探究地理信息虛擬仿真實驗設計范文

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摘要：在地理信息產業大爆發，但滿足行業要求的高層次畢業人才匱乏的這種矛盾的背景下，如何廣泛培養綜合型人才成為了迫在眉睫的問題。不同于三維地理信息系統等傳統課程實驗，地理信息虛擬仿真實驗利用前沿的虛擬仿真技術，有更佳的實驗體驗，面向的課程理論也更寬泛，對學生綜合能力的培養更為有效。

關鍵字：地理信息；虛擬仿真；實驗設計

2014年國務院辦公廳《關于促進地理信息產業發展的意見》，從國家層面明確指出了地理信息這一戰略性新興產業在我國經濟社會發展中的重要戰略作用，地理信息產業成為國務院列出的國家七大戰略新興產業之一[1]。同時，隨著近年來高校就業形勢日漸嚴峻，教育部加強了對實驗教學工作和實驗教學信息化工作的宏觀指導，先后出臺了強有力的政策。2012年教育部在《教育信息化十年發展規劃（2011-2020）》中明確了發展規劃及目標：推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式；明確了建設各級各類優質數字教育資源的工作目標；進一步提出了建立數字教育資源共建共享機制的重要途徑。同年，《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》也明確提出，要強化實踐育人環節，提升實驗教學水平。2015年，國務院辦公廳在《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》中提出“強化創新創業實踐”，要求“各高校要加強專業實驗室、虛擬仿真實驗室、創業實驗室和訓練中心建設，促進實驗教學平臺共享。”正是在這樣的背景下，地理信息科學專業在進行教學改革、促進教學模式發展的過程中，應該積極引入虛擬仿真技術，建設虛擬仿真實驗室，開展虛擬仿真實驗。

一地理信息虛擬仿真實驗教學體系

建立虛擬仿真實驗教學是是學科專業發展與信息技術深度融合的產物[2]。建立地理信息虛擬仿真實驗教學體系是一切工作的基礎，它將培養方案中的專業課程內容和虛擬仿真實驗過程有機的結合在一起，形成一個具有完整內涵的綜合實驗項目。首先，設計虛擬仿真實驗應圍繞地理信息科學專業培養方案中制定的目標以及實驗目的，進行技術選型。中國地質大學（北京）地學信息工程虛擬仿真教學實驗中心擁有完備虛擬仿真的硬件設備和技術條件，包括具備四通道高清投影儀的沉浸式環境、3D打印機、激光掃描儀等，為開展虛擬仿真實驗提供了良好的實驗環境；然后，進行實驗案例的設計與開發了，實驗案例的設計緊緊圍繞實驗項目的主題展開；實驗案例達到“可用”標準之后，便可以開始部署到虛擬仿真實驗環境中，開展虛擬仿真實驗；學生在使用最初版本的實驗案例后，形成回饋，設計實驗的教師則根據回饋對實驗案例進行調整，或者對技術選型做出修改；實驗案例的發展進入“被動”迭代過程中，這里“被動”是指學生在整個實驗過程中，只是被動的接收實驗要求，完成實驗步驟；如果學生經過一段時間虛擬仿真實驗的訓練，就有可能獲得較強的實驗開發能力，這時候學生就可以介入到實驗案例的設計、開發中來，實驗案例的發展則進入“主動”迭代過程。通過上述“實驗設計——實驗開展——實驗設計修改”螺旋上升的過程，實驗案例的內容得到了豐富，學生的綜合能力也得到了提高。第一階段，為準備階段，首先需要明確本科培養方案中的培養目標是什么，圍繞這個目標構建新的培養計劃的。在新的培養計劃中確定有哪些課程具有實踐環節，在哪些實踐環節中需要虛擬仿真技術參與，什么是虛擬仿真實驗最好的切入點；另外，準備階段項目組需要了解當前熱點的虛擬仿真技術，熟悉并掌握目前地學信息工程教學實驗中心已具備的虛擬仿真教學資源。第二階段，為開發階段，在第一階段的基礎上，項目組已經可以順利開展實驗案例的設計、開發工作。實驗案例的開發，簡單來說分為三步：1）概要設計，主要是根據實驗目的和課程內容的確定實驗內容；2）詳細設計，結合虛擬仿真技術，確定實驗步驟，開發實驗原型，并進行驗證；3）實施，達到“可用”程度的實驗案例，即可部署到虛擬仿真實驗環境中讓學生進行實驗。第三階段，為評價與提升階段，學生完成實驗后進行反饋，教師根據反饋修改實驗；或者學生自主設計的實驗案例，豐富實驗案例庫。

