地理环境虚拟实验系统

江 辉 仙

(福建师范大学 地理科学学院， 福建 福州 350007)

0 引 言

根据开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作精神，确定虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。虚拟仿真实验教学中心建设工作坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新。高校地理学科以空间、区位、地方和区域为框架将地球表面解剖，并从形成因素在地表的作用力的变化分析地球表面的演变[1-2]。地理实验是地理教学活动中一个必不可少的过程，学生只有通过足够的验证性实验和一定数量的综合性实验、创新性实验，才能真正理解和掌握该地理学科的理论知识，才能获得一定的综合测试技能和实验能力，并初步具有处理实际工作的能力。虚拟地理环境实验设计是指通过地球表层系统地理环境和地理问题的相似性模拟表达，在理论假设的基础上，通过模型构建、参数与条件调控计算以及可视化分析反馈，在虚拟地理环境信息世界中“查考自然，逼迫自然自露真相”[3]，以获取新的地理经验与知识。计算机与网络支持下的数字地球与虚拟环境中开展的地理实验，它既可以与野外定位地理实验、室内地理模型实验相对应、关联与互补，也可以依据某些地理特征、现象与规律构建虚拟地理实验。虚拟地理环境实验的开展为地理学科实验教学的改革提供了一种新的思路，是促进地理实验教学发展的重要途径；积极开展虚拟实验系统对于有效解决实验教学资源不足的现状、为学生进行实验教学提供了新的教学方法[4]。它为地理实验教学更好地避免真实实验或操作所带来的各种危险、彻底打破空间、时间的限制，探索一种新的教学模式等方面都具有十分重要的意义。

1 虚拟地理环境实践模式

对高校地理教学而言，实验是对研究地球科学理论知识进行深化认知的一个重要途径。相对于理论教学，实验教学则显示出直观具体和能动创造的优势。它通过理论联系实际，加深学生对地理教学中基础知识和基本理论的理解和掌握，帮助学生掌握区域综合调查及分析问题和解决问题的能力。把虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃，就教育理论而言，虚拟现实实现人的临场化，参与者与虚拟环境是互相作用、互相影响的一个整体的两个方面[5-6]。虚拟现实技术在空间信息可视化中的应用为我们提供了一种新的认知环境——虚拟地理环境，它是空间信息可视化的一种全新模式。虚拟地理环境源于虚拟现实技术，高于虚拟现实技术，它是从地学的网络可视化研究提出的，是一个关于地理系统的虚拟实验室，强调人的感知性和沉浸感，让更多的学习者利用网络技术同时在虚拟的实验室进行交流和讨论。它的构建过程是对地理信息的加工处理和传输过程，其目的是对所处环境事物的空间位置、相互关系和性质进行采集、编码、存储、提取和译码等[7]。虚拟地理实验的重要目标是从地理数据获得新地理知识并可支持地理决策；可以增强并扩展了实验教学的功能，借助数字化校园来实现实验教学的开放、共享，提高实验效果、降低实验成本。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之以由学习者通过自身与信息和环境的相互作用来得到知识，技能的新型学习方式，培养具有宽厚扎实的基础知识、较高的综合素质、强烈的创新意识和较强的创新能力的地理学理论研究与教学专门人才。

1.1 当前地理教育对地理实践教学的要求

地理学科的实验教学内容体系以强化实验技能为重点，以创新能力培养为核心，实验教学与科研能力培养紧密结合，着重强调学生在实验过程中综合性、设计性和创新性能力。针对地理学是实践性强的学科特点，通过理论联系实际，帮助学生掌握自然地理学、人文地理学、生态学、地理信息系统等相关课程的基本理论和基本技能，培养学生的感知认识能力、分析问题和解决问题的能力，并初步掌握对一个区域自然资源、经济区位、信息环境等进行综合调查及分析的方法。因此，结合地理学科特点，主要通过三层次构筑地理学实践创新培养体系[8]。

(1) 基础学习层次。按教学进度分门地理学实习，包括实验课程与实习课程。如：地质地貌实、植物学、土壤学、气象、水文、生态监测、环境化学、 地理信息系统空间分析、遥感图像解译与应用、计算机制图。

(2) 综合实验学习层次。根据学生的兴趣与爱好，分3个大方向(自然地理、GIS、人文)安排学生集中教学实习、毕业实践实习进行不同阶段的实习和实验。从室内遥感图像解译，到实验基础研究区定位、判读各地理要素分析应用，最后回到室内制图输出或分析结果等室内教学—室外操作—分析结果的全过程。

