形。使用時，一般用方頭一端敲擊巖石，使之破碎成塊；用扁楔形一端沿巖層層面敲擊，進行巖層剝離。此外，在完整的巖石露頭上，用扁楔形一端為楔，用另一把地質錘敲擊，可在巖石表面開鑿成槽；也可利用扁楔形一端進行淺處挖掘，除去表面風化物。在野外，地質錘也常作為拍照時的比例尺。

(3)放大鏡：放大鏡是觀察物體微小細節的簡單目視光學器件，是焦距比眼的明視距離小得多的會聚透鏡。視角愈大，像也愈大，愈能分辨物體的細節。放大鏡的使用方法包括：①放大鏡靠近觀察的物體，觀察對象不動，人眼與觀察對象之間的距離不變，然后移動放大鏡，在物體和人眼之間來回移動，直到物體細節清晰。②放大鏡盡量靠近眼睛，放大鏡不動，移動人眼的位置，直到物體細節清晰。如“人眼前移”、“人眼后移”。③放大鏡靠近觀察的物體，觀察對象不動，人眼與觀察對象之間的距離不變，然后手持移動放大鏡，在物體和人眼之間來回移動，直到物體細節清晰。

3 三維虛擬仿真平臺設計與實現

3.1 虛擬仿真實驗平臺設計

騰沖火山地貌地質認識實習虛擬仿真實驗主要依托現代信息技術，基于Unity系統，用戶通過人機界面與實驗室三維仿真平臺(http：∥ilab.ynu.edu.cn/virexp/tcyw)互動。平臺構建了大空山、小空山、曲石柱狀節理野外三維場景，以及地質工具(如GPS測量、地質錘、羅盤、放大鏡等的使用說明)使用環節，借鑒游戲玩法引進重要知識點的通關等手段，引導學生深度觀測認知、體驗野外地質現象和基本工作方法，通過地質工具的反復操作與嘗試，熟練掌握地質工具的正確使用技巧。指導老師和每個學生均可在Unity實驗平臺創建自己的獨立賬號。學生按照“教學平臺登陸-理論學習-試驗臺-地質觀測點”流程學習并進入虛擬仿真實驗，進行三維仿真互動實驗，完成實驗后填寫實驗報告內容并最終提交報告。實習指導老師登錄教學平臺，在“課程管理”模塊進行課程設置和實習指導，在“實驗管理”模塊批改學生作業并給出最終成績。圖7。

圖7 騰沖火山地質地貌三維仿真模擬界面Fig 7. 3D Simulation Interface for Tengchong Volcanic Geology and Geomorphology

3.2 三維場景下的虛擬實驗

該三維仿真系統包括大空山、小空山和曲石玄武巖柱狀節理三個模擬場景(圖7)。在互動實驗中，學生需要掌握GPS定位、地質羅盤、放大鏡、地質錘模擬操作，完成坡度、坑深等測量工作，測量數據自動保存在個人實習記錄中。

在大空山、小空山和曲石柱狀節理三個三維場景下，分別設置了GPS模擬定位(圖8a)、地質錘模擬敲打巖石樣品(大空山：火山凝灰巖，小空山：浮石)并取樣(圖8b)、放大鏡模擬觀察火山凝灰巖及浮石等礦物成分、結構和構造(圖8c)。在大空山還設置了地質羅盤模擬測量火山口坡度和坑深(圖8d)、測量火山口直徑等步驟，在曲石柱狀節理場景下虛擬增加了羅盤測量地層產狀(走向、傾向、傾角)互動步驟。

圖8 三維虛擬仿真實驗場景GPS (a)、地質錘(b)、放大鏡(c)和地質羅盤(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

不同場景下地質技能操作步驟：在虛擬實驗環節中參考游戲通關方式，穿插了知識作答，答對實驗才能順利進行；在三維場景中，右上角設計有導航小地圖，界面是實驗者置身的場景，小地圖上表現綠色點。實驗者通過操作鼠標和鍵盤，可移動到右上角小地圖紅點位置。到達目標點后，左側菜單欄地質工具選項即變為藍色可選狀態，便可進行地質工具操作體驗。如體驗放大鏡使用時，點擊左側菜單欄“使用放大鏡”后，出現使用放大鏡觀察巖石畫面，通過“人眼不動，放大鏡前后移動”或“放大鏡不動，人眼前后移動”方法觀察巖石(圖8c)，實驗者可觀察到火成巖巖相學特征。放大鏡使用完畢后，會跳出相關題目及選項(圖8a)，實驗者答對則提示“Good job”；答錯則彈出提示“你填錯啦！”，多次嘗試直至答對，才能進入下一步操作。

