地球物理實驗教學中虛擬仿真系統設計與應用

賈劍鋼， 張文穎， 張 煜

（武漢大學測繪學院，武漢 430079）

0 引 言

信息技術高速發展的今天，學生的學習方式和知識獲取途徑日趨多樣。根據《國家信息化發展戰略綱要》的指導意見，教師教育模式、教學方法也將向著信息化、智能化發展［1-2］。

地球物理實驗教學是地球物理學科人才培養中的重要環節。由于受教學資源的限制，實驗教學往往難以覆蓋全部的教學內容體系，通常采取集中授課、講座、視頻、研討等形式，難以達到實驗教學的目標和要求。傳統教學模式是將理論教學和實踐教學相結合，在完成一定的理論知識儲備后，組織學生進入實踐教學環節，存在形式枯燥、直觀性不強、效果不理想等問題，實踐教學受制于場地、時間、相關條件等約束，亟待改進和革新。

虛擬現實仿真互動教學新模式順應了教育信息化的發展趨勢和現實需要，必將對高等教育質量的提升和實驗教學改革的深化，產生積極而重要的影響［3-6］。該模式提出了覆蓋入門摸底、培訓提高、實驗考核全過程教學模式，將虛擬現實、模式識別、仿真交互等先進技術引入實驗教學，構建新型的大學實驗室虛擬仿真系統，具備實驗基礎知識培訓及考核、虛擬仿真實驗開展、實驗信息管理等功能。目前，越來越多的實驗室和相關機構都開始了虛擬仿真系統的研發［7-12］?；谔摂M現實技術，構建了虛實結合的地球物理構造地震震源機制解實驗軟件平臺，通過云南地震監測臺網數據的采集、處理與仿真實驗，建立功能完整、重點突出、效果顯著的地震地球物理實驗系統，實現了基礎實驗、研究訓練、考核評價等教學功能。

1 教與學的關系轉變

1.1 突出以學生為主體的實驗特征

隨著我國高等教育規模的不斷增長，學生主體日益增大，個性化和差異性培養需求日益凸顯，準確地認識大學生的學習特征尤為重要。大學教育中知識的廣度和深度提升很大，學生的學習方式和教師的指導方式均發生了變化。地球物理虛擬仿真實驗的宗旨是以學生為主體，充分站在學生的角度設計和組織整個實驗，讓學生獨立完成地震響應“設計－處理－驗證－分析”的整個實驗過程，并具有較大的開放性，注重實驗設計能力和分析、處理能力的培養和提高。學生不僅可以通過實驗系統設計實驗案例，還可處理并分析自己的案例及結果。

1.2 助力實驗效果提升

科學的學習方法是提高學習效率、達到學習目的重要途徑。構造地震響應觀測與震源過程分析虛擬仿真實驗系統基于云南曲江斷裂建立的三維實景模型改進了學習方法，讓學生在計算機上完整地觀察斷層地貌的三維特征，增強了實驗代入感。大多數的實驗過程都是沒有步驟記錄且不可復制，實驗過程中的錯誤或偏差導致最后結果不理想，往往較難找到原因。本系統可通過實驗記錄查詢，回溯實驗過程，擴展了實驗功能。系統還提供了良好的交互性，支持學生在系統中實時提交遇到的問題及實驗成果，供指導教師及時給出反饋意見，提升了實驗效果。

1.3 信息化智能化掀起教學革命浪潮

互聯網、大數據、云計算、物聯網、虛擬現實、人工智能等信息技術的廣泛應用對人類社會產生了巨大的影響。從“數字地球”到“智慧地球”，掀起了互聯網浪潮后的又一次科技革命［13-14］。地球物理教學的發展也需與時俱進，信息化教學應運而生。目前，慕課等多個線上教學平臺的開發和廣泛應用，電子教學資源的提供都為信息化教學提供了有利的條件［15-17］。

2 地球物理虛擬仿真實驗的改革

2.1 實驗目的

“構造地震響應觀測與震源過程分析”虛擬仿真實驗的教學內容包括：理解活動斷裂構造及震源機制的地質與地球物理特性，掌握寬頻帶地震儀布設和地震波數據采集的流程，重點培養學生獨立、自主學習地震波數據處理和地球物理反演震源參數的創新實踐能力。

