地球物理实验教学中虚拟仿真系统设计与应用

贾剑钢， 张文颖， 张 煜

（武汉大学测绘学院，武汉 430079）

0 引 言

信息技术高速发展的今天，学生的学习方式和知识获取途径日趋多样。根据《国家信息化发展战略纲要》的指导意见，教师教育模式、教学方法也将向着信息化、智能化发展［1-2］。

地球物理实验教学是地球物理学科人才培养中的重要环节。由于受教学资源的限制，实验教学往往难以覆盖全部的教学内容体系，通常采取集中授课、讲座、视频、研讨等形式，难以达到实验教学的目标和要求。传统教学模式是将理论教学和实践教学相结合，在完成一定的理论知识储备后，组织学生进入实践教学环节，存在形式枯燥、直观性不强、效果不理想等问题，实践教学受制于场地、时间、相关条件等约束，亟待改进和革新。

虚拟现实仿真互动教学新模式顺应了教育信息化的发展趋势和现实需要，必将对高等教育质量的提升和实验教学改革的深化，产生积极而重要的影响［3-6］。该模式提出了覆盖入门摸底、培训提高、实验考核全过程教学模式，将虚拟现实、模式识别、仿真交互等先进技术引入实验教学，构建新型的大学实验室虚拟仿真系统，具备实验基础知识培训及考核、虚拟仿真实验开展、实验信息管理等功能。目前，越来越多的实验室和相关机构都开始了虚拟仿真系统的研发［7-12］。基于虚拟现实技术，构建了虚实结合的地球物理构造地震震源机制解实验软件平台，通过云南地震监测台网数据的采集、处理与仿真实验，建立功能完整、重点突出、效果显著的地震地球物理实验系统，实现了基础实验、研究训练、考核评价等教学功能。

1 教与学的关系转变

1.1 突出以学生为主体的实验特征

随着我国高等教育规模的不断增长，学生主体日益增大，个性化和差异性培养需求日益凸显，准确地认识大学生的学习特征尤为重要。大学教育中知识的广度和深度提升很大，学生的学习方式和教师的指导方式均发生了变化。地球物理虚拟仿真实验的宗旨是以学生为主体，充分站在学生的角度设计和组织整个实验，让学生独立完成地震响应“设计－处理－验证－分析”的整个实验过程，并具有较大的开放性，注重实验设计能力和分析、处理能力的培养和提高。学生不仅可以通过实验系统设计实验案例，还可处理并分析自己的案例及结果。

1.2 助力实验效果提升

科学的学习方法是提高学习效率、达到学习目的重要途径。构造地震响应观测与震源过程分析虚拟仿真实验系统基于云南曲江断裂建立的三维实景模型改进了学习方法，让学生在计算机上完整地观察断层地貌的三维特征，增强了实验代入感。大多数的实验过程都是没有步骤记录且不可复制，实验过程中的错误或偏差导致最后结果不理想，往往较难找到原因。本系统可通过实验记录查询，回溯实验过程，扩展了实验功能。系统还提供了良好的交互性，支持学生在系统中实时提交遇到的问题及实验成果，供指导教师及时给出反馈意见，提升了实验效果。

1.3 信息化智能化掀起教学革命浪潮

互联网、大数据、云计算、物联网、虚拟现实、人工智能等信息技术的广泛应用对人类社会产生了巨大的影响。从“数字地球”到“智慧地球”，掀起了互联网浪潮后的又一次科技革命［13-14］。地球物理教学的发展也需与时俱进，信息化教学应运而生。目前，慕课等多个线上教学平台的开发和广泛应用，电子教学资源的提供都为信息化教学提供了有利的条件［15-17］。

2 地球物理虚拟仿真实验的改革

2.1 实验目的

“构造地震响应观测与震源过程分析”虚拟仿真实验的教学内容包括：理解活动断裂构造及震源机制的地质与地球物理特性，掌握宽频带地震仪布设和地震波数据采集的流程，重点培养学生独立、自主学习地震波数据处理和地球物理反演震源参数的创新实践能力。

