淺談“地學(xué)三維可視化”課程建設(shè)及教學(xué)實(shí)踐

摘要：“地學(xué)三維可視化”是我校地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)主干課程，一些高校的地理信息系統(tǒng)專業(yè)也開(kāi)設(shè)了該課程。為適應(yīng)新的教育形勢(shì)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，本文在課程開(kāi)設(shè)的必要性、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、考核機(jī)制的改革等方面進(jìn)行了有益探索，為課程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：地學(xué)三維可視化；教學(xué)改革；課程建設(shè)

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1674-9324（2012）09-0155-02

科學(xué)計(jì)算可視化[1]（visualization in scientific computation）是20世紀(jì)80年代發(fā)達(dá)國(guó)家提出的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，是通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理，將科學(xué)計(jì)算的過(guò)程和結(jié)果以圖形或圖像的形式顯示，并進(jìn)行交互處理的方法和技術(shù)。它涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像處理和人機(jī)交互等多個(gè)領(lǐng)域?？茖W(xué)可視化在地學(xué)領(lǐng)域，如地理信息系統(tǒng)（GIS）和地學(xué)建模（GMS）的應(yīng)用，形成了地學(xué)可視化。通過(guò)地學(xué)三維可視化可以提高人們對(duì)復(fù)雜、抽象的三維地學(xué)現(xiàn)象的空間感知、理解和分析能力。隨著地學(xué)可視化技術(shù)的發(fā)展和廣闊的應(yīng)用前景，一些高校在與地學(xué)相關(guān)的專業(yè)中相繼開(kāi)設(shè)了地學(xué)可視化相關(guān)課程。

一、課程開(kāi)設(shè)的必要性

從學(xué)科發(fā)展需要而言，孫九林院士認(rèn)為“地球信息科學(xué)這個(gè)學(xué)科是地球科學(xué)與現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)交叉融合綜合集成在一起的新興學(xué)科，是以信息流為手段，來(lái)研究地球系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)流、能量流、人流和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、方式?！钡貙W(xué)領(lǐng)域關(guān)于三維空間信息的采集、組織、表達(dá)、建模、可視化、交互分析的研究日益重要，發(fā)展為兩個(gè)并行的研究方向[1]，一個(gè)是3D GIS（三維地理信息系統(tǒng)），是以地球表面及其以上的自然地理實(shí)體和人工建筑實(shí)體為研究對(duì)象，另一個(gè)是3D GMS（三維地學(xué)模擬系統(tǒng)），是以地表及其以下自然地質(zhì)實(shí)體和人工開(kāi)掘?qū)嶓w為研究對(duì)象。目前，真三維地學(xué)建模、三維拓?fù)涿枋?、地表地下空間無(wú)縫集成、三維動(dòng)態(tài)地學(xué)過(guò)程模擬、三維地學(xué)可視化等問(wèn)題已成為地球空間信息的技術(shù)前沿和攻關(guān)熱點(diǎn)[1-3]，吸引了計(jì)算機(jī)科學(xué)、測(cè)繪、地理、地質(zhì)、采礦、巖土、環(huán)境、資源等諸多領(lǐng)域的學(xué)者的研究興趣。因此為了適應(yīng)地球信息科學(xué)的學(xué)科發(fā)展，有必要開(kāi)設(shè)“地學(xué)三維可視化”課程，使學(xué)生了解研究前沿和熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)本科生與研究生教育的良好銜接；并且，地學(xué)可視化在測(cè)繪、地質(zhì)、環(huán)境、資源等諸多領(lǐng)域的重要性，使其成為學(xué)生應(yīng)該掌握的重要技能。

從社會(huì)需求而言，隨著三維可視化技術(shù)的發(fā)展，地學(xué)可視化具有十分廣闊的應(yīng)用前景和社會(huì)需求，主要應(yīng)用于數(shù)字城市、礦山、海洋、地質(zhì)、水利、氣象、環(huán)境等領(lǐng)域[1]，例如城市景觀分析、城市規(guī)劃、地下水源污染監(jiān)測(cè)、地下管線規(guī)劃、地表沉陷監(jiān)測(cè)、多煤層礦層儲(chǔ)量分析、地層結(jié)構(gòu)解析等。因此，通過(guò)開(kāi)設(shè)“地學(xué)三維可視化”課程，使學(xué)生掌握三維地學(xué)建模、可視化和交互分析的方法和技能，可促進(jìn)就業(yè)，適應(yīng)社會(huì)需要。

