移动GIS技术辅助下的野外实践教学新模式

刘善伟, 万剑华, 祝德显

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580)

移动GIS技术辅助下的野外实践教学新模式

刘善伟, 万剑华, 祝德显

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580)

将移动GIS技术应用到地质实习教学领域,基于Android平台开发了野外地质实习辅助系统,为学生和教师提供了一个便携的地质实习仿真环境。通过该系统的应用,形成了虚实结合的野外地质实习教学新模式,提高了学生野外地质实习的效果,改善了实习教师的教学质量,较好地解决了学校地质实习教学的一些不足,成为传统实践教学方式的重要补充。

野外实习； 移动GIS； 教学辅助系统

移动地理信息系统(GIS),是以移动互联网为支撑、以智能手机(内置GPS)为终端的地理信息系统。随着移动互联网的高速发展和智能手机的普及,移动GIS成为继桌面 GIS、WebGIS之后又一新的技术热点[1-4],能够实时准确地储存、获得、更新、处理、分析和显示地理信息,适合在野外实践教学过程中提供地理位置服务。我校拥有国家重点学科——矿产普查与勘探和国家重点(培育)学科——地球探测与信息技术,历来重视地质实践教学工作,每年都要花费大量的人力、物力、财力和时间来组织千余名学生开展各种野外地质实习。但由于带队教师少而学生多、实习点数量大且分散等客观因素,学生并不能观察到所有的典型地质现象,且实习过程中采用边走边讲的方式,存在学生“听不清、听不懂”的情况,难以保证高质量的实习效果。近年来,随着GIS在地学领域的发展与应用,GIS与传统地质实习紧密结合,利用GIS技术实现虚拟野外地质实习系统逐渐成为主流[5-8],但受PC终端性能、数量及不便携带等条件制约,无法在实习过程中为广大学生提供实时帮助,应用前景不够广阔。针对上述问题 ,基于移动GIS技术建设了野外地质实习辅助系统,在此基础上,探讨形成了虚实结合的地质实习教学新模式,并从学生、教师和学校3个层面评价其教学效果,为相近学科的野外实践教学提供了一种途径。

1 野外地质实习辅助系统特点

1.1 数据特点

数据库是系统建设的基础。野外地质实习辅助系统以天地图的遥感影像和矢量地图为底图,获取了秦皇岛、新汶、鲁东、巢湖等4个实习区25条实习路线的各个实习点地质特征(岩性、地层、沉积、构造),并配以图片、视频、录音等数据。在区域空间范围上,实习基地包含实习区、实习路线、实习点等3级,层层细化，并基于地质特征,将地质实习内容分为岩性、地层、沉积、构造等特征类型。某个实习点可能对应1个或多个地质特征,需要理清上述之间的详细关系,在此基础上,针对每个实习点上的所有地质特征逐个获取详细信息,包括点号(名)、坐标位置、视频、录音、照片、图片、全景照片以及文字描述信息。

1.2 系统功能

野外地质实习辅助系统包括地图显示、导航定位、地质信息查询、地质信息采集、测距等功能,见图1。

图1 系统功能

(1) 地图显示。地图是野外地质实习辅助系统运行的基础,是学生与系统进行交互的开始,良好的地图交互能够提高实习的效率。该模块调用天地图的地图服务,包括地图显示、基本地图操作(缩放、漫游等)。

(2) 导航定位。包括“自动模式”下GPS定位和“人工模式”下手动定位:GPS定位用于野外地质实习过程中,系统自动获取学生位置并提示是否需要查询当前位置附近的实习点；手动定位则用于实习前后学生通过人工查询功能来预习或复习实习点的内容。

(3) 地质信息查询。该功能是系统的核心功能模块,包括“自动模式”查询和“人工模式”查询:“自动模式”查询使用GPS定位,当学生到达某一实习点,系统会自动提示已到达该区域,并弹出信息查询对话框,学生可以根据需要对当前位置进行文本、图片、音频、视频以及全景影像的查询；“人工模式”查询通过“人工定位”逐级选择待查询的实习区域、实习路线、实习点,并查询该点的文本、图片、音频、视频、全景影像等信息。另外,还支持基于地图的屏幕点击查询方式。

