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摘要：在地理信息產(chǎn)業(yè)大爆發(fā)，但滿足行業(yè)要求的高層次畢業(yè)人才匱乏的這種矛盾的背景下，如何廣泛培養(yǎng)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(tǒng)等傳統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)，地理信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用前沿的虛擬仿真技術(shù)，有更佳的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，面向的課程理論也更寬泛，對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)更為有效。

關(guān)鍵字：地理信息；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2014年國務(wù)院辦公廳《關(guān)于促進(jìn)地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》，從國家層面明確指出了地理信息這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用，地理信息產(chǎn)業(yè)成為國務(wù)院列出的國家七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一[1]。同時(shí)，隨著近年來高校就業(yè)形勢日漸嚴(yán)峻，教育部加強(qiáng)了對實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作和實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化工作的宏觀指導(dǎo)，先后出臺(tái)了強(qiáng)有力的政策。2012年教育部在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》中明確了發(fā)展規(guī)劃及目標(biāo)：推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式；明確了建設(shè)各級(jí)各類優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源的工作目標(biāo)；進(jìn)一步提出了建立數(shù)字教育資源共建共享機(jī)制的重要途徑。同年，《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》也明確提出，要強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。2015年，國務(wù)院辦公廳在《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》中提出“強(qiáng)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐”，要求“各高校要加強(qiáng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室和訓(xùn)練中心建設(shè)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)共享。”正是在這樣的背景下，地理信息科學(xué)專業(yè)在進(jìn)行教學(xué)改革、促進(jìn)教學(xué)模式發(fā)展的過程中，應(yīng)該積極引入虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

一地理信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是是學(xué)科專業(yè)發(fā)展與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[2]。建立地理信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是一切工作的基礎(chǔ)，它將培養(yǎng)方案中的專業(yè)課程內(nèi)容和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程有機(jī)的結(jié)合在一起，形成一個(gè)具有完整內(nèi)涵的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。首先，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)圍繞地理信息科學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案中制定的目標(biāo)以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康模M(jìn)行技術(shù)選型。中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地學(xué)信息工程虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心擁有完備虛擬仿真的硬件設(shè)備和技術(shù)條件，包括具備四通道高清投影儀的沉浸式環(huán)境、3D打印機(jī)、激光掃描儀等，為開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供了良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；然后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)與開發(fā)了，實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)緊緊圍繞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的主題展開；實(shí)驗(yàn)案例達(dá)到“可用”標(biāo)準(zhǔn)之后，便可以開始部署到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；學(xué)生在使用最初版本的實(shí)驗(yàn)案例后，形成回饋，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教師則根據(jù)回饋對實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行調(diào)整，或者對技術(shù)選型做出修改；實(shí)驗(yàn)案例的發(fā)展進(jìn)入“被動(dòng)”迭代過程中，這里“被動(dòng)”是指學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，只是被動(dòng)的接收實(shí)驗(yàn)要求，完成實(shí)驗(yàn)步驟；如果學(xué)生經(jīng)過一段時(shí)間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，就有可能獲得較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)能力，這時(shí)候?qū)W生就可以介入到實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)、開發(fā)中來，實(shí)驗(yàn)案例的發(fā)展則進(jìn)入“主動(dòng)”迭代過程。通過上述“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——實(shí)驗(yàn)開展——實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)修改”螺旋上升的過程，實(shí)驗(yàn)案例的內(nèi)容得到了豐富，學(xué)生的綜合能力也得到了提高。第一階段，為準(zhǔn)備階段，首先需要明確本科培養(yǎng)方案中的培養(yǎng)目標(biāo)是什么，圍繞這個(gè)目標(biāo)構(gòu)建新的培養(yǎng)計(jì)劃的。在新的培養(yǎng)計(jì)劃中確定有哪些課程具有實(shí)踐環(huán)節(jié)，在哪些實(shí)踐環(huán)節(jié)中需要虛擬仿真技術(shù)參與，什么是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最好的切入點(diǎn)；另外，準(zhǔn)備階段項(xiàng)目組需要了解當(dāng)前熱點(diǎn)的虛擬仿真技術(shù)，熟悉并掌握目前地學(xué)信息工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心已具備的虛擬仿真教學(xué)資源。第二階段，為開發(fā)階段，在第一階段的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組已經(jīng)可以順利開展實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)、開發(fā)工作。實(shí)驗(yàn)案例的開發(fā)，簡單來說分為三步：1）概要設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驼n程內(nèi)容的確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；2）詳細(xì)設(shè)計(jì)，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，確定實(shí)驗(yàn)步驟，開發(fā)實(shí)驗(yàn)原型，并進(jìn)行驗(yàn)證；3）實(shí)施，達(dá)到“可用”程度的實(shí)驗(yàn)案例，即可部署到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第三階段，為評(píng)價(jià)與提升階段，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行反饋，教師根據(jù)反饋修改實(shí)驗(yàn)；或者學(xué)生自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)案例，豐富實(shí)驗(yàn)案例庫。

