浅析虚拟现实技术在地热地质教学科研中的应用_男达瓦.pdf

2023，Vol.43，No.06农业与技术交流园地浅析虚拟现实技术在地热地质教学科研中的应用男达瓦1刘昭2格桑尼玛1郎旭娟2刘丽伏3罗拉次旺1成佳旋2(1.西藏自治区地质矿产勘查开发局地热地质大队，西藏 拉萨 850032;2.河北地质大学水资源与环境学院，河北 石家庄 050031;3.河北地质大学校医院，河北 石家庄 050031)摘要:目前，地热地质相关学科专业建设进入快速发展期，而传统实体实验室的更替速度已落后于技术的发展，其初期投资成本、后期运行及维护费用高等问题，并且受到场地和时间等因素的限制，给教学和科研活动带来了极大的不便。利用先进的虚拟仪器和虚拟现实技术，构建地热地质虚拟实验环境成为比较经济的方案，虚拟实验室可以提供内容丰富、不受时域限制的开放性实验;而虚拟实验往往把条件理想化，实现复杂的实验较困难，同时使用虚拟实验过程中可能导致学生对实际仪器缺乏了解，导致学生脱离实际动手能力降低。因此，在地热地质虚拟实验开发过程中应尽可能跟实际仪器对应，做好虚实结合;并且紧密与地热地质科研过程有效衔接，使学生能从虚拟的实验和科研过程中更有效地学习，相关教学成果也可向社会公众进行科学普及。关键词:虚拟现实技术;地热地质;教学科研;应用中图分类号:S3文献标识码:ADOI:10.19754/j.nyyjs.20230330036收稿日期:20221221基金项目:西藏自治区中央引导地方区域创新体系项目(项目编号:XZ202201YD0029C);河北地质大学教学改革研究与实践项目重点项目(项目编号:2017J05);河北地质大学 2018 年度“微专业”建设项目研究成果(项目编号:2018W02);2022 年省级专业学位教学案例(库)立项建设项目(项目编号:KCJSZ2022087);国家自然科学基金项目(项目编号:41502220);西藏自治区自然科学基金项目(项目编号:XZ2019zrg158，XZ202001Z0044G);西藏自治区重点研发计划项目(项目编号:XZ202101ZY0008G);大学生创新创业训练计划项目(项目编号:202110077017，S202210077013)作者简介:男达瓦(1976)，男，本科，高级工程师。研究方向:水工环地质、地热地质;通讯作者刘昭，男，副教授。研究方向:地下水科学、地热地质教学及科研。全球范围内，地热资源利用量持续增长，开展地热资源利用的国家已经达到 88 个。据 2020 年世界地热大会报告，在地热直接利用方面，装机容量已达到107727MWt，较 2015 年增长 52%;在地热发电方面，装机容量已达到 15950MWe，较 2015 年增加 27%，并预测世界地热发电增速将有所放缓。我国的地热发电装机容量为 34.896MWe，水热地热资源地热供暖装机容量为14160MWt，温泉洗浴及疗养地热容量为 5747MWt，地源热泵装机容量 26450MWt1;相对于快速增长的地热直接利用而言，我国地热发电进展缓慢。郑克棪对我国地热的发展历程和前景进行了展望，分析了地热发展滞后、不均衡的原因，对未来我国地热发展进行了展望2;朱传庆等对地热产业存在的问题及地热学科专业建设提供了针对性的建议3。“十四五”规划和 2035 年远景目标纲要提出因地制宜开发利用地热能，随着 2023 年世界地热大会将在我国召开，“十四五”期间我国地热能开发产业将进入快速发展期，预计全国对地热地质专业人才的需求量将呈现增长趋势。目前，地热地质相关教学实践资源建设相对滞后，因此在地热开发利用不平衡、不充分的背景下，探索“双碳”目标下地热地质教学科研虚拟现实教学案例建设，加强高层次地热应用人才培养，为碳中和技术创新发展提供急需的地热地质专业人才显得尤其重要。