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探究地理信息虚拟仿真实验设计

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摘要:在地理信息产业大爆发,但满足行业要求的高层次毕业人才匮乏的这种矛盾的背景下,如何广泛培养综合型人才成为了迫在眉睫的问题。不同于三维地理信息系统等传统课程实验,地理信息虚拟仿真实验利用前沿的虚拟仿真技术,有更佳的实验体验,面向的课程理论也更宽泛,对学生综合能力的培养更为有效。

关键字:地理信息;虚拟仿真;实验设计

2014年国务院办公厅发布《关于促进地理信息产业发展的意见》,从国家层面明确指出了地理信息这一战略性新兴产业在我国经济社会发展中的重要战略作用,地理信息产业成为国务院列出的国家七大战略新兴产业之一[1]。同时,随着近年来高校就业形势日渐严峻,教育部加强了对实验教学工作和实验教学信息化工作的宏观指导,先后出台了强有力的政策。2012年教育部在《教育信息化十年发展规划(2011-2020)》中明确了发展规划及目标:推动信息技术与高等教育深度融合,创新人才培养模式;明确了建设各级各类优质数字教育资源的工作目标;进一步提出了建立数字教育资源共建共享机制的重要途径。同年,《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》也明确提出,要强化实践育人环节,提升实验教学水平。2015年,国务院办公厅在《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》中提出“强化创新创业实践”,要求“各高校要加强专业实验室、虚拟仿真实验室、创业实验室和训练中心建设,促进实验教学平台共享。”正是在这样的背景下,地理信息科学专业在进行教学改革、促进教学模式发展的过程中,应该积极引入虚拟仿真技术,建设虚拟仿真实验室,开展虚拟仿真实验。

一地理信息虚拟仿真实验教学体系

建立虚拟仿真实验教学是是学科专业发展与信息技术深度融合的产物[2]。建立地理信息虚拟仿真实验教学体系是一切工作的基础,它将培养方案中的专业课程内容和虚拟仿真实验过程有机的结合在一起,形成一个具有完整内涵的综合实验项目。首先,设计虚拟仿真实验应围绕地理信息科学专业培养方案中制定的目标以及实验目的,进行技术选型。中国地质大学(北京)地学信息工程虚拟仿真教学实验中心拥有完备虚拟仿真的硬件设备和技术条件,包括具备四通道高清投影仪的沉浸式环境、3D打印机、激光扫描仪等,为开展虚拟仿真实验提供了良好的实验环境;然后,进行实验案例的设计与开发了,实验案例的设计紧紧围绕实验项目的主题展开;实验案例达到“可用”标准之后,便可以开始部署到虚拟仿真实验环境中,开展虚拟仿真实验;学生在使用最初版本的实验案例后,形成回馈,设计实验的教师则根据回馈对实验案例进行调整,或者对技术选型做出修改;实验案例的发展进入“被动”迭代过程中,这里“被动”是指学生在整个实验过程中,只是被动的接收实验要求,完成实验步骤;如果学生经过一段时间虚拟仿真实验的训练,就有可能获得较强的实验开发能力,这时候学生就可以介入到实验案例的设计、开发中来,实验案例的发展则进入“主动”迭代过程。通过上述“实验设计——实验开展——实验设计修改”螺旋上升的过程,实验案例的内容得到了丰富,学生的综合能力也得到了提高。第一阶段,为准备阶段,首先需要明确本科培养方案中的培养目标是什么,围绕这个目标构建新的培养计划的。在新的培养计划中确定有哪些课程具有实践环节,在哪些实践环节中需要虚拟仿真技术参与,什么是虚拟仿真实验最好的切入点;另外,准备阶段项目组需要了解当前热点的虚拟仿真技术,熟悉并掌握目前地学信息工程教学实验中心已具备的虚拟仿真教学资源。第二阶段,为开发阶段,在第一阶段的基础上,项目组已经可以顺利开展实验案例的设计、开发工作。实验案例的开发,简单来说分为三步:1)概要设计,主要是根据实验目的和课程内容的确定实验内容;2)详细设计,结合虚拟仿真技术,确定实验步骤,开发实验原型,并进行验证;3)实施,达到“可用”程度的实验案例,即可部署到虚拟仿真实验环境中让学生进行实验。第三阶段,为评价与提升阶段,学生完成实验后进行反馈,教师根据反馈修改实验;或者学生自主设计的实验案例,丰富实验案例库。