構造地震是地震災害的主要形式，在實際地震實習中難以實時地觀測到構造地震響應及識別發震過程。本實驗系統針對云南曲江活動斷裂帶的構造幾何形態和空間展布，結合以往的地震發震歷史，通過虛擬技術模擬構造地震的發震過程，對實際的地震臺站觀測進行仿真，并通過反演地震波數據推斷虛擬震源過程。實驗突破傳統實驗的時空限制，充分調動學生參與實驗的主動性、提升學生科研與工程實踐能力，通過感受復雜隨機的地震發震過程、地震臺站布設和觀測處理及地震速報，強化地震學理論與實踐的結合；通過“虛實結合”與“線上線下協同”的實驗教學方式，提升實驗教學效果，踐行“過程控制”的精細化教學模式。

2.2 教學模式

為實現虛擬仿真實驗的在線開展，按照地震學實習要求，本實驗項目開發了包括：①活動斷裂構造及虛擬地震活動；②寬頻帶地震儀布設和地震波數據采集；③地震波數據處理和震源過程地球物理反演3 個主要實驗功能模塊的虛擬仿真實驗教學系統。系統包含學習模式、實踐模式和考核模式三大在線實驗模式，覆蓋了實驗背景知識學習、實驗訓練和實驗考核評價的全過程。

學習模式主要提供學生自主學習的實驗平臺。通過介紹地震監測和地震應急案例、地震震源構造、地震波激發和傳播、震源過程、地震響應觀測裝置、地震波數據處理、地球物理反演方法、地震震源探測等知識模塊，讓學生全面了解構造地震的發震機理，以及從地震監測到反演地震震源機制與應急響應的知識要點。

實踐模式通過以上3 個實驗功能模塊，訓練學生構造地震響應觀測與震源分析的實驗能力?；顒訑嗔褬嬙旒疤摂M地震活動通過讓學生認識活動斷裂構造的地表和地下特征、地震發震的斷層運動、地震波響應估計等過程詳細了解構造地震的活動要點。寬頻帶地震儀布設和地震波數據采集模塊通過在地震監測臺站第一視角對地震響應裝置的布設，讓學生理解和掌握地震監測在地震第一時間發生時的關鍵作用。地震波數據處理和地球物理反演震源過程模塊則以地震應急響應的第一視角，讓學生理解和掌握在地震發生后迅速獲取地震震源過程的相關知識，在地震救援、減災中作出正確判斷。

考核模式主要用于評估學生實驗的效果。實驗系統后臺具有操作步驟記錄等功能，為實驗的精確評估提供了必要條件。系統采用多種考核相結合的方式，根據學生完成實驗情況進行評價。在3 個功能模塊中，對學生的交互操作進行評分，出具總評成績，考查學生對構造地震的發震、觀測和反演整個過程的掌握情況。在后兩個模塊中還進一步通過最終是否達到成功監測地震響應，并迅速正確作出地震應急反饋來考查學生的掌握情況。

2.3 實驗方法

本項目實驗采用云南曲江斷裂上發生的“通海地震”實例，構建“設計－處理－驗證－分析”完整的實驗流程，通過在線學習、虛擬實驗操作和實時評價結合，完成整個構造地震響應觀測與震源過程分析實驗教學活動，訓練學生掌握構造地震發震、地震監測以及地震應急的全過程；寬頻帶地震儀布設和地震波數據采集、地震波數據處理和震源過程地球物理反演模塊則通過最終能否達到成功監測地震和及時提出地震應急指標等來考察學生對相關知識的掌握情況。

系統首先對實驗進行了整體介紹，展示了云南曲江斷裂帶的活動斷層展布（見圖1）。在三維實景中對斷層的地貌進行特征識別，輸入震源參數和滑動角后，模擬展現“通海地震”面貌（見圖2）。系統中震源參數動態可調、三維位置可自由標定，保證了實驗的靈活性，并可用模擬其他真實地震案例。

圖1 基于三維實景的活動斷層展布

圖2 震源機制和地震波輻射模型

在寬頻帶地震儀布設和地震波數據采集（圖3）的過程中，系統展示了云南地震監測臺網的觀測臺站布設。在三維虛擬場景下學生可進行地震儀及其配套設備的連接等操作，設置地震儀采集參數等。

