把远方搬进实验室—— 虚拟仿真与3D打印技术赋能地学教育
2021.03.23 矿业界/王雨双
北京市房山区上方山，一架无人机腾空而起，搭载的倾斜相机和全景相机记录下绝壁凿石而成的“云梯”，经过三维建模，云梯“原位-原味”呈现在虚拟仿真实验平台。
云梯是电影《智取华山》的取景地，群峰环拱，险峻陡直，难以攀爬。但是，通过虚拟仿真平台采集数据创建虚拟漫游，利用3D打印机制模打印，一个可视、可触的上方山三维模型呈现在眼前，足不出户，即可 “亲临现场”开展野外地质教学与实习。
这是中国地质大学（北京）信息工程学院虚拟仿真实验教学中心和3D打印实验室的一个工作场景。该教学中心和实验室，紧密结合地学办学特色，以信息化为引擎，将虚拟仿真与3D打印技术赋能地学教育，构建了地学信息化高质量发展的教学教研新模式。
（1）虚拟仿真使“远方”触手可及
教育部部长陈宝生在“世界慕课大会”主旨报告中指出：“人工智能与虚拟仿真技术的发展，使得教育突破了时间和空间的束缚，去触摸过去未达、现在想达、未来能达的美好愿景，让教育更加丰富多彩”。
“地学信息工程虚拟仿真实验教学中心”正是基于这样的理念，依托地质大学“地质资源与地质工程”国家重点学科，在信息工程学院院长郑新奇教授带领下，于2012年开始建设，主要通过地质过程的仿真模拟，为地质、资源、环境、灾害等领域提供高新技术教学和研究平台。
经过多年的努力，中心建设了虚拟地质实习、数字博物馆、地质钻孔虚拟实验室、地质灾害仿真实验等一系列典型项目。其中，“复杂地形条件下空间信息采集与地理环境仿真虚拟实验”2018年被教育部认定为国家级虚拟仿真实验教学项目。
在2020年抗击新冠疫情“停课不停学”期间，虚拟仿真平台大量的优质在线资源为教学提供了保障。中心搭建的“虚拟北京上方山国家森林公园”项目，使往年需要野外完成的《3S综合实习》课程，借助虚拟仿真平台，为分散在全国各地的学生成功实现了 “云端教学实习”。
（2）3D打印使“抽象”具体生动
“地质3D打印重点实验室” 立足地学特色，由郑新奇教授于2015年牵头成立。针对地学模型多时空动态变化特点，实验室研发了专用的挤出头系统、上色系统、水冷系统，取得十余项发明专利。通过对地质体和地质图3D打印，将抽象的、文字难以直观描述的大地构造、古生物、化石标本、岩石晶体等模型，实现可视可触的具象表达，取得了良好的教学和实习效果。
为使更多学生切身感受三维建模与打印技术，信息工程学院依托3D实验室，连续三届举办全校性“地学3D打印建模大赛”，并组织优秀建模团队参加全国比赛，近百名选手获奖，其中《冬奥会室外赛道3D建模与分析》在第12届全国三维数字化创新设计大赛中获得总决赛一等奖。
“攀登，看到新高度”！2020年5月27日，我国珠峰高程测量登山队成功登顶，3D打印实验室带领本科生，在第一时间运用高分数字地形模型和卫星影像，制作了珠峰3D模型和虚拟珠峰漫游场景，将实时实事融入地理信息科学专业的课程思政，弘扬“穿山跨海 为国家苦行 为科学先行”的攀登精神！
（3）凝练特色，赋能地学，促进地学信息化高质量发展
2020年底，郑新奇教授虚拟仿真团队参与了聚焦地球科学重大基础研究项目——“深时数字地球DDE（Deep-time Digital Earth（2019-2028））”，承担“野外地质剖面的三维虚拟现实实现”子课题。该课题利用中心已有的虚拟仿真技术优势，整合地学大数据，在云平台构建更高层次、更广应用的虚拟科研环境，实现跨时空、跨领域的异地同步共享地学资源。该课题的研发也使得虚拟仿真教学中心开启了从教学平台向地学基础研究平台的跃升。
经过近10年持续建设，虚拟仿真教学中心和地质3D打印实验室与所依托的地理信息科学专业（GIS）同步成长。2019年，地理信息科学专业首批入选国家级一流本科专业，2020年，《3S综合实习》被评为国家级一流本科课程。该专业教学成果获得全国高校教学成果奖、测绘科技进步奖、地理信息科技进步奖等诸多奖项。
2021年3月11日，全国两会审议并批准了十四五规划和2035年远景目标纲要，纲要提出“建设高质量本科教育，……建立学科特色发展引导机制”。虚拟仿真教学中心和3D打印实验室也将借此契机，继续秉承地学优势，强化新技术应用，推进地学信息化高质量特色发展！
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