二典型實驗設計——數字古城

（一）實驗項目簡介

為響應國家新型城鎮化的要求和相關會議關于古城保護工作的重要精神，全國各地都在積極開展古城保護工作，充分挖掘我國古城的歷史文化資源，樹立可持續的保護理念，提高依法保護意識，堅持正確的保護原則，保護我國古城的歷史文化風貌，傳承歷史文脈。但是，隨著自然、社會等影響，古城風貌進行完整保留有一定難度，虛擬仿真技術可以構建數字世界里的古城，定格古城的某個瞬間，讓古城風貌永不褪色。

（二）實驗內容

地理信息科學專業培養方案中設置了GIS軟件實習、城市規劃、城市地理信息系統、三維GIS等課程，這些課程在相互獨立的教學單元內完成，內容彼此割裂。設計“數字古城”實驗項目的目的是有機的整合上述課程內容，形成完整綜合的知識體系，并且增加實驗的趣味性、生動性。實驗內容根據難度和復雜度分為三個層次：（1）虛擬古城沉浸環境漫游在已構建好的虛擬古城中，利用沉浸環境進行古城漫游，可以與虛擬古城中的物體進行交互。實驗主要訓練學生熟悉沉浸式環境的操作。學生完成實驗后可以對沉浸感、三維模型仿真度、人機交互內容等進行評價反饋。教師可以根據反饋來調整實驗中虛擬古城相關內容。（2）構建虛擬古城場景利用ESRICityEngine進行城市場景快速構建。CityEngine是三維城市建模軟件，應用于數字城市、城市規劃、建筑、等領域。該軟件可以利用二維數據快速創建三維場景，并能高效的進行規劃設計。CityEngine完美支持ArcGIS，使很多已有的基礎GIS數據不需轉換即可迅速實現三維建模，縮短了三維GIS系統的建設周期，使學生快速了解GIS建模過程[3]。實驗主要建立學生對于城市規劃的直觀認識、訓練學生靈活應用GIS專業軟件的能力。（3）建造古城建筑模型使用激光雷達（LiDAR）掃描古城建筑實體，快速獲取古城建筑的三維數據。經過數據處理可以在3Dmax、Maya等三維建模軟件中建立精細的古城建筑模型，并可以導入到虛擬古城場景中。實驗主要通過學生親自動手，使其掌握從數據獲取、加工到建模、加載場景的完整過程。

（三）實驗效果

以古城長安為例，實驗構建了虛擬的古代長安城。實驗以古代長安城平面圖為藍本，在CityEngine中構建了古長安城場景，使用Maya建立了古長安城的建筑，并導入到虛擬場景中。如圖2所示，可以看到古代長安城規模龐大、坊坊相連。

三結語

不同于傳統地理信息科學專業的課程實驗或者課程設計僅僅通過實驗室機房那一方小小的屏幕讓學生體會抽象的知識內容，虛擬仿真實驗給學生帶來沉浸式的實驗環境，可以身臨其境的感受地理事物。螺旋上升式的實驗過程設計，也可以讓學生深度介入到虛擬實驗內容的構建中，獲得更為全面和有深度的知識。

參考文獻

[1]陳瑤,舒珺,黃曉萍,等應用型人才培養高校地理信息專業課程體系重構和多元化培養探索[J].教育現代化,2017,4(46):17-18.

[2]長青,肖鵬峰,李滿春,等.地球系統科學國家級虛擬仿真實驗教學中心建設[J].中國大學教學,2016(10):83-87.

[3]耀明,洪亮.基于CityEngine規則的三維虛擬校園構建[J].云南地理環境研究,2016,28(05):74-77+79.

作者：方坤；王曉延 單位：中國地質大學（北京）