在大空山三維場景下使用羅盤測量坡度、坑深及火山口直徑時，首先點擊左側菜單欄“地質羅盤”，出現羅盤測量坡角場景，通過移動視角，可采用將觀測點、羅盤小孔、觀察者眼睛調整在一條直線的傳統方式測量坡度。用鼠標點按方式撥動羅盤下方撥片，通過羅盤鏡子倒影使豎直水泡居中，可測得坡度(圖9a、圖9b)。實驗者填寫數據與羅盤讀數吻合，即填寫數據正確即顯示“答案正確”，可進入下一步，否則顯示“答案錯誤”，無法繼續實驗，需重新測量。

圖9 三維虛擬仿真實驗場景羅盤(a)及放大鏡(b)使用答題界面Fig 9. Answering Interface for The Use of Compass (a)and Magnifying Glass(b)in The 3D Virtual Simulation Experimental Scene

實驗者按照操作說明，每完成一個三維場景下的地質工具使用體驗，系統會自動給出該實驗的得分。待三個場景實驗全部完成后，實驗者可在“實驗報告內容”模塊填寫實驗報告并提交，完成本次實驗。

4 虛擬仿真平臺在地質教學實習課程中應用成效

本虛擬仿真平臺緊密結合騰沖火山旅游資源特色優勢，緊緊圍繞騰沖國家火山地質公園獨一無二的旅游景觀，將其豐富典型的旅游地質資源設定為虛擬實習認知的主要對象，增強了實習內容的吸引力，突破了傳統野外地質實習的時空局限性。

應用虛擬仿真技術，學生能夠采用熟悉的游戲方式，置身于三維場景中“沉浸式”觀察野外地質情況，地面、空中任意角度和任意位置觀察火山地質地貌，身臨其境感受羅盤、GPS、放大鏡、地質錘使用方法，突破傳統地面靜態觀測認知局限，促使學生從“聽”為主向“學”為主、由“表象認知為主”向“系統過程實驗探索”為主轉變，教學過程著眼于三維場景、拓展學生全局性視野及實驗體驗。使教學內容跨越時空“活起來”、“動起來”，促進學生認知實習“深下去”，實習效果顯著提升。

本實驗平臺在疫情期間發揮了至關重要的作用，極大改變了傳統野外地質實踐教學方式。騰沖地處邊境疫情期間無法前往，該虛擬仿真實驗課程的建設，是疫情背景下的“應運而生”，十分及時地彌補了野外現場實習無法開展的缺陷。2020年3月一經建成，就全面面向本校地質地理物理學專業及廣大地學學生及國內外地學愛好者開放，在線使用達600余人。疫情結束后，該實驗平臺繼續持續開放，較好促進了學生野外實際地質認識實習“課前、課中、課后”的學習，在提前預習野外實習內容、課中反復實驗加深理解、課后復習鞏固實習中均起到“有的放矢”“精準幫扶”的促進作用。

5 結論及展望

該課程平臺通過虛擬仿真技術，在Unity系統構建騰沖火山地質地貌虛擬三維場景，通過三維場景中地質工具模擬操作，有效解決傳統野外地質實習時空限制和地質地貌認識視覺局限性等問題，為學生全面、主動反復使用地質工具、深刻地理解火山地質地貌特征提供了重要支撐。

平臺自建設以來，為本校學生以及校外地學愛好者提供了專業的教學服務，取得了良好的效果，得到了一致好評。同時，相關教學系統的進一步研發如火山噴發探究式實驗也積極進行了推進，線上-線下相結合的實習指導書也在進一步完善中，課程資源也在不斷積累建設中，預期結合時下地質公園“游學”“研學”熱，面向國際化開放共享，亦有較好的效果。