在三晋大地的褶皱深处，封存着一座永不融化的冰雪宫殿——山西宁武万年冰洞。这一万年冰洞的神奇之处在于，其所在地既不是异常寒冷的南北极，也不是终年积雪的雪山，而是四季分明的宁武县，据气候条件论这里根本无法构成结冰环境。那么，为何在北纬38°的中纬度非冰川地区能存在永久性冰洞？又为何洞内冰柱能够一年四季不化？答案就藏在“万年冰洞三维建模及地理成因分析”虚拟仿真实验课程中。
课程综合运用地理观察、地图分析、地理建模、科学推理、归纳总结等教学方法，将实验问题导入、实验操作教学、地理综合分析三个教学环节设置于虚拟仿真场景中以系统性地提升学生的地理核心素养。一同走进山西大学这门国家级一流本科课程，推开自然之门，揭示万年冰洞的奥秘。
虚实相融 智启新篇
地理学的特点体现在综合性、交叉性和区域性等方面，定量分析地理现象需要从时间尺度和不同等级的空间尺度出发考虑影响因子、地质作用过程，并运用地理学新技术新方法新手段科学地加以实现。然而，传统的地理教学模式尚不足以达到这一目标。“万年冰洞三维建模及地理成因分析”综合性虚拟仿真实验课程，通过将地质地貌学、测量与地图学、气候学、土壤学等多门课程进行有机整合，将教学与科研、理论与实践、课内实验与野外实习进一步融合，推动自然地理学专业实验教学体系的改革和创新，更好提升学生实践能力和创新能力。
“万年冰洞三维建模及地理成因分析”综合性虚拟仿真实验课程主要面向地理学、环境学、生态学等专业开设，通过3D仿真技术，建立万年冰洞虚拟场景，突破了万年冰洞地势险峻，地形复杂、难以到达、高危险、高成本等现实阻碍，使学生得以在虚拟场景内进行观察浏览、采集数据和测量冰柱。实验从自然地理环境的时空尺度出发，以万年冰洞地质景观的形成原因为问题导入，并结合DEM（数字高程模型），通过空间分析算法提取坡度、坡向、地形起伏度等各种地形信息，通过三维建模展示万年冰洞的形状特征，引导学生从长时间、宏观大尺度的地质构造演化，到中尺度的地形地貌坡度坡向，再到小尺度的冰洞形状及洞口特征，综合分析万年冰洞的地理成因，强化学生的地理综合分析能力。
“万年冰洞三维建模及地理成因分析”综合性虚拟仿真实验课程由一支教学经验丰富、科研成果丰厚的教学服务团队协同研发设计，课程负责人张红教授近5年来承担多门本科生和研究生的教学任务，积极开展教学创新，注重培养学生的综合素质和能力。团队成员由教授、副教授、实验师等组成，共同完成实验教学、在线教学服务等教学任务。
育人为本 守正创新
万年冰洞作为世界罕见的自然奇观，探究其地理成因不仅为理论教学提供了实例模型，更是将理论运用于实践的良机。课程在设计时运用多种教学方法，采用“现象-理论-技术-应用”的教学模式，将地理学理论知识与万年冰洞有机结合。采用情景导入法，通过全景漫游展示冰洞奇观，引发认知冲突，随后运用问题驱动法，设计递进式问题链，由“为何在北纬38°的中纬度地区能存在永久性冰洞？”冰洞形成的基本条件是什么？”等问题激发学生兴趣，引导学生观察记录冰洞的形态特征、冰层分布等直观现象。在此基础之上，运用理论分析现象，引导学生联系地质地貌理论，分析冰洞所在的吕梁山区新构造运动特征，地图测绘理论，解析冰洞所在区域的地形屏障效应等；最后指导学生掌握数据采集技术和三维建模技术，采集冰洞点云数据，构建厘米级精度的冰洞三维模型，定量分析冰洞形态参数，通过在地理信息系统中采用空间分析技术，叠加地形图，分析冰洞的坡度坡向、洞口朝向、形成原因等，采用小组汇报、互评答辩等形式，运用自然地理整体性原理，综合地质构造、气候变化等因素，论证冰洞的形成机制和保存条件，形成了知识串联和技术综合应用。这一教学模式的运用调动了学生的积极性和自主探究能力，充分利用了万年冰洞这一奇观，达到了理论成果运用于实际问题的效果，为学生知识、能力和素质的全面发展提供了有效路径。“这种教学模式如同一幅地理探索路线图，从直观认知到原理探究，从技术实操到现实问题解决，不仅让地质、气候等多学科知识形成体系，更通过做中学提升了数据采集、模型构建等实践能力，真正实现了知与行的结合。”来自环境与资源学院自然地理与资源环境专业的曲飞扬如是说。