(4) 地质信息采集。在野外地质实习过程中,学生通过该功能实现对某地质构造现象的位置的地图标注,还可以针对该标注点编辑上传文本、照片、音频及视频等信息。

(5) 其他。主要包括距离测量等辅助功能。

2 虚实结合的教学新模式

基于Android平台的虚拟野外地质实习辅助系统,利用智能手机的便携性将野外地质实习与移动GIS相结合,开启了新的野外地质实习教学模式。

2.1 虚拟教学

野外地质实习的主要内容是,学生通过教师讲解的方式对野外地质现象及其演变进行实践学习,包括实习区的地质构造概况简介、局部构造形态以及地质发展简史。相较于传统的教师现场讲解方式,系统以文本、全景图片、动画、音频、视频等形式呈现教师讲解内容,学生基于地质信息查询功能可以在实习前后对地质实习内容进行预习和复习,弥补实习时学生错过教师讲解或没有听清等情况,是一种虚拟教学方式。基于地图的查询界面见图2。

图2 信息查询界面

2.2 野外教学

地图是地质实习的数据载体,而GPS导航则是连接实习者与地图的中间部分。学生实习过程中,系统通过自动模式下GPS定位自主获取学生的当前位置,判断学生是否位于实习点附近,若位于实习点附近,系统将会提示实习者已进入xx实习点并自动弹出信息查询框,在此基础上学生可以查看该实习点的各类信息,实现无教师引导状态下的自我学习；当面对新的或不明确的地质构造现象时,可以借助地质信息采集功能,将该地质现象的所在位置标注在地图上,并对该标注点进行文本编辑、拍照以及录制视频保存到本地,实现对该现象的复现,见图3。

图3 地质信息采集界面

3 教学效果评价

野外地质实习辅助系统的建立,解决了野外地质实习教学环节中存在的诸多问题。

3.1 提升了学生地质实习的效果

(1) 突破了实习的局限性。传统的野外地质实习由于受时间、地点、天气、经费等条件限制,学生不能走遍所有的典型地质现象实习点,且很多地质现象存在不能采取实验标本的问题,实习有很大的局限性。特别是野外地质实习不同于室内参观实习,一旦遇到雨、雪等恶劣天气,实习就被迫中止,实习计划和进度会受到影响；另外,省外的实习地点,距离比较远,有些典型地质地貌实习点,没法让所有学生去野外采样,而野外地质实习辅助系统的建立,突破了传统实习的局限性,通过构建较为全面的地质现象数据库系统,有效解决了上述问题。

(2) 解决了实习的呆板性。对学生而言,与其在教室课堂上或者互联网上观看文字和图片,不如像亲临现场般地去观察野外地质现象和环境。传统的地质实习,到现场观察的仅仅是经过长年累月地质构造运动形成的地质现象,难以直观地再现构造运动的全过程。野外地质实习辅助系统的建立,不但可以让学生查看典型地质现象的图片、文字等,而且能够通过二维、三维动画、实习全景图像等虚拟现实技术,生动展示实习点的构造运动全过程。

(3) 改变了实习的单一性。传统的野外地质实习,先是由教师进行理论讲解,再由学生野外实地观察,模式单一。野外地质实习辅助系统的建成,为学生实习搭建了虚实结合的桥梁和平台,学生可通过虚实结合、理论与实践相结合的方式,提前“预习”和课后“复习”,对野外地质现场实习效果起到有效的补充与强化作用,从而达到牢固掌握知识的目的。

3.2 改善了教师的实习教学质量

(1) 促进了青年教师的培养。青年教师的培养,直接决定教学效果和教学质量。野外地质实习辅助系统建成后,显著改善了青年教师实习教学备课时可供观摩的实习资料不足的问题。本系统通过录制有丰富经验的老教师的实习教学视频,为青年教师观摩学习提供了资料库,提高了青年教师野外实习教学备课的效率和实际教学效果,同时也为课堂教学提供了素材。