而实验实践教学是其中的重要环节，通过将地热地质有关实体实验、科研过程及结果虚拟实现，使学生更好地将理论学习应用于实际中去，提高学生的专业素质;不仅丰富地热地质专业课程的教学内容，而且相关教学科研成果可更好地向社会公众进行科学普及。1研究现状虚拟现实(virtualreality，V)是以计算机技术为核心，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面近似的数字化环境。V 从产生之初就受到许多行业的高度关注，特别是需要消耗大量人、财、物以071交流园地农业与技术2023，Vol.43，No.06及具有危险性的应用领域。V 也被广泛应用于公共安全、工业设计、医学、规划、交通和文化教育等行业和部门4，5。任升莲等阐明了 V 技术在地学教学中的应用前景及实施方法，建议采用非沉浸式或半实物虚拟仿真的方法实现地学虚拟教学的方案6;梁秀娟等利用V 技术建立相关的地质、水文地质模型和专业模型，对含水层结构、地下水流、地下水质和环境地质问题进行了虚拟表达7;邱隆伟探讨了 V 技术在地学类课程教学中的应用前景，其应用有助于促进教学环境的完善和教学理念的改变8;彭博从 V 技术概念、主要特征及国内外研究现状等，分析了 V 在教育教学及成人教育中的应用前景9;周训等开展了地下热水循环模拟实验教学，很好地提升了学生的专业素质10;苏小惠探讨了 V 技术在风景园林设计应用前景及存在的技术问题11;韩双彪等将复杂的地质现象与 V 技术结合，探讨了能源地质虚拟仿真实验教学的必要性、建设思路、功能效果及应用前景12;罗珽等讨论了该技术在地球科学领域的优势与前景，以及进一步拓展应用水平还需要解决的相关问题13;闫佰忠等通过融合大数据和虚拟仿真技术，构建了基于室内实验室、室外实验场、校外实践基地和多种专业软件仿真模拟的“四维度”水文地质教学实践平台，并得到了很好的应用14。已有的研究及应用成果为本次研究提供了很好的参考，V 技术在地热地质教学及科研应用过程中，应结合高校及科研院所实际需求、紧密结合已有地热地质教学科研成果，将有关实验、科研过程通过 V技术呈现，提升师生的专业素养;并不断探索将产学研相关成果向社会公众进行科普，提高公众的科学素养。2发展趋势及存在的问题随着有较高智能化程度的生产工具的研制，V作为一种全新的显示方式，正在不断满足人们对于信息可视化变革的期待。尤其在 V 与地球科学专业结合的领域，通过学科交叉与综合协同研究，将地球科学学科前沿与高新技术融合，使 V 技术成为地球科学研究的一种重要技术手段，为地球科学学科的发展带来新的变革，尤其在地热地质交叉热点学科中的应用，将极大地推动其学科建设与发展。目前 V 领域的重要技术问题包括:V 环境的智能程度较低;用户可交互可操作的功能有限;虚拟和真实世界的融合繁琐低效;对象演化模式缺乏生命力;虚拟环境呈现的整体沉浸感不足。此外，目前 V 内容比较稀缺，形式较为单一，难以满足行业领域对 V 内容大众化、个性化生产的迫切需求15，16。结合地球科学行业特色高校学科的特色，虚拟现实技术在地热地质教学科研中的应用，应紧紧抓牢为培养高质量创新型应用人才的主线，让学生掌握国内外地热地质学研究理论和应用方面的动态;建设过程中用围绕地热地质学的主要研究方法，综合地下水科学、固体地球物理学基础及构造地质学等学科知识，充分借鉴科研院所、地质矿产、煤炭及石油类高校相近和类似地热地质学课程的教学内容，既突出地热理论基础的学习，又注重地热地质学的实际应用;并紧密结合科研项目进行案例讲授，将野外地热地质调查、样品采集及分析、室内资料等过程通过虚拟现实技术展现出来，系统地培养学生掌握地热地质相关研究的科学方法，充分运用已有的联合培养基地，结合场地案例锻炼学生的野外能力，创新“产教融合、科教融汇”协同育人机制;探索将教学科研成果利用虚拟现实技术进行呈现，向社会公众进行科学普及。3结论通过上述资料整理及分析，得出以下结论及建议。