构造地震是地震灾害的主要形式，在实际地震实习中难以实时地观测到构造地震响应及识别发震过程。本实验系统针对云南曲江活动断裂带的构造几何形态和空间展布，结合以往的地震发震历史，通过虚拟技术模拟构造地震的发震过程，对实际的地震台站观测进行仿真，并通过反演地震波数据推断虚拟震源过程。实验突破传统实验的时空限制，充分调动学生参与实验的主动性、提升学生科研与工程实践能力，通过感受复杂随机的地震发震过程、地震台站布设和观测处理及地震速报，强化地震学理论与实践的结合；通过“虚实结合”与“线上线下协同”的实验教学方式，提升实验教学效果，践行“过程控制”的精细化教学模式。

2.2 教学模式

为实现虚拟仿真实验的在线开展，按照地震学实习要求，本实验项目开发了包括：①活动断裂构造及虚拟地震活动；②宽频带地震仪布设和地震波数据采集；③地震波数据处理和震源过程地球物理反演3 个主要实验功能模块的虚拟仿真实验教学系统。系统包含学习模式、实践模式和考核模式三大在线实验模式，覆盖了实验背景知识学习、实验训练和实验考核评价的全过程。

学习模式主要提供学生自主学习的实验平台。通过介绍地震监测和地震应急案例、地震震源构造、地震波激发和传播、震源过程、地震响应观测装置、地震波数据处理、地球物理反演方法、地震震源探测等知识模块，让学生全面了解构造地震的发震机理，以及从地震监测到反演地震震源机制与应急响应的知识要点。

实践模式通过以上3 个实验功能模块，训练学生构造地震响应观测与震源分析的实验能力。活动断裂构造及虚拟地震活动通过让学生认识活动断裂构造的地表和地下特征、地震发震的断层运动、地震波响应估计等过程详细了解构造地震的活动要点。宽频带地震仪布设和地震波数据采集模块通过在地震监测台站第一视角对地震响应装置的布设，让学生理解和掌握地震监测在地震第一时间发生时的关键作用。地震波数据处理和地球物理反演震源过程模块则以地震应急响应的第一视角，让学生理解和掌握在地震发生后迅速获取地震震源过程的相关知识，在地震救援、减灾中作出正确判断。

考核模式主要用于评估学生实验的效果。实验系统后台具有操作步骤记录等功能，为实验的精确评估提供了必要条件。系统采用多种考核相结合的方式，根据学生完成实验情况进行评价。在3 个功能模块中，对学生的交互操作进行评分，出具总评成绩，考查学生对构造地震的发震、观测和反演整个过程的掌握情况。在后两个模块中还进一步通过最终是否达到成功监测地震响应，并迅速正确作出地震应急反馈来考查学生的掌握情况。

2.3 实验方法

本项目实验采用云南曲江断裂上发生的“通海地震”实例，构建“设计－处理－验证－分析”完整的实验流程，通过在线学习、虚拟实验操作和实时评价结合，完成整个构造地震响应观测与震源过程分析实验教学活动，训练学生掌握构造地震发震、地震监测以及地震应急的全过程；宽频带地震仪布设和地震波数据采集、地震波数据处理和震源过程地球物理反演模块则通过最终能否达到成功监测地震和及时提出地震应急指标等来考察学生对相关知识的掌握情况。

系统首先对实验进行了整体介绍，展示了云南曲江断裂带的活动断层展布（见图1）。在三维实景中对断层的地貌进行特征识别，输入震源参数和滑动角后，模拟展现“通海地震”面貌（见图2）。系统中震源参数动态可调、三维位置可自由标定，保证了实验的灵活性，并可用模拟其他真实地震案例。

图1 基于三维实景的活动断层展布

图2 震源机制和地震波辐射模型

在宽频带地震仪布设和地震波数据采集（图3）的过程中，系统展示了云南地震监测台网的观测台站布设。在三维虚拟场景下学生可进行地震仪及其配套设备的连接等操作，设置地震仪采集参数等。

