基于WebGIS的GIS网络虚拟实验室建设

魏东琦,郭明强,黄 颖,吴 亮,谢 忠

(1.国家地理信息系统工程技术研究中心,湖北 武汉 430074;2.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054;3.中国地质大学(武汉) 信息工程学院,湖北 武汉 430074;4.武汉中地数码科技有限公司,湖北 武汉 30074)

云计算与大数据技术、计算机网络技术、仿真技术及虚拟仪器技术的飞跃式发展为高校实验教学的改革提供了技术基础，虚拟实验室将会在一定程度上改善高校传统实验资源缺乏等问题[1]。虚拟实验室已经在一些中学、高校得到广泛的应用，如分子生物学虚拟实验室[2]、医学虚拟实验室[3]、机械工程虚拟实验室[4]、电工电子网络虚拟实验室[5]、园林虚拟实验室[6]、物理和化学网络虚拟实验室[7-8]。王亚东研究了MOOC环境下的虚拟实验室建设,使该课程在MOOC环境下的教学达到“开放、共享、互通”的设计理念，为教学提供真实、可交互的网络实验环境，构建理论学习与实践环节一体化的教学新体系[9]。

在“互联网+教育”迅速发展的背景下,虚拟实验室作为高校信息资源开放共享机制建设的新载体，发挥着提高教学质量、培养实践性应用型优秀人才的重要作用。林宝灯重点探究了信息资源开放共享机制的有效构建方式，全面剖析了虚拟实验室信息资源的类型与载体特征,论述了虚拟实验室信息资源开放共享的必要和可行性[10]。王曙霞研究了虚拟实验室云平台资源的均衡调度方法,建立了云平台资源均衡系统模型,给出了均衡调度算法,通过所建立的模型和给出的算法实现对云平台资源的均衡调度，为在云环境下构建GIS网络虚拟实验室提供技术参考[11]。

本文探讨GIS虚拟实验室建设的相关问题，旨在提高GIS教学效率和教学质量。

1 GIS上机实验教学现状分析与改革驱动力分析

1.1 GIS实验教学现状

随着云计算技术的发展，越来越多的高校建设了基于云环境的实验室，为了提高学生上机实验效率和教师对学生的成绩评定效率，物理、机械等课程都建设了网络虚拟实验室，学生不需要使用真实的实验设备，节约了实验室建设成本，提高了教学效率。而对于地理信息系统课程实验，虽然学生在实验时不需要具体的物理设备，但是学生需要准备复杂的软件环境、实验数据，极大地降低了上机操作的效率，尤其是实验数据比较大时，所有学生拷贝实验数据需要消耗大量的时间，即便是实验室管理员能够统一维护每个实验主机的系统镜像，当实验环境和实验数据需要更新时，更新所有的实验主机镜像是一个漫长的过程；另一方面，在传统的实验室中，教师对学生上机过程的管理只能靠人工巡检，对所有学生上机操作过程进行监管非常不便。

1.2 WebGIS技术推动GIS实验教学改革

WebGIS技术将传统的桌面GIS软件的功能变为B/S的架构形式，这样可以在浏览器中实现各种GIS软件功能的操作，因此，基于WebGIS技术实现GIS课程的网络虚拟实验室，使学生和教师能够直接登录网络虚拟实验室网站，在网站上完成上机操作，教师能够在网站上实时查看每个学生的上机操作日志，实时查看各个学生上机成果，并在线进行成绩评定，提高教学效率。

2 GIS网络虚拟实验室要解决的关键问题

GIS网络虚拟实验室的核心是基于WebGIS技术构建一个GIS实验教学服务端和Web客户端，需要解决以下3个关键问题：

1)如何将传统文字形式的实验指导材料转化成可交互式的Web端应用。上机题目、实验数据、实验指导书是实验教学必备的数据资源，这些可共享的数据资源可存储在GIS网络虚拟实验室云主机上，但是需要进一步将这些资源变成可交互的Web端应用，学生才能够在客户端浏览器中登录网络虚拟实验室进行每个上机题目实际动手操作。因此，采取何种技术将传统的实验教学资料转化为可交互式的Web端应用，是GIS网络虚拟实验室要解决的首要问题。

2)如何构建支撑大用户量并发访问的网络虚拟实验室服务平台。在传统基于云主机的实验室中，每个学生使用的是一个独立的虚拟机镜像，而在网络虚拟实验室中，实验环境部署在服务端云主机中，每个学生使用客户端主机中的Web浏览器访问网络虚拟实验室，由于上机学生数一般都多达数十上百人，再加上GIS中很多功能都是IO密集型和计算密集型任务，这给网络虚拟实验室的云服务的并发处理能力带来严峻的挑战，如何提高GIS网络虚拟实验室的高性能并发处理能力，解决大用户量的并发访问问题是GIS网络虚拟实验室要解决的关键问题之一。

3)如何解决GIS网络虚拟实验教学中学习者之间的差异性。由于每个学习者的学习特点、爱好、性格、理想等各不相同，使得不同的学习者喜欢不同的学习方式、学习情境，在GIS网络虚拟实验教学中，如何设计虚拟实验室中的上机题目和Web端交互方式，让全体学习者积极参与到主动学习过程中也是必须要解决的关键问题。

3 基于WebGIS的GIS网络虚拟实验室体系架构设计

本文设计的GIS网络虚拟实验室采用前后台分离架构，服务端以REST服务形式提供操作底层数据库的各类接口，客户端采用Ajax请求方式访问REST服务。系统结构如图1所示。