(3) 科学研究学习层次。资料查询能力培养、申请不同类型的科研项目、发表研究论文。而当前高等学校地理学科在派生出了一些新领域和应用方向的同时，地理学科的野外实践课程和实验课程等的实践环节难度加大，导致一些高校对学生实践能力和创新型能力无法提供适当地理实验环境，使得学生实验训练无法跟上技术的发展，大学生在就业过程中无法满足社会的需求。当前高校地理实验教学存在主要问题是：①单课程实践模式导致课程实践内容单一。地理学实践活动要求具有综合性，实践活动中需要应用多门课程知识来解释实践中碰到的问题，但被目前的教学课程体制割裂成单课程实践模式。学生在实践过程中一般只能依据单门课程进行实验，而无法进行地理知识的综合实验。②经费投入水平无法满足学科发展需要的综合教学实践。③同一大学多校区模式造成同一学科实践基地的分散。

1.2 虚拟实验系统与现实实验教学的对比评价

相对传统的现实实验，虚拟地理环境实验就是应用计算机建立能逼真地反映现实情景地理环境世界;它能够与传统实验一样，观察实验现象、获得实验数据和体验。可以凭着先进的三维环境系统平台，结合地理学科中各分支学科进行一系列的研究性实践学习，实现相关研究性学习目标。为地理实验教学提供一种虚拟实验技术与地理学科研究性实践学习的整合实施模式。以三维地理环境背景基础图层为平台，辅以强大的GIS功能、丰富多样的矢量数据、统计数据，以“软件+数据”的模式解决地理多学科综合教学问题，可满足自然地理、人文地理、地理工程和综合地理教学的需要。以虚拟场景方式可创新展现高山、平原、河流、湖泊、丘陵、沙漠、城乡景观等任何区域的景观特征，可以完全改变传统地理教学只靠文字和少量局部图片的教学模式，“百闻不如一见”使自然地理、人文地理教学的生动性和真实性大大提高。在虚拟地理实验中由于实验的设备主要是用计算机虚拟的，其实验成本主要是计算机和虚拟软件,相对现实实验而言，具有成本低、占用空间小，同时可以进行重复多次实验而不会耗费实验材料[9-10]。通过利用虚拟地理环境技术来表现地理的结构和动态，为学生提供一种可供他们实验和观测的环境，计算机模拟允许学生通过改变输入数据的大小来观测地理现象的变化．教学模拟软件为学生提供了一个无危险的、不昂贵的方式与真实世界交互，学生通过修改地理模型元素，改变模型的不同变量得到不同的结果。因此，在大学地理实践教学中引入虚拟地理环境实验技术对地理实践教学改革带来创新，如表1[11-14]。虚拟实验虽然调动了学生的学习兴趣和积极性．但也使学生的协作意识变差很难有效培养起学生的团队精神和协作意识。

2 虚拟地理环境实验系统设计方法

目前，国内外很多高校已经将虚拟现实技术成功地应用在教学环节上面，并且开发出许多虚拟教学软件和虚拟仿真教学平台。虚拟地理环境实验系统就是运用虚拟地理环境技术，通过软件和实验数据模式来模拟地理现象演变的过程和结果，表现出地理空间的结构和动态，从而为学生地理实验活动提供一种情景仿真的的虚拟观测和操纵环境；允许学生通过设置不同系统参数来观测地理现象的变化，营造了学生“自主学习”的环境，由传统的接受型的学习方式转向探究型学习方式，学生通过自身与仿真构建的情景教学环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式[15]。地理的实验可以在虚拟实验室中进行，同时在实验过程中培养和提高了学生的动手能力、实验能力、分析问题和解决问题的能力。这样的实践教学方式既可缩短实践的时间，又可获得直观、真实的效果，还能对那些不可视的结构原理(例：地貌漫长时间变化)进行仿真实验，一方面便于学生获得理论知识，另一方面培养学生自我训练的意识和创新能力；使地理实践教学在时间与空间上进行了扩展，克服了时空的障碍。

表1 虚拟地理环境实验系统与现实实验教学的对比评价

虚拟技术的不断发展也促进了虚拟实验的不断发展，结合当前虚拟实验的特征以及计算机技术的发展特点，虚拟地理环境实验的构建主要有以下两种类型：

(1)沉浸式虚拟实验室。将虚拟现实技术、网络技术和地理信息系统技术的有机融合，引入虚拟现实技术和3S大场景构建技术，使用数字化仿真软件，可使学习者与虚拟地理环境有着全面的感官接触与交融，使操作者有身临其境之感。