因此，考慮到學(xué)科發(fā)展、就業(yè)和社會(huì)需求，有必要在地學(xué)相關(guān)專業(yè)開(kāi)設(shè)“地學(xué)三維可視化”課程，使學(xué)生掌握地球信息科學(xué)領(lǐng)域的重要技能，促進(jìn)學(xué)生在測(cè)繪、地質(zhì)、環(huán)境、資源、氣象等諸多領(lǐng)域較好就業(yè)。

二、課程的主要內(nèi)容

本課程的目的是通過(guò)系統(tǒng)講授地學(xué)可視化的基本概念、原理、方法和技術(shù)，使學(xué)生掌握面向地學(xué)的常用的三維空間模型、基本的三維空間建模算法、能夠運(yùn)用常用的三維空間信息系統(tǒng)與圖形工具，如IDL（Interactive Data Language）或ArcGIS，進(jìn)行三維地學(xué)建模和交互分析。

本課程主要包括以下5個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）“地學(xué)三維可視化”的內(nèi)涵和相關(guān)概念，如“地學(xué)認(rèn)知模型”、“空間數(shù)據(jù)模型”、“空間維數(shù)分析”、“真三維”“3D GIS”、“3D GMS”、“地學(xué)多維圖解”等。

（2）針對(duì)“地學(xué)可視化”應(yīng)用最多的兩個(gè)領(lǐng)域：數(shù)字城市和地質(zhì)領(lǐng)域，介紹常用的三維空間信息系統(tǒng)和三維圖形工具。

（3）面向地學(xué)常用的三維空間模型，包括面元模型、體元模型（規(guī)則體元和不規(guī)則體元模型）、混合三維模型（斷面-三角網(wǎng)混合模型、線框-塊體混合模型、八叉樹(shù)-四面體混合模型）、集成三維模型（三角網(wǎng)-八叉樹(shù)集成模型、矢柵集成模型）；三維地質(zhì)空間模型的原理、特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍。

（4）典型的三維空間建模算法，包括三維圖形幾何變換、地物模型與地形模型無(wú)縫集成、TEN模型生成、Octree模型生成、面向?qū)ο蟮娜S模型重建、GTP模型剖切、LOD模型生成、多分辨率紋理生成與映射、三維空間索引與顯示判斷等代表性算法。

（5）從常用的三維空間信息系統(tǒng)與圖形工具中選擇一種典型系統(tǒng)或圖形工具，如IDL或ArcGIS進(jìn)行三維地學(xué)模型的建立、可視化和交互分析。

三、教學(xué)方法和考核機(jī)制

本課程是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，要求以學(xué)生為主體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、主動(dòng)性和創(chuàng)造性；本課程并不指定某一具體的三維地學(xué)模型，不是要求所有學(xué)生都建立三維地形模型，而是鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)設(shè)自己感興趣的三維地學(xué)模型，如洪水演進(jìn)模型、地面沉降模型、三維地層模型、數(shù)字城市模型等，并鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)模型的需要來(lái)選擇合適的三維系統(tǒng)或圖形工具，建立自己的三維地學(xué)模型。有的學(xué)生擅長(zhǎng)編程，則可以用VC或IDL編程實(shí)現(xiàn)三維空間建模算法或建立三維地學(xué)模型；有的學(xué)生對(duì)菜單操作更感興趣，則可以根據(jù)模型特點(diǎn)，選擇ArcGIS或3D Max來(lái)建立三維模型。因此本課程給予學(xué)生充分的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，鼓勵(lì)學(xué)生大膽想象和創(chuàng)設(shè)自己的三維地學(xué)模型，并根據(jù)自身特長(zhǎng)和興趣，選擇合適的三維系統(tǒng)或圖形工具實(shí)現(xiàn)自己的三維地學(xué)模型。

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，本人對(duì)教學(xué)方法作了一些探索和改進(jìn)：

（一）注重案例教學(xué)

案例教學(xué)被認(rèn)為是代表未來(lái)教育方向的一種成功教育方法。通過(guò)在課堂上演示一些三維地學(xué)模型的程序和錄像，讓學(xué)生對(duì)三維地學(xué)模型有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考、討論該演示模型是如何建立的，是否可以進(jìn)一步改進(jìn)和完善。通過(guò)案例教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生通過(guò)自己的思考或他人的思考，來(lái)拓寬思路，積極思考和創(chuàng)設(shè)自己的模型。

