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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(yǎng)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(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)濟社會發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用，地理信息產(chǎn)業(yè)成為國務院列出的國家七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一[1]。同時，隨著近年來高校就業(yè)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(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》中明確了發(fā)展規(guī)劃及目標：推動信息技術與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式；明確了建設各級各類優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源的工作目標；進一步提出了建立數(shù)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(zhì)量的若干意見》也明確提出，要強化實踐育人環(huán)節(jié)，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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》中提出“強化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐”，要求“各高校要加強專業(yè)實驗室、虛擬仿真實驗室、創(chuàng)業(yè)實驗室和訓練中心建設，促進實驗教學平臺共享?！闭窃谶@樣的背景下，地理信息科學專業(yè)在進行教學改革、促進教學模式發(fā)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(yè)發(fā)展與信息技術深度融合的產(chǎn)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(yǎng)方案中的專業(yè)課程內(nèi)容和虛擬仿真實驗過程有機的結(jié)合在一起，形成一個具有完整內(nèi)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(yè)培養(yǎng)方案中制定的目標以及實驗目的，進行技術選型。中國地質(zhì)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(huán)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(huán)境；然后，進行實驗案例的設計與開發(fā)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(huán)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(jù)回饋對實驗案例進行調(diào)整，或者對技術選型做出修改；實驗案例的發(fā)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(jīng)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(fā)能力，這時候?qū)W生就可以介入到實驗案例的設計、開發(fā)中來，實驗案例的發(fā)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(nèi)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(yǎng)方案中的培養(yǎng)目標是什么，圍繞這個目標構建新的培養(yǎng)計劃的。在新的培養(yǎng)計劃中確定有哪些課程具有實踐環(huán)節(jié)，在哪些實踐環(huán)節(jié)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(fā)階段，在第一階段的基礎上，項目組已經(jīng)可以順利開展實驗案例的設計、開發(fā)工作。實驗案例的開發(fā)，簡單來說分為三步：1）概要設計，主要是根據(jù)實驗目的和課程內(nèi)容的確定實驗內(nèi)容；2）詳細設計，結(jié)合虛擬仿真技術，確定實驗步驟，開發(fā)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(huán)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(jù)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(shù)字古城

（一）實驗項目簡介

為響應國家新型城鎮(zhèn)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(xù)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(shù)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(nèi)容

地理信息科學專業(yè)培養(yǎng)方案中設置了GIS軟件實習、城市規(guī)劃、城市地理信息系統(tǒng)、三維GIS等課程，這些課程在相互獨立的教學單元內(nèi)完成，內(nèi)容彼此割裂。設計“數(shù)字古城”實驗項目的目的是有機的整合上述課程內(nèi)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(nèi)容根據(jù)難度和復雜度分為三個層次：（1）虛擬古城沉浸環(huán)境漫游在已構建好的虛擬古城中，利用沉浸環(huán)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(huán)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(nèi)容等進行評價反饋。教師可以根據(jù)反饋來調(diào)整實驗中虛擬古城相關內(nèi)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(shù)字城市、城市規(guī)劃、建筑、等領域。該軟件可以利用二維數(shù)據(jù)快速創(chuàng)建三維場景，并能高效的進行規(guī)劃設計。CityEngine完美支持ArcGIS，使很多已有的基礎GIS數(shù)據(jù)不需轉(zhuǎn)換即可迅速實現(xiàn)三維建模，縮短了三維GIS系統(tǒng)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(guī)劃的直觀認識、訓練學生靈活應用GIS專業(yè)軟件的能力。（3）建造古城建筑模型使用激光雷達（LiDAR）掃描古城建筑實體，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(shù)據(jù)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(guī)模龐大、坊坊相連。

三結(jié)語

不同于傳統(tǒng)地理信息科學專業(yè)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(nèi)容，虛擬仿真實驗給學生帶來沉浸式的實驗環(huán)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(nèi)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(yǎng)高校地理信息專業(yè)課程體系重構和多元化培養(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(guī)則的三維虛擬校園構建[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（北京）