图3 宽频带地震仪布设及地震波数据采集

地震波数据处理和震源过程地球物理反演环节中，学生需先完成台站的选择及数据的获取。下载相关数据后，可在系统中开展相应的数据处理（见图4）。数据处理包括地震震相识别与标定、反演震源过程权因数设置、CAP 法震源机制反演、震源深度反演等多个实验步骤，通过实际操作使学生更好地掌握地震监测与分析研究的基本方法。

图4 地震波数据处理和震源过程地球物理反演

2.4 教学特色

（1）虚实结合的实际案例教学。采用云南曲江断裂上发生的“通海地震”为例，采用虚拟仿真技术设计和制作了基于云南曲江断裂的真实三维实景模型，可“总览”“俯瞰”“近观”断裂展布、断层崖、冲沟等特征地貌，增强了沉浸感和真实度，促进基本知识点的理解和掌握；通过视频、动画的方式，再现“通海地震”的震时面貌，给予地震的直观视觉感受。实验系统具有对震源参数动态可调、三维位置标定等功能，虚实结合，展开构造地震的响应观测与震源机制研究。通过改变参数（震源深度、走向、倾角、滑动等）方法使构造地震震源可变，此举在真实的地震案例基础上保证了实验的灵活性。

（2）能实不虚的人机交互闭环。实验系统基于“云南省地震监测台网”的真实台站和真实数据，结合真实活动断裂三维实景的应用，实现“通海地震”的真实再现与震源机制反演，保障了实验的真实性；同时采用人机交互式的“震源参数设置-反演方法选取应用-震源深度拟合与分析”的实验闭环，保障了实验验证的真切感。区别于传统教学实验中受限于真实地震的不可重复和预见性、无法获得震源参数更大自由度，无法自主选择观测台站及观测数据，实现地震监测与应急响应闭环的实践过程，该虚拟仿真实验有利于学生更好地掌握地震监测与分析研究的基本方法，达到实践课程的高阶性等创新要求。

系统针对地震断层破裂过程、地震波传播及地壳岩石圈位移变形响应理论教学中的困难，结合理论课程中的地震波传播等公式，根据云南曲江活动断裂带区域野外地震台站的观测数据，再结合三维实景虚拟仿真断裂带地震破裂及地震波传播过程，让学生从地震学理论、观测数据及模拟实验多个方面，直观地了解构造地震的发震过程，掌握震源机制解、地震过程、地震波传播及地表响应等重点知识。

（3）注重综合能力培养及知识拓展。系统注重提高学生的实践动手能力及创新能力。通过地震断层的破裂过程与地震波响应关系、反演震源机制方法等加强学生对理论的理解，支持学生对地震台站布设、数采参数设定及数据精细处理的掌握，激励对相关创新性问题的独立思考、分析和研究。系统提供了地震发震、监测和应急的全过程体验，并可采取单个或多个学生组队等形式开展实验，充分调动学生的积极性和自主性。

系统拥有的虚拟仿真实验教学情景、信息化的教学模式，具备知识拓展功能，可让实践教学环节得以延伸。随着地震学的理论和技术不断发展，知识点随之演化，系统的实验内容可根据教学需要随时调整和优化。

3 结 语

在信息化智能化快速发展的今天，传统的授课方式已不能满足多样化教学的需求，地球物理学实验教学也要求多样化智能化。结合典型地震开展实验教学，能促进学生全面掌握相关知识点及实验技能。本系统以曲江断裂典型构造地震为例，依托云南地震监测台网观测条件，通过虚拟技术重现构造地震的发震机理，通过仿真构建“设计－处理－验证－分析”为一体的完整实验流程，解决了实验场地、时间、媒介等等诸多实验条件受限的问题，使学生更好地掌握地震发震机理、台网监测及数据处理等关键技术。系统具备良好的交互性，拓展了自主学习、实验实践及精细考核等模式的应用，展现了虚实结合等实验教学特色。