二典型实验设计——数字古城

(一)实验项目简介

为响应国家新型城镇化的要求和相关会议关于古城保护工作的重要精神,全国各地都在积极开展古城保护工作,充分挖掘我国古城的历史文化资源,树立可持续的保护理念,提高依法保护意识,坚持正确的保护原则,保护我国古城的历史文化风貌,传承历史文脉。但是,随着自然、社会等影响,古城风貌进行完整保留有一定难度,虚拟仿真技术可以构建数字世界里的古城,定格古城的某个瞬间,让古城风貌永不褪色。

(二)实验内容

地理信息科学专业培养方案中设置了GIS软件实习、城市规划、城市地理信息系统、三维GIS等课程,这些课程在相互独立的教学单元内完成,内容彼此割裂。设计“数字古城”实验项目的目的是有机的整合上述课程内容,形成完整综合的知识体系,并且增加实验的趣味性、生动性。实验内容根据难度和复杂度分为三个层次:(1)虚拟古城沉浸环境漫游在已构建好的虚拟古城中,利用沉浸环境进行古城漫游,可以与虚拟古城中的物体进行交互。实验主要训练学生熟悉沉浸式环境的操作。学生完成实验后可以对沉浸感、三维模型仿真度、人机交互内容等进行评价反馈。教师可以根据反馈来调整实验中虚拟古城相关内容。(2)构建虚拟古城场景利用ESRICityEngine进行城市场景快速构建。CityEngine是三维城市建模软件,应用于数字城市、城市规划、建筑、等领域。该软件可以利用二维数据快速创建三维场景,并能高效的进行规划设计。CityEngine完美支持ArcGIS,使很多已有的基础GIS数据不需转换即可迅速实现三维建模,缩短了三维GIS系统的建设周期,使学生快速了解GIS建模过程[3]。实验主要建立学生对于城市规划的直观认识、训练学生灵活应用GIS专业软件的能力。(3)建造古城建筑模型使用激光雷达(LiDAR)扫描古城建筑实体,快速获取古城建筑的三维数据。经过数据处理可以在3Dmax、Maya等三维建模软件中建立精细的古城建筑模型,并可以导入到虚拟古城场景中。实验主要通过学生亲自动手,使其掌握从数据获取、加工到建模、加载场景的完整过程。

(三)实验效果

以古城长安为例,实验构建了虚拟的古代长安城。实验以古代长安城平面图为蓝本,在CityEngine中构建了古长安城场景,使用Maya建立了古长安城的建筑,并导入到虚拟场景中。如图2所示,可以看到古代长安城规模庞大、坊坊相连。

三结语

不同于传统地理信息科学专业的课程实验或者课程设计仅仅通过实验室机房那一方小小的屏幕让学生体会抽象的知识内容,虚拟仿真实验给学生带来沉浸式的实验环境,可以身临其境的感受地理事物。螺旋上升式的实验过程设计,也可以让学生深度介入到虚拟实验内容的构建中,获得更为全面和有深度的知识。

参考文献

[1]陈瑶,舒珺,黄晓萍,等应用型人才培养高校地理信息专业课程体系重构和多元化培养探索[J].教育现代化,2017,4(46):17-18.

[2]长青,肖鹏峰,李满春,等.地球系统科学国家级虚拟仿真实验教学中心建设[J].中国大学教学,2016(10):83-87.

[3]耀明,洪亮.基于CityEngine规则的三维虚拟校园构建[J].云南地理环境研究,2016,28(05):74-77+79.

作者:方坤;王晓延 单位:中国地质大学(北京)

探究地理信息虚拟仿真实验设计责任编辑:张雨    阅读:人次