(2) 协作式虚拟实验室。借助计算机技术和协同技术，通过协同虚拟环境或其他分布式虚拟环境，引入群体决策的思想，通过专家的远程协商和协同数据挖掘，充分分析实验数据；通过引入远程控制和虚拟仪器技术，可以远程操纵实验，控制实验进程。协作式实验的核心是让一群学习者 “共同”去完成某一实验任务，学习者对实验过程的理解是在与同伴竟争、沟通、协调和合作过程中逐渐形成的，有助于培养学生的团结互助、认真负责的精神。本文研究案例以沉浸式虚拟实验室作为虚拟实验构建类型。构建体系包括研究地理学对象和方法以及地理相关要素操作的基本理论体系、虚拟地理环境实验平台的构建以及虚拟地理环境实践体系、虚拟地理环境实验应用(见图1)。其中虚拟地理实验室构建采用了三层架构体系来进行设计和维护，自下而上分别为：数据访问层(DAL)、业务逻辑层(BLL)以及表现层(USL)。三层架构把用户交互部分、逻辑操作部分和数据访问部分在逻辑上进行分层，从而降低层与层之间的依赖性，很好地实现了高耦合低内聚的思想；以大型的多源、多尺度集成数据库为基础，以地理可视化表达为界面，具有地理空间感知与图解思维规律的主动式、集成化计算与分析环境。

3 初步示例应用

本文以地貌学中的海蚀地貌发育过程为例，通过三维动态演示其演变形成过程，模拟案例为福建海坛岛半洋石帆海蚀地貌发育历史。海坛岛及其周围岛屿上出露的岩石主要有：距今13 700万年前形成的燕山早期花岗闪长岩、燕山晚期花岗闪长岩、燕山晚期石英闪长岩、燕山晚期二长花岗岩等岩浆岩，以及距今9 600万年前形成的下白垩统火山岩等。进入新生代，由于构造运动导致海坛岛及其周围地区地壳上升，岩浆岩的上覆岩石受到外力风化剥蚀导致岩浆岩出露地表。在内力和外力的作用下，海坛岛及其周围海域发育了种类丰富的地貌，如海蚀地貌、海积地貌、海湾潟湖、丘陵、台地、滨海平原等，其中，屹立于海坛海峡中的两个由燕山早期花岗闪长岩构成的海蚀柱(半洋石帆)，大者高33 m，小者高17 m，据考证是世界上最大的花岗岩海蚀柱。半洋石帆海蚀柱是由于周围抗风化剥蚀能力较弱的花岗岩被风化剥蚀后，抗风化剥蚀能力较强的花岗岩逐渐与海坛岛的花岗岩分离；又由于发育了两组垂直节理，在风化作用和波浪侵蚀作用下，形成了两个至今还屹立在海面之上的残留花岗岩体。

虚拟现实技术可以大大增强地理空间信息系统的可视性，实现虚拟现实技术主要有两种方法，一是基于几何绘制的技术，二是基于图像的绘制技术。目前，虚拟现实在地学领域的应用都是基于几何绘制技术实现的。即在虚拟地理环境实验技术的支持下，根据海蚀地貌发育过程，建立海蚀地貌发育的时空模型数据库；结合地貌学的专家知识，建立海蚀地貌发育的时空变化模型；根据时空位置，实时地调整模型参数，使模型成为随时间的不同而变化的动态的三维时空仿真模型；针对三维动态仿真数据库的要求，在时空仿真模型中加入动态关联技术，即采用一系列与状态对应的图像来表现对象状态的时空变化，以及采用连续快照的方法来达到视觉上的动态效果。可以在空间3维坐标的基础上，增加时间维，形成4维时空坐标。在4维时空里，使用者可以根据时间维来查看不同时间节点的地理信息，并推断出其发展趋势(见图2)，这为态势信息的预测推断提供了很大帮助。

图2 半洋石帆海蚀地貌海蚀地貌发育过程

4 结 语

本研究试图通过创设一个集地理空间信息采集、应用、模拟于一体的地理学情景仿真实践教学平台，使地理教学实践活动过程跨越时空限制，帮助学生综合运用现代地理学空间分析技术和手段分析地理要素空间变异规律，掌握区域综合调查及分析的方法，以更加灵活方式掌握理解知识。该平台可以实现地理各分支学科实践技能的整合与知识综合，使学习者与研究者在实验活动中能够更直观了解和掌握地理知识，起到地理教育研究性学习的效果；同时可以提高地理研究技术，改善实验环境，优化地理教学与研究过程。使实践训练及时跟上技术的发展，以培养高素质的大学毕业生。最终将建立基于一个虚拟地理环境的三维仿真系统野外实践基地，把空间信息和基础地质数据的发现、融合三维仿真系统和展示机制提供空间信息和地理信息的集成、融合和可视化，最终实现远程共享和虚拟野外实践的目标。

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·名人名言·

知识是一座宝库，而实践则是开启宝库的钥匙。

——托马斯·富勒