（二）由注重知識(shí)轉(zhuǎn)換為注重能力

不再?gòu)?qiáng)調(diào)書(shū)本知識(shí)的灌輸，而是強(qiáng)調(diào)學(xué)生將學(xué)習(xí)到的地學(xué)可視化知識(shí)轉(zhuǎn)換為實(shí)踐能力，利用學(xué)到的地學(xué)可視化知識(shí)，實(shí)際動(dòng)手來(lái)建立自己的三維地學(xué)模型。因此涉及到以下5方面能力的培養(yǎng)：①查閱文獻(xiàn)的能力，本課程要求學(xué)生課后查閱地學(xué)三維可視化方面的文獻(xiàn)，尋找三維地學(xué)模型的思路和合適的建模工具或系統(tǒng)；要求學(xué)生在查閱文獻(xiàn)的同時(shí)，積極思考文獻(xiàn)中的模型是如何建立的，存在哪些不足，如何改進(jìn)，從而找到自己創(chuàng)建三維地學(xué)模型的思路；②自學(xué)能力，學(xué)生在明確自己所想創(chuàng)建的三維地學(xué)模型的思路后，需要選擇合適的建模工具和系統(tǒng)，并要在教師指導(dǎo)下學(xué)習(xí)該建模工具和系統(tǒng)；由于“地學(xué)三維可視化”的課程在大三下學(xué)期開(kāi)設(shè)，因此學(xué)生都已系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)VC編程和ArcGIS的操作，在課堂上會(huì)介紹IDL的一些編程技巧，因此學(xué)生主要學(xué)習(xí)如何將學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)深化、并應(yīng)用于實(shí)踐開(kāi)發(fā)；③創(chuàng)新能力，鼓勵(lì)學(xué)生大膽想象，創(chuàng)建自己的三維地學(xué)模型，從而可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，而不拘泥于課本上介紹的知識(shí)和模型；④實(shí)踐能力，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)對(duì)三維空間信息系統(tǒng)或圖形工具的操作和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)和建立自己腦海中的三維地學(xué)模型，從而可以深化學(xué)生對(duì)以前學(xué)習(xí)過(guò)的VC、IDL和ArcGIS等的掌握，將知識(shí)變?yōu)閷?shí)踐；當(dāng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)了自己的三維地學(xué)模型構(gòu)想后，會(huì)產(chǎn)生很大的成就感和自信，產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，會(huì)更加熱愛(ài)本專業(yè)；⑤論文撰寫(xiě)和學(xué)術(shù)報(bào)告能力，要求學(xué)生將自己創(chuàng)建的三維地學(xué)模型，如何創(chuàng)建，以及創(chuàng)建模型的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步改進(jìn)的設(shè)想等寫(xiě)成學(xué)術(shù)論文的形式，并作PPT，在課堂上作口頭報(bào)告，從而培養(yǎng)學(xué)生的科研能力、學(xué)術(shù)論文撰寫(xiě)和學(xué)術(shù)報(bào)告的能力。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力都能得到很好地培養(yǎng)和鍛煉。

（三）啟發(fā)式教學(xué)

在課堂上盡可能多地預(yù)設(shè)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生分析思考各三維空間模型、三維空間建模算法以及演示的三維地學(xué)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，以及如何改進(jìn)完善；同時(shí)，注重介紹地學(xué)可視化研究的前沿問(wèn)題和熱點(diǎn)技術(shù)，鼓勵(lì)學(xué)生課后查閱相關(guān)文獻(xiàn)加深理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。

（四）考核機(jī)制

本課程致力于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，而不是一味地學(xué)習(xí)課本上的知識(shí)，因此不采用試卷考試方式，而是根據(jù)學(xué)生創(chuàng)建的三維地學(xué)模型、撰寫(xiě)的學(xué)術(shù)論文給出課程成績(jī)，考核側(cè)重于學(xué)生的創(chuàng)造性、建立的三維地學(xué)模型的完備性，以及對(duì)模型改進(jìn)的設(shè)想等方面。

“地學(xué)三維可視化”是地學(xué)相關(guān)專業(yè)一門(mén)重要的專業(yè)課程[4]，“地學(xué)可視化”具有廣闊的應(yīng)用前景和社會(huì)需求，在數(shù)字城市、礦山、海洋、地質(zhì)、水利、氣象、環(huán)境等諸多領(lǐng)域都能得到很好的應(yīng)用。通過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐證明，以上課程內(nèi)容、教學(xué)方法和考核機(jī)制的探索和改革，取得了較好的效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力，課程結(jié)束后，有的本科生撰寫(xiě)的本課程論文被學(xué)術(shù)期刊錄用。也希望本論文能起到拋磚引玉的作用，和同行們一起努力，將地學(xué)教學(xué)改革[5]的工作做好。

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作者簡(jiǎn)介：王賢敏，女，副教授，主要從事遙感地質(zhì)方面的教學(xué)和科研工作。