结合高校、科研院所的实际需求，开展地热地质相关课程建设，增加特色的地热地质教学实验设计、地热地质实践环节等教学内容。将地热地质有关教学及野外独特的现象(间歇泉、水热爆炸、地热能综合开发利用等)进行虚拟实现，将理论学习与实际运用结合，提高学生的专业素质。整合已有地热地质教学及科研成果，将科研过程及结果通过虚拟现实技术展示出来，丰富地热地质专业课程的教学内容。高温水热型地热资源。选取西藏典型的羊八井、羊易及古堆地热田开展案例教学，介绍高温地热田如何经济合理地进行勘探、开发及利用，为区域高温地热综合利用及工程建设项目热害防治服务。中低温水热型地热资源。选取雄安新区及校园开展地热地质学相关研究案例教学，服务国家节能减排和能源结构调整，支撑雄安新区深部地热清洁能源高效开发利用，推进绿色校园建设进程。岩热型地热资源。以山东招远为例，探明该地区岩热型地热资源潜力，探索单井换热技术应用，助力区域新旧动能转换战略。结合“世界水日”“世界地球日”等主题活动，联合科研院所及地勘一线单位，将地热地质相关成果利用虚拟技术进行呈现，开展地下水深部循环、节能1712023，Vol.43，No.06农业与技术交流园地减排、碳中和等科技志愿服务，面向大中小学及社会公众进行科普。参考文献 1Lund J W，Toth A N Direct utilization of geothermal energy 2020worldwide review J Geothermics，2021，90:101915 2 郑克棪 中国地热的回顾和展望 J 地热能，2022(02):2830 3 朱传庆，邱楠生，常健，等 我国地热资源产业现状及地热学教育发展前景 J 中国地质教育，2016，25(03):14 4 Zhao Q P 10 Scientific problems in virtual reality J Communi-cations of the ACM，2011，54(2):116118 5 Steed A，Friston S，Lopez M M，et al An In the Wild exper-iment on presence and embodiment using consumer virtual reality e-quipment J IEEE Transactionson Visualization and ComputerGraphics，2016，22(4):14061414 6 任升莲，宋传中，孙世群 虚拟现实技术在地学教学中的应用J 中国地质教育，2003，12(03):2326，33 7 梁秀娟，林学钰，于军 虚拟现实技术在水文地质研究中的应用 J 吉林大学学报(地球科学版)，2005，35(05):636640 8 邱隆伟 虚拟现实技术在地学类课程教学中的应用 J 中国地质教育，2006，15(02):6164 9 彭博 虚拟现实技术与成人教育 J 农业与技术，2008，28(04):147149 10 周训，方斌，郭帅 地下热水循环模拟实验教学与学生专业素质的培养 J 实验技术与管理，2012(03):259260，268 11 苏小惠 探讨虚拟现实技术在风景园林设计中的应用 J 农业与技术，2014，34(02):152 12 韩双彪，张金川 虚拟仿真实验在能源地质教学中的应用探讨 J 现代职业教育，2018(22):72 13 罗珽，冷伟 沉浸式虚拟现实技术在地球科学中的应用 J 中国科学技术大学学报，2021，51(06):431440 14 闫佰忠，周亚红，于开宁，等 基于大数据和虚拟仿真技术的水文地质实践教学新体系改革探索 J 现代职业教育，2022(34):4649 15 赵沁平，周彬，李甲，等 虚拟现实技术研究进展 J 科技导报，2016，34(14):7175 16 曹煊 虚拟现实的技术瓶颈 J 科技导报，2016，34(15):94103(责任编辑常佳琪)271