二典型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——數(shù)字古城

（一）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡介

為響應(yīng)國家新型城鎮(zhèn)化的要求和相關(guān)會(huì)議關(guān)于古城保護(hù)工作的重要精神，全國各地都在積極開展古城保護(hù)工作，充分挖掘我國古城的歷史文化資源，樹立可持續(xù)的保護(hù)理念，提高依法保護(hù)意識(shí)，堅(jiān)持正確的保護(hù)原則，保護(hù)我國古城的歷史文化風(fēng)貌，傳承歷史文脈。但是，隨著自然、社會(huì)等影響，古城風(fēng)貌進(jìn)行完整保留有一定難度，虛擬仿真技術(shù)可以構(gòu)建數(shù)字世界里的古城，定格古城的某個(gè)瞬間，讓古城風(fēng)貌永不褪色。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

地理信息科學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案中設(shè)置了GIS軟件實(shí)習(xí)、城市規(guī)劃、城市地理信息系統(tǒng)、三維GIS等課程，這些課程在相互獨(dú)立的教學(xué)單元內(nèi)完成，內(nèi)容彼此割裂。設(shè)計(jì)“數(shù)字古城”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的是有機(jī)的整合上述課程內(nèi)容，形成完整綜合的知識(shí)體系，并且增加實(shí)驗(yàn)的趣味性、生動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容根據(jù)難度和復(fù)雜度分為三個(gè)層次：（1）虛擬古城沉浸環(huán)境漫游在已構(gòu)建好的虛擬古城中，利用沉浸環(huán)境進(jìn)行古城漫游，可以與虛擬古城中的物體進(jìn)行交互。實(shí)驗(yàn)主要訓(xùn)練學(xué)生熟悉沉浸式環(huán)境的操作。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后可以對沉浸感、三維模型仿真度、人機(jī)交互內(nèi)容等進(jìn)行評(píng)價(jià)反饋。教師可以根據(jù)反饋來調(diào)整實(shí)驗(yàn)中虛擬古城相關(guān)內(nèi)容。（2）構(gòu)建虛擬古城場景利用ESRICityEngine進(jìn)行城市場景快速構(gòu)建。CityEngine是三維城市建模軟件，應(yīng)用于數(shù)字城市、城市規(guī)劃、建筑、等領(lǐng)域。該軟件可以利用二維數(shù)據(jù)快速創(chuàng)建三維場景，并能高效的進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。CityEngine完美支持ArcGIS，使很多已有的基礎(chǔ)GIS數(shù)據(jù)不需轉(zhuǎn)換即可迅速實(shí)現(xiàn)三維建模，縮短了三維GIS系統(tǒng)的建設(shè)周期，使學(xué)生快速了解GIS建模過程[3]。實(shí)驗(yàn)主要建立學(xué)生對于城市規(guī)劃的直觀認(rèn)識(shí)、訓(xùn)練學(xué)生靈活應(yīng)用GIS專業(yè)軟件的能力。（3）建造古城建筑模型使用激光雷達(dá)（LiDAR）掃描古城建筑實(shí)體，快速獲取古城建筑的三維數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以在3Dmax、Maya等三維建模軟件中建立精細(xì)的古城建筑模型，并可以導(dǎo)入到虛擬古城場景中。實(shí)驗(yàn)主要通過學(xué)生親自動(dòng)手，使其掌握從數(shù)據(jù)獲取、加工到建模、加載場景的完整過程。

（三）實(shí)驗(yàn)效果

以古城長安為例，實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了虛擬的古代長安城。實(shí)驗(yàn)以古代長安城平面圖為藍(lán)本，在CityEngine中構(gòu)建了古長安城場景，使用Maya建立了古長安城的建筑，并導(dǎo)入到虛擬場景中。如圖2所示，可以看到古代長安城規(guī)模龐大、坊坊相連。

三結(jié)語

不同于傳統(tǒng)地理信息科學(xué)專業(yè)的課程實(shí)驗(yàn)或者課程設(shè)計(jì)僅僅通過實(shí)驗(yàn)室機(jī)房那一方小小的屏幕讓學(xué)生體會(huì)抽象的知識(shí)內(nèi)容，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)給學(xué)生帶來沉浸式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以身臨其境的感受地理事物。螺旋上升式的實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)，也可以讓學(xué)生深度介入到虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的構(gòu)建中，獲得更為全面和有深度的知識(shí)。

參考文獻(xiàn)

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

[2]長青,肖鵬峰,李滿春,等.地球系統(tǒng)科學(xué)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)[J].中國大學(xué)教學(xué),2016(10):83-87.

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

作者：方坤；王曉延 單位：中國地質(zhì)大學(xué)（北京）