(2) 增加了实习教学的趣味性。借助于野外地质实习辅助系统,教师既可以丰富课堂教学内容,又可以利用GIS和遥感技术辅助实践教学,在多学科交叉融合的氛围下,提高了野外地质实习的趣味性,还可以在野外实习过程中根据系统中提供的地图,更加合理地安排实习路线,提高实习质量。

3.3 较好解决了学校地质实习教学的某些不足

(1) 缓解了实习经费紧张的矛盾。野外地质实习辅助系统的建成,拓展了学生实习的时间和空间,足不出户就可以对各种野外地质现象进行全面、生动的观察学习,在一定程度上缓解了学校实习经费紧张、某些实习点难以进行实地考察的问题。

(2) 丰富了实习基地建设的模式。因受到资金、场地、企业积极性不高等因素的影响,近年来学校实习基地建设工作相对滞后,实习基地建设模式相对单一。本系统提供了一个高度集成、功能完善的虚拟实习基地,为相关、相近学科和专业的实习基地建设提供借鉴,丰富了学校实习基地建设的模式。

(3) 提升了学校人才培养的质量。野外地质实习辅助系统的建成,既丰富了学生的学习方式、缩短实习时间、提高实习效率,又帮助教师丰富了教学手段、提升教学效果,整体促进了学校人才培养质量的提高。

4 结论

基于Android平台的野外地质实习辅助系统,将移动GIS技术应用到地质实习教学领域,为学生和教师提供了一个便携的地质实习仿真环境,很好地解决了传统虚拟地质实习系统移动性差、无法提供实时应答的问题。通过该系统的应用,形成了虚实结合的野外地质实习教学新模式,提升了学生野外地质实习的效果,改善了实习教师的教学质量,较好地解决了学校地质实习教学的一些不足,可以作为传统实践教学方式的重要补充,对于地学学科的野外实践教学具有推广应用前景。

References)

[1] 欧佳斌,张新长,郭泰圣.基于移动GIS的规划数据应用系统研究[J].测绘通报,2014(12):89-92.

[2] 姚纪明,刘亚静,王森.地质调查手机移动GIS设计与实现[J].测绘科学,2015(9):134-137.

[3] 陈晓宁,刘金榜.移动GIS版地理国情外业调绘系统的设计与实现[J].地理空间信息,2016(6):41-44.

[4] 张浩,肖海威,喻永平.移动GIS在行政区域界线勘测中的应用[J].工程勘察,2017(2):53-55.

[5] 郭巍,薛林福.虚拟野外地质实习系统(VFGTS)[J].世界地质,2010(9):522-526.

[6] 郝伟,曹代勇,应玺.基于Virtools的虚拟地学认识实习系统的实现[J].中国地质教育,2011(2):51-54.

[7] 祝德显.基于Web的虚拟野外地质实习系统设计与实现[J].内江科技,2013(1):96-98.

[8] 陈志军,顾松竹.互动数字地图技术引导野外地质实践教学中的翻转课堂实践[J].中国地质大学学报(社会科学版),2014(5):39-42.

New mode of field practical teaching assisted by mobile GIS technology

Liu Shanwei, Wan Jianhua, Zhu Dexian

(School of Earth Seience and Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

The mobile GIS(geographic information system) technology is applied to the geological practical teaching, and based on the Android platform, a field geological practical assistant system is developed, which provides a portable geological practical simulation environment for students and teachers. Through the application of this system, a new mode of the field geological practical teaching with the combination of virtuality and reality is formed, which enhances the effect of the field geological practice for students, improves the practical teaching quality, and solves some shortcomings of the geological practical teaching on campus, and becomes the important complement to the traditional practical teaching methods.

field practice; mobile GIS; teaching auxiliary system

2017-06-09

中国石油大学(华东)教学实验技术改革重点项目(SY-A201203)

刘善伟(1982—),男,山东青岛,博士,讲师,主要从事遥感与GIS的地学应用研究.

E-mail：shanweiliu@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.045

G642.0

B

1002-4956(2017)12-0186-03