国外大都市地理野外实习虚拟仿真教学平台设计与应用

蒋海兵

(盐城师范学院 城市与规划学院，江苏 盐城 224005)

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化的重要内容。近年来，在教育部的国家虚拟仿真实验教学项目带动下，虚拟仿真教学迎来高速增长期，虚拟仿真实验呈现蓬勃发展态势，它有效破解了高校实验实习实践教学的难点，拓展了实验教学内容，改善了实验教学模式，创新了学生实验方法，提高了实验教学效果[1]。国外高校加快了新兴信息技术在教育教学领域中的应用，整合教育资源于在线学习、混合式学习和协作学习之中，注重建设具有完备数字化学习条件和虚拟实验环境的未来教学实验室[2]。国内地球科学、测量学、植物学、建筑学等多个学科也尝试采用虚拟仿真技术手段来提高实践教学效果。海洋地球科学虚拟仿真实验教学系统拓展弥补了真实实验经费不足等问题[3]，摄影测量学采用虚拟仿真可视化技术降低学生理论学习的难度[4]，植物学野外实习虚拟仿真教学系统减少了物候、天气、师资等对植物学教学实习的束缚[5]，土木建筑虚拟仿真实验教学资源体系增强了学生的创新精神和实践能力[6]，线上线下虚实结合使虚拟仿真实验效果显著。

有鉴于此，本文力图探讨国外大都市地理野外实习虚拟仿真教学平台的设计方案，模拟国外大都市地理环境实验教学场景，增强学生对国外城市地理的感性认识，为创新型人才培养提供必要条件。

一、国外大都市地理野外实习虚拟仿真教学平台建设的必要性

大都市地理野外实习是人文地理学野外实习的重要环节，是培养地理科学综合创新型人才不可或缺的重要组成部分。由于实践经费有限、教学时间短、实践庞杂等多重因素的影响，国外大都市地理野外实习的很多内容难以通过具体的实践过程来实现。据此，本项目拟开发一套国外大都市地理野外实习的虚拟仿真实验，试图通过学生自主学习和移动学习，突破时间与空间限制，搭建世界地理学、人文地理学、经济地理学、城市地理学、城乡规划学等课程的综合实践教学平台，生动形象地展示国外大都市面貌、街道、功能区的空间格局与特征，让学生对国外大都市有一个全面的认识，培养学生自主设计城市地理学野外实验的能力，提高学生中外城市地理比较能力。

学生通过电脑、手机等设备应用本项目，提前体验实习线路，了解实习大都市的城市地理环境，观察和探索国外大都市区地域格局、土地利用特征、城市职能分布、区域城市体系、城市市场空间、城市社会空间等，巩固和加深对城市化、城市群、城市空间结构、城市感应空间等基本概念、基本理论的认识和理解，熟练地掌握城市地理特征调查的方法和技术。

在人文地理学野外实习中开展基于虚拟仿真项目的移动学习，具有灵活性、交互性、沉浸感、共享性等特点，虚实结合的教学方法可以显著提高实践教学效果，有利于开展研究型综合型实习，提高学生的实践与创新能力，为人文地理学野外实习提供重要的教学辅助功能。

本项目尝试设计一款覆盖国外大都市地理野外实习的虚拟仿真实验教学项目，让学生突破国界的限制，更加感性地了解国外大都市的地理特征和空间差异，帮助学生构建更加完善的城市地理学知识体系，提高学生对国外大都市城市化机制的认识水平，增强学生对国内大都市建设的民族自豪感，力图克服目前学生普遍缺乏国外大城市地理野外实习实践能力的问题，加深对课堂知识点、中外城市发展问题的感性认识和深入思考，拓宽学生视野，培养学生的实践能力、创造能力和学习能力，推动国内人文地理学野外实习教学资源共享，提升人文地理学实习效果，共同提高人文地理学野外实习的教学水平与学生自主学习的积极性。

二、虚拟仿真教学平台实习教学内容设计

(一)知识点

通过全景VR/AR从宏观视野了解：(1)国外大都市城市景观、城市自然地理概况和城市土地利用结构。(2)国外大都市城市职能分类、城市规模分布、城市空间分布体系。(3)国外大都市城市内部地域空间结构、城市资源环境与社会问题等。(4)国外大都市城市化形成机制。(5)国外大都市市场空间、社会空间和感应空间。

(二)实验原理说明

本虚拟仿真实验项目让学生通过对以上国外大都市城市问题的学习和调查，掌握城市地理学调查方法，以达到以下教学效果：(1)掌握城镇人口集聚规律，熟练地应用数理统计方法预测城市人口规模增长趋势，运用空间分析技术与数据模拟城市空间扩展过程与空间关系。(2)采用行为科学方法分析城市居民对城市环境的感知、评价、直至决策的空间行为过程。(3)能够熟练地掌握城市信息系统方法、城市空间抽样调查方法、城市系统分析方法等。(4)深入理解与掌握地域城镇综合体的分布特征、功能、规模和结构。

