地学网络教学的特点与平台构建

刘雪萍

（北京大学 城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室，北京 100871）

1 网络教学与地球科学

网络教学是借助互联网技术和多媒体技术，利用网络存储教学信息并通过网络实施教学的一种新型教学模式[1－2]，与传统的面对面式的教学模式相比，网上教学资料丰富，不受时间地域限制，学生可以灵活地掌握时间和学习内容，有效地提高教学效率，并符合当前信息化社会的交流方式[3]。网上教学的形式有网上课堂[4]、计算机支持的辅助教学、同步／异步讨论组等[5]。网络教学平台是将多种教学形式组合起来，成为为学生提供授课、学习、答疑、讨论和作业处理的一个网络系统[6]。

地学是地球科学的简称，是人类认识地球的一门基础科学，以研究地球系统及其组成部分为研究对象，探索发生在其中的各种现象、过程及过程之间的相互作用，涵盖地理科学、地质学、大气科学、海洋科学、环境科学等学科。在地学教学中利用积累的数据资料和可视化表现形式，讲解地学特征和过程是主要的教学方式之一。传统的地学教学方法以描述为主，配以图片来讲解地学现象和过程。为了进一步加深学生对地学基本原理和实际问题的理解和认识，培养地学空间概念，需要进行野外考察[7]。地学现象具有不同的时间尺度和空间尺度，错综复杂，受考察地点和时间的限制，不能看到所有的地学现象和地学类型。因此，靠目前不多的教科书和传统的教学方法，已无法满足现代教学的需求和创新人才培养模式的需求[8]。

计算机、多媒体、网络、GIS和虚拟现实等信息技术的高速发展，在各个方面得到广泛的应用，给人们的生产、生活带来了深刻而重大的变革，同时也逐步渗透进教学领域，成为当今现代化教学的支撑技术[9]。它们在数据存储、管理、分析、可视化和动态模拟等方面的优势，为地学教学的改革和现代化提供了强有力的技术手段。将这些高新技术进行集成，构建地学的网络教学平台，充分发挥这些技术在地学教学中的作用，对扩展地学教学的空间、提高学生学习的积极性、培养学生的动手能力、加强教与学的互动、促进地学教学深入，具有重要意义。

2 地学网络教学的特点

网络教学是教师将理论知识、分析方法和教学实例等经过计算机整合变成网络上的内容，学生通过互联网进行学习的过程[10]，而地学网络教学除此之外，还有如下特点：

（1）地学的研究对象为地球，区域范围大、资料数据海量，研究的尺度，水平方向从一个社区村镇到全球，垂直方向从地幔霍夫面到大气层。数据需要按照空间分布特征进行有序组织、整合保存，建立一个空间数据库[11－12]。

（2）地球科学研究的对象处在不断变化的过程之中，而且这些变化具有不同的时间尺度，比如一个河流曲流裁弯取直的地貌过程需要几十年甚至几百年，而一次地震造成的地形形变只需几分钟，甚至更短暂的时间。一个自然变化的开始、中间到结束组成一个时间序列，因此地学网络教学需要多个时间段的资料，用来动态地恢复地球变化过程，或模拟其发展趋势[[13]。

（3）地学研究的对象是自然界的实体，图形化、图像化是地学现象特征的表达方式。展示地学的现象最好的方式是将自然景观用图片、图像、素描图等进行演示。比如：地貌学教学研究地球表面形态和结构，需要用地貌的各种景观图介绍这种现象；地质学研究地下的岩石圈的内部构造和组成，需要用地层的图示表示。野外调查是让学生了解地学知识的重要手段，但是由于时间和空间的原因，仅从有限的时空不能了解到地球整体特征，利用积累的资料进行图示化的编辑，可以提高地学的效果。

（4）地学研究的对象之间是相互影响、相互作用、相互依存和相互反馈的，通过信息实现调控，才能认识全球层次与区域层次之间的相互作用，这也就是我们所说的地球系统科学[14]。利用地学资料模拟地学环境，可视化地再现地球的局部或整体的现象，以及构建地球系统模型，调节气候变化、水文、地质构造运动、人类活动等自然和人为影响因素，查看地球系统变化过程、变化结果以及变化带来的效应，使学生从中学习地球系统的结构、演变机制等知识，提高学生的发散思维和系统综合分析能力。

3 地学网络教学平台构建

地学网络教学平台构建需要数据存储、学生教师互动、教学多媒体演示、虚拟现实可视化显示等功能，实现地学教学中的多个教学环节的要求。在实现技术上包括网络技术、数据库技术、GIS技术、多媒体技术、虚拟现实技术等[15]。

3.1 地学网络教学平台主要组件

（1）基础数据库。用于存储教学参考文献、地学数据、地图等资料。地学数据有空间特征，具有GIS的属性，以进行地学空间分析的教学。

（2）查询检索模块。按照地点、时间、内容检索依据课程安排地学资料和参考文献，进行课堂作业、野外实习、专题论文的资料收集。

（3）多媒体播放模块。播放地学专题视频、教学课堂视频。

（4）教学课件。学习、复习教学内容。

（5）教学信息发布模块。

（6）地学场景模型模块。通过利用地学数据构建的模拟地学场景，仔细观察地学现象的形态，再现自然界真实的自然景观。

（7）地学过程模型模块。在一个利用地学资料构建的模拟场景中，通过选择互动方式，设定一定的地学环境和条件，查看一定时间下模拟模型变化的过程和产生的结果。

（8）地学模型变化模块。在一定地学模拟场景中，添加人为或特定的自然因素，或添加保护策略，查看改变的因素对环境的影响和所起的作用。

（9）互动交流讨论模块。学生之间、师生之间进行交流、提问、答疑等活动，以及学生网上作业提交，教师修改、反馈，学生网上答题自测和教师打分等。

3.2 地学网络教学平台的结构

地学教学平台的结构包括数据层、应用层、网络层和用户层，见图1。

图1 地学网络教学平台的结构

数据层主要有地质、地理、气象、生物、环境等各领域的数据、资料、图件和文献，建有地学数据库，作为整个平台的数据支撑。应用层包括：课程教学模块，含教学资料（课程介绍、教学大纲、教学日历等）、多媒体课件、教学视频录像；训练拓展模块，含3D场景模型、虚拟现实过程模型和变化模型；互动交流模块，含网上答疑模块、练习／考试模块和自检／教师批改模块等。网络层采用互联网实现网络教与学，用户层包括教师、学生和网络教学平台管理员。

4 结束语

（1）地学网络化教学与一般的网络教学既有共性，也有特殊性。地学网络化教学不仅需要课件共享及教学的互动交流，还需要建立地学资料、地学模型等信息数据库，作为一个为教学所用的教学平台，不但能补充课堂上所学知识内容，还能根据平台上提供的地学资料和模型，结合社会实践，完成一个地学环境和条件的设计专题，在有效利用地球资源、人地协调共存方面得到拓展训练。通过网络化连接，学生可以分组或单个设计模拟，在资源开采、环境保护、城市规划、防灾减灾等方面进行地学应用的实践，如采用竞争和约束的策略来进行资源平衡利用方面的博弈，找到最合适的决策方案。

（2）地学网络平台的设计包括了学生互动、教学内容和虚拟3D的模块，这些技术和模块使教学更加深入，并提高学生的兴趣，提高了教学效率和效果，为社会培养了高素质的决策型人才。

（References）

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