圖3 寬頻帶地震儀布設及地震波數據采集

地震波數據處理和震源過程地球物理反演環節中，學生需先完成臺站的選擇及數據的獲取。下載相關數據后，可在系統中開展相應的數據處理（見圖4）。數據處理包括地震震相識別與標定、反演震源過程權因數設置、CAP 法震源機制反演、震源深度反演等多個實驗步驟，通過實際操作使學生更好地掌握地震監測與分析研究的基本方法。

圖4 地震波數據處理和震源過程地球物理反演

2.4 教學特色

（1）虛實結合的實際案例教學。采用云南曲江斷裂上發生的“通海地震”為例，采用虛擬仿真技術設計和制作了基于云南曲江斷裂的真實三維實景模型，可“總覽”“俯瞰”“近觀”斷裂展布、斷層崖、沖溝等特征地貌，增強了沉浸感和真實度，促進基本知識點的理解和掌握；通過視頻、動畫的方式，再現“通海地震”的震時面貌，給予地震的直觀視覺感受。實驗系統具有對震源參數動態可調、三維位置標定等功能，虛實結合，展開構造地震的響應觀測與震源機制研究。通過改變參數（震源深度、走向、傾角、滑動等）方法使構造地震震源可變，此舉在真實的地震案例基礎上保證了實驗的靈活性。

（2）能實不虛的人機交互閉環。實驗系統基于“云南省地震監測臺網”的真實臺站和真實數據，結合真實活動斷裂三維實景的應用，實現“通海地震”的真實再現與震源機制反演，保障了實驗的真實性；同時采用人機交互式的“震源參數設置-反演方法選取應用-震源深度擬合與分析”的實驗閉環，保障了實驗驗證的真切感。區別于傳統教學實驗中受限于真實地震的不可重復和預見性、無法獲得震源參數更大自由度，無法自主選擇觀測臺站及觀測數據，實現地震監測與應急響應閉環的實踐過程，該虛擬仿真實驗有利于學生更好地掌握地震監測與分析研究的基本方法，達到實踐課程的高階性等創新要求。

系統針對地震斷層破裂過程、地震波傳播及地殼巖石圈位移變形響應理論教學中的困難，結合理論課程中的地震波傳播等公式，根據云南曲江活動斷裂帶區域野外地震臺站的觀測數據，再結合三維實景虛擬仿真斷裂帶地震破裂及地震波傳播過程，讓學生從地震學理論、觀測數據及模擬實驗多個方面，直觀地了解構造地震的發震過程，掌握震源機制解、地震過程、地震波傳播及地表響應等重點知識。

（3）注重綜合能力培養及知識拓展。系統注重提高學生的實踐動手能力及創新能力。通過地震斷層的破裂過程與地震波響應關系、反演震源機制方法等加強學生對理論的理解，支持學生對地震臺站布設、數采參數設定及數據精細處理的掌握，激勵對相關創新性問題的獨立思考、分析和研究。系統提供了地震發震、監測和應急的全過程體驗，并可采取單個或多個學生組隊等形式開展實驗，充分調動學生的積極性和自主性。

系統擁有的虛擬仿真實驗教學情景、信息化的教學模式，具備知識拓展功能，可讓實踐教學環節得以延伸。隨著地震學的理論和技術不斷發展，知識點隨之演化，系統的實驗內容可根據教學需要隨時調整和優化。

3 結 語

在信息化智能化快速發展的今天，傳統的授課方式已不能滿足多樣化教學的需求，地球物理學實驗教學也要求多樣化智能化。結合典型地震開展實驗教學，能促進學生全面掌握相關知識點及實驗技能。本系統以曲江斷裂典型構造地震為例，依托云南地震監測臺網觀測條件，通過虛擬技術重現構造地震的發震機理，通過仿真構建“設計－處理－驗證－分析”為一體的完整實驗流程，解決了實驗場地、時間、媒介等等諸多實驗條件受限的問題，使學生更好地掌握地震發震機理、臺網監測及數據處理等關鍵技術。系統具備良好的交互性，拓展了自主學習、實驗實踐及精細考核等模式的應用，展現了虛實結合等實驗教學特色。