1)GIS网络虚拟实验室数据库层：数据库层用于存储GIS网络虚拟实验室需要的各种数据，包括学生数据、教师数据、课程数据、上机题目数据、成绩数据、上机题目所用到的空间数据以及系统使用过程中的日志数据。

2)GIS网络虚拟实验室REST服务层：该层提供操作底层各种数据库的REST服务接口，针对每个数据库，提供数据的添加、查询、更新和删除接口。

3)GIS网络虚拟实验室客户端：客户端采用纯Html+Javascript的方式构建实验室Web交互系统，采用自适应技术满足台式电脑、便携式电脑和各种移动终端设备的访问。客户端提供的功能模块根据不同的用户类型而不同。针对学生用户，主要提供上机题库的浏览查询、题目中涉及到的空间数据的在线查询、编辑和空间分析等操作、上机操作日志查询功能；针对教师用户，主要提供上机题库的编辑、题目中涉及到的空间数据的在线查询、编辑和空间分析等操作、上机操作日志管理、学生上机成绩管理等功能；针对实验室管理员用户，主要提供学生信息管理、教师信息管理、实验课程信息管理、日志查看等功能。

图1 GIS网络虚拟实验室体系架构

4 GIS网络虚拟实验室关键技术

4.1 GIS题库与上机成果数据管理

GIS课程上机实验题目涉及到题目数据库和空间数据库，题目数据库使用关系型数据库，主要存储由教师录入的实验题目、实验过程描述、实验目标、实验步骤等上机题目和实验指导信息等文字类型的素材，学生在上机过程中可以在上机题库操作模块中检索实验题目并在虚拟实验室中进行上机操作。

空间数据库用于存储与GIS上机实验题目相关的空间数据，包括实验用到的矢量数据、栅格数据。在题目数据库中，每个题目都会有相应的属性字段与空间数据库中的空间数据关联，学生在加载题库中的上机题目时，会自动加载空间数据库中的图层并实时在Web浏览器中显示。空间数据加载完成后，学生可以在浏览器中通过空间数据操作模块对空间数据进行漫游、查询、编辑、分析等GIS操作。操作完成后，学生的上机成果会保存到空间数据库中。学生提交实验结果数据后，教师用户便可以通过空间数据操作模块在系统中对学生提交的结果数据进行检查，然后通过成绩管理模块录入学生的成绩。

考虑到不同学生之间基础、兴趣的差异性，笔者曾提出了依托GIS二次开发竞赛的培养模式[12]，在GIS教学中应用效果良好。因此，在本文设计的GIS网络虚拟实验室中，上机题目来源于GIS二次开发竞赛题目，用真实的竞赛题目一方面能够更充分地调动学生上机实验兴趣，另一方面还能够让学生分工协作，选择自己最擅长的方向完成上机任务。

4.2 基于REST服务的GIS虚拟实验交互系统

在图1所示GIS网络虚拟实验室中，服务端以REST服务形式提供虚拟实验室各种数据库的操作接口，虚拟实验室客户端使用Ajax请求方式与REST服务进行通信，由于采用了无状态的通信机制，在大量学生用户并发访问虚拟实验室场景中，可以在云环境中部署多个REST服务结点，然后采用笔者提出的Client主动式负载均衡方法[13]，在虚拟实验室客户端实现多个REST服务结点的均衡调度，满足大用户量的并发访问性能需求。

采用REST服务与Ajax技术相结合还具有另一优势，即实现GIS网络虚拟实验室客户端的无刷新交互，增强系统的交互体验，进一步提升学生在GIS网络虚拟实验室操作过程中的学习兴趣，维持较高的积极性，提高实验教学效率。

4.3 实验成果成绩评定依据自动生成方法

为了方便教师快速判定学生实验成绩，借助WebGIS技术，教师在录入上机题目时，通过空间数据操作模块对每个上机题目用到的空间数据进行实际操作，生成的结果空间数据作为标准答案。当学生选择相应的上机题目并提交成果时，系统可以基于WebGIS提供的空间数据操作接口，如叠加分析功能、距离测量、面积测量等功能，判断学生提交的空间数据与标准答案对应的空间数据的差异，并给出相应的成绩判定依据。

例如：一个上机题目是在地图上某两个位置添加两个点，学生提交成果后，后台自动比对学生添加的两个点，计算与标准答案对应的矢量图层中两个点的距离，当教师对学生的上机成果进行成绩评定时，系统自动显示该学生添加了几个点，每个点偏差距离，从而加快教师成绩录入效率。

5 结束语

虚拟实验室教学改革是近几年高校教学改革的重点方向之一，“地理信息系统”“空间数据库”“网络地理信息系统”“GIS软件工程”等GIS相关课程在计算机软硬件技术的支撑下，专门针对网络环境的WebGIS技术完全可以将传统桌面GIS软件上机操作过程中的各个功能移植到Web客户端中。本文设计了一个基于REST服务和Ajax客户端的GIS网络虚拟实验室，对系统体系架构和关键技术进行设计和分析。本文设计的GIS网络虚拟实验室显著提高了学生上机实验过程中的学习兴趣和积极性，学生的实践动手能力明显提高，提高了GIS上机实验教学效率和教学质量，可为其它同类课程建设网络虚拟实验室提供技术参考。