(三)实验材料

为实现虚拟仿真实验目的和实验原理，我们构建了大都市城市地理数据库、城市建筑和街道3D模型、城市街区格局二维影像、城市景观照片以及实习地点全景素材库(建筑3D素材库、城市面貌素材库、城市居住区3D素材库、城市功能区3D素材库、全景VR和影像素材库)。

三、虚拟仿真实验教学过程与教学效果

(一)教学方法

本项目试图通过优势学科专业与信息技术深度融合，改革实践教学理念、教学内容、教学方法，实行问题导向式、研究式教学，开展自主式、小组探究式学习。通过文字、图片、3D模型、全景VR、视频等多种新媒体开展教学，通过线上线下混合式学习，突破时间和空间约束，让学生对国外大都市地理有一个感性的认识，培养学生自主设计城市地理学实习专题的能力。

(二)实施过程

实习前，教师收集课外实习方法、实习城市文献、视频资料，明确虚拟仿真系统实习线路，包括纽约、华盛顿、芝加哥、伦敦、巴黎、东京等城市，将相关资料放置于平台，让学生在实习前充分掌握实习方法，对城市有感性的认识。同时，开展实习前期指导，让学生熟悉实习地点的地理知识，引导学生思考存在的地理问题，并分组讨论，提出预设问题。

实习中，现场指导演示虚拟仿真系统的操作，引导学生思考前期准备的知识点和问题，结合实习线路情况，互相探讨，深入思考，发现新问题。

实习后，指导学生分析实习过程中的知识点，交流虚拟仿真系统应用体验与心得，撰写高质量的实习报告。

(三)教学实施效果研判

本项目教学资源不受时空条件约束，使很难出国开展城市地理野外实习的活动得以实现，这些城市面貌、城市著名建筑、城市交通、城市街区、城市自然环境与景观等能够通过虚拟仿真模型进行深入观察和探究。沉浸式的实习体验开拓了学生视野，增强了学生主动实习的积极性，使学生在实习过程中更能明确目标，对国外大都市获得更深刻的感性认识，这样既可以弥补教材理论教学的不足，又能使学生的知识结构更加健全，综合能力和创新能力得以进一步提升。

四、虚拟仿真实验教学特色及创新

(一)实验方案设计创新

国外大都市城市地理野外实习是人文地理野外实习的重要环节，本项目为野外实习提供了全方位的辅助教学，学生通过虚拟仿真实验操作，突破时间、空间、经费等诸多约束，达到了常规野外实习无法达到的教学效果。本虚拟仿真实验项目与先进VR/AR技术深度融合，采用虚拟仿真实验、全景城市VR/AR、各种城市建筑、街道实物照片、线上实习教学、移动自主学习，使学生掌握国外大都市城市化机制、城市空间结构、城市感应空间、城市职能和城市调查方法等，帮助学生构建更加完整的城市地理学知识体系。它突破了传统实践教学的局限性，实现了教学资源的延伸与拓展，增强了学生对国外大都市地理的感性认识，拓展了学生的全球视野，提高了学生的综合实践与创新能力。

(二)教学方法创新

1.融合多学科理论和知识的实验项目

国外城市地理野外实习是多学科交叉融合的实验项目，在实习过程中包含城市地理学、经济地理学、世界地理、自然地理学、地理信息系统、计算机科学、城市规划学等多个学科的理论和知识点。在教学过程中采用“问题式学习”的教学方法，以问题为中心，与课程内容相联系，学生参与教学全过程以加深对国外大都市城市地理的感性认识。

2.激发学生自主学习的开放性实验项目

每一组学生需要依据所学的知识，在规定的时间内完成相应的数据获取和处理工作，最后进行空间数据的集成。从教育理论来看，这样的实习内容可以培养学生的协作创新精神，让他们形成一种具有专业精神的工程理念，在数据获取和整理的过程中懂得职业操守的重要性，从虚拟仿真项目的不同模块中学会解决城市规划、自然地理、地理信息系统等专业问题，这是一种开放式的实习教学。

(三)评价体系创新

评价体系包括国外大都市地理的测验模式、考试评价、小组讨论和虚拟仿真实习报告。虚拟仿真项目具有共享性、互动性、沉浸性等特点，采用多种模式的评价体系，有利于开展研究型、综合型学习，提高学生的实践创新能力。学生利用虚拟仿真实验开展小组研讨、GIS空间分析、数理分析等，结合调查结果，撰写实习报告。