教学方法上，课程与传统的教学模式不同，强调非指导性和探究性教学，通过线上加线下的混合教学模式，引导学生自主探究，提升自主学习能力。学生在线上完成相应的实验过程，掌握相应的知识内容和实际操作，理解地理学科的区域性、综合性、尺度性等特点；同时在线下实验课程、实习课程中，进一步对相关内容进行拓展讲解、讨论、分析，通过实地参观，分组测量，岩石观察等，增强学生的理解，提高学生的探究意识以及分析解决地理问题的综合能力。来自环境与资源学院的朱前瑞同学分享道：“在非指导性的教学中，我自主探索了冰洞中冰柱的空间分布特征，并尝试使用三维点云数据对不同区域的冰柱进行高度和体积的估算。我还通分析地形、气候、土壤等因素，推测冰洞能够长年不化的原因。这些自主探究经历让我深刻体会到科学研究的乐趣，也提升了我独立思考、问题发现和解决问题的能力。”
此外，课程在评价体系方面也进行了新的尝试。由于实验的特殊性，实验结果中学生对万年冰洞地理成因的分析结论会因学生的分析角度不同而存在差异，而目前万年冰洞地理成因尚且没有定论。因此，课程采取确定性和模糊性评价相结合的评价体系。对确定性内容如专业基础知识、数据采集与处理等，采用定量的传统答题及操作过程等方式进行评价，对讨论性内容，从思维维度和方法维度考查学生分析问题的逻辑性、全面性和创新性，评价学生运用虚拟仿真工具的能力、数据处理的科学性，以及论证过程的严谨性。
“万年冰洞三维建模及地理成因分析”综合性虚拟仿真实验课程通过实验设计、教学方法和评价体系的创新，突破了传统地理教学以及纯虚拟实验的弊端，极大地激发了学生自主探究的积极性，为学生的全面发展奠定良好基础。
育才破障 迎新克难
兴趣是最好的老师。在“万年冰洞三维建模及地理成因分析”虚拟仿真实验教学实践中，需要融合多门课程知识进行实验教学。课程团队结合课程特色制定出实验设计，即通过问题链驱动的认知跃迁与显性化思维过程，让思考可视化、先案例后规律、从具象到抽象的过程，逐步引导学生建立知识联系，使学生在虚拟仿真环境中实现从线性思维到系统思维质的飞跃，真正掌握“见微知著、综观全局”的地理综合思维能力。“在虚拟仿真实验中，我可以身临其境地感受冰洞内部的奇妙景象，仿佛置身于真实的冰洞之中。这种沉浸式的体验不仅让学习过程更加有趣，还能直观地观察冰洞的各种特征，加深对理论知识的理解。”环境与资源学院自然地理与资源环境专业的缪宇庭讲起她在课程实验中的感受。在自由度较高的虚拟场景中，学生们通过对问题的回答可以掌握基础知识，通过个性化操作体验设备数据采集并完成实验操作及数据处理等工作后，可以亲眼看到自己采集的数据转化为场景，最后完成对冰洞产生并保存至今的开放性问题的思考回答。环境与资源学院研究生陈文磊同学谈道：“这堂课带给我最大的收获，是学会了如何在一个开放、自主的学习环境中进行深度学习，我深刻体会到科学研究的过程不是一蹴而就的，而是不断试错、调整和优化的过程。这种思维方式和学习习惯的养成，对我今后的学习、科研乃至职业发展都具有重要的意义。”
课程将实际的冰洞资源与虚拟技术相结合，实现了现实与虚拟中的一一对应，让学生在虚拟环境中对真实的冰洞进行模拟实验，身临其境地感受冰洞内部的奇妙景象，如同置身于真实的冰洞之中。环境与资源学院研究生张蕾同学回忆道：“2023年的夏天，我在专业野外实习时实地去到了宁武万年冰洞，走进这个地方的时候，当时虚拟实验的场景一下就浮现了出来，我将当时实验中的每一环节都与实地进行对应和回忆，并将实验应用到现实中来，发现虚拟仿真实验真实地还原了冰洞的现状，这给那些不能实地探究考察的人提供了机会，通过虚拟实验在‘云旅游’的同时实现知识的学习和应用。”
课程团队对未来五年课程持续建设计划做出了详细安排，进一步提升沉浸感和体验感，这将对教学设计及软硬件支持提出了更高的要求。未来实验教学改革成功取决于技术迭代与教育理论的深度整合，新技术及新设备的加入势必会提升学生理解和认知世界的水平，全维度感知地理过程，甚至零风险探索高危极端环境，这不仅提供了跨学科协作的机会，还让学生在理解原理与实践操作的过程中培养了地理科研素养与创新精神。
从塬墚峁川到秀水峡谷，从火山双璧到万年冰洞，这片表里山河蕴藏了太多宝藏。当学生运用VR技术进行沉浸式的体验，“亲临”现场开展三维实验观察与地理成因分析时，那些封存了百万年的地质密码重新开始流动，冰隙间折射的不仅是地下的冷光，更是人类以敬畏之心向自然山河的发问。当我们运用理论知识与科学技术探索地理现象与运动规律时，人与自然和谐共生的口号在文字与数据流中被重新编译，让这片古老的大地保持永续发展的生命力，支撑起生生不息的未来。（通讯员：庞雅熙 马奕婷）
