地理空間信息技術(shù)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)實(shí)踐

袁磊+楊昆

摘要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物?；谠颇蠋煼洞髮W(xué)地理空間信息技術(shù)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)實(shí)踐，闡述了中心建設(shè)的理念與思路，重點(diǎn)探討了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)管理與共享服務(wù)平臺(tái)建設(shè)、師資隊(duì)伍建設(shè)等方面的做法與實(shí)踐成效，以期對(duì)相關(guān)類型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提供借鑒。

Abstract： Virtual simulation experiment teaching is a depth fusion product of discipline and information technology. Based on construction and practice of national center for virtual simulation experimental teaching of geospatial information technology of Yunnan Normal University， this paper elaborates the idea and the thought of the center construction， and describes the method and practice of constructions for teaching resources， teaching management and sharing service platform， teaching staff and so on. It is expected that this research can provide reference for the construction of the related virtual simulation experiment teaching center.

關(guān)鍵詞：地理空間信息；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

Key words： geospatial information；virtual simulation；experimental teaching center；construction of laboratory

中圖分類號(hào)：G482 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）07-0191-03

0 引言

人類進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，以地理信息系統(tǒng)、遙感、衛(wèi)星導(dǎo)航定位等高新技術(shù)為核心的地理空間信息技術(shù)迅速發(fā)展，并與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)深度融合[1]，已廣泛應(yīng)用于資源環(huán)境管理、地理環(huán)境模擬、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急評(píng)估、地理位置服務(wù)、城市規(guī)劃、民族文化、電子商務(wù)、智能物流、智能交通、智慧旅游、智慧教育、公共衛(wèi)生、智慧城市、資源共享等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)方面[2-5]，成為人類合理有效地利用資源、解決經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展重大問題的核心支撐技術(shù)之一[6]。顯然，這種背景下對(duì)我國(guó)未來地理空間信息人才的培養(yǎng)也提出了新的、更高的要求。

針對(duì)地理空間信息科學(xué)研究的對(duì)象具有“涉及面廣”、“高?；驑O端環(huán)境”、“投資大、成本高”、“結(jié)果不確定性”、“驗(yàn)證周期長(zhǎng)且過程不可逆”等特點(diǎn)，學(xué)校整合信息科學(xué)、地理科學(xué)和民族文化三個(gè)優(yōu)勢(shì)學(xué)科的教學(xué)與科研資源，依托擁有的西部資源環(huán)境地理信息技術(shù)教育部工程研究中心、民族教育信息化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、教育部科技發(fā)展中心互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新開放平臺(tái)示范基地三個(gè)國(guó)家級(jí)科研平臺(tái)，并在原有的省級(jí)智慧社區(qū)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、國(guó)家級(jí)地理科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、云南省計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、云南省教育技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則[7-8]，以云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、地理信息技術(shù)等新一代信息技術(shù)為支撐，適時(shí)將科研成果轉(zhuǎn)換為教學(xué)資源，組建了地理空間信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，并于2015年12月被教育部批準(zhǔn)為國(guó)家級(jí)地理空間信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，開展具有云南特色的地理空間信息技術(shù)綜合應(yīng)用研究與人才培養(yǎng)工作。

1 建設(shè)理念與思路

中心本著“實(shí)驗(yàn)教學(xué)為抓手、虛擬互動(dòng)增實(shí)效、人才培養(yǎng)為中心、開放共享促應(yīng)用”的建設(shè)理念，以服務(wù)于國(guó)家智慧城市戰(zhàn)略建設(shè)及地理空間信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)新一代空間信息技術(shù)人才需求的培養(yǎng)為宗旨，立足云南，服務(wù)西南，輻射東南亞，建設(shè)具有國(guó)際先進(jìn)水平的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、研發(fā)與技術(shù)交流中心、地理空間信息產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)基地。

建設(shè)主要圍繞以下思路開展：①發(fā)揮信息科學(xué)、地理科學(xué)、民族文化三個(gè)學(xué)科的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，整合學(xué)科優(yōu)勢(shì)教學(xué)資源，以信息學(xué)院、旅游與地理科學(xué)學(xué)院、體育學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)支撐仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)和運(yùn)行。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心反哺實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)及各部門的需求和發(fā)展；②以學(xué)生為本，致力于培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索和建設(shè)[9]；③結(jié)合地理空間信息化建設(shè)中，對(duì)資源環(huán)境的合理利用、基礎(chǔ)設(shè)施的智能化管理及與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與項(xiàng)目庫建設(shè)；④軟、硬件與高新技術(shù)結(jié)合，建設(shè)易管理、可共享的虛擬、仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和豐富的教學(xué)資源[10]；⑤產(chǎn)、學(xué)、研協(xié)同發(fā)展，建設(shè)地理空間信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和教學(xué)隊(duì)伍。

2 教學(xué)資源建設(shè)

中心注重學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)與訓(xùn)練。教學(xué)資源建設(shè)主要針對(duì)高危的，真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法開展的，大型、綜合的，或者教學(xué)成本較高、資源消耗大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，例如，滇池流域土地利用變化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法開展）、山地城鎮(zhèn)規(guī)劃虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（綜合性）、滇池藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)預(yù)警虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法開展）、地鐵人群疏散虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（成本高、資源消耗大）等，并著重考慮教學(xué)資源建設(shè)的必要性、適用性，突出創(chuàng)新性，根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案對(duì)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力培養(yǎng)的要求，制定實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，遵循應(yīng)用型人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求，不斷豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

此外，中心教學(xué)資源建設(shè)的另一大特色在于最大程度地將多年積累的科研成果轉(zhuǎn)換為教學(xué)資源。已將部門承擔(dān)的國(guó)家973計(jì)劃前期研究專項(xiàng)“GIS環(huán)境下基于用地變化的洱海流域非點(diǎn)源污染情景模擬研究”、國(guó)家863計(jì)劃主題項(xiàng)目“時(shí)空過程模擬與實(shí)時(shí)GIS系統(tǒng)-滇池流域非點(diǎn)源污染事件應(yīng)急響應(yīng)示范系統(tǒng)”、國(guó)家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目“污染源管理及突發(fā)污染事件應(yīng)急處理地理信息平臺(tái)軟件研究與開發(fā)”、教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金“盤龍江子流域城市非點(diǎn)源污染的地理空間模擬模型研究”、教育部科技項(xiàng)目“基于民族文化基礎(chǔ)教育課程資源構(gòu)建與有效應(yīng)用研究”、國(guó)家自然科學(xué)基金“云南少數(shù)民族服飾數(shù)據(jù)庫、元素庫構(gòu)建與智能檢索技術(shù)研究”、云南省社會(huì)發(fā)展重大研究項(xiàng)目“基于多學(xué)科高技術(shù)的云南‘城鎮(zhèn)上山研究與典型示范-城鎮(zhèn)上山的綜合決策空間信息平臺(tái)”等42項(xiàng)科研項(xiàng)目的成果，先后轉(zhuǎn)化為地鐵人群疏散仿真模擬實(shí)驗(yàn)、三維GIS的城市規(guī)劃建模與仿真實(shí)驗(yàn)、地震災(zāi)害損失快速評(píng)估仿真模擬實(shí)驗(yàn)、民族文化數(shù)字化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、滇池流域藍(lán)藻水華監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)仿真實(shí)驗(yàn)等一批反映云南邊疆自然與人文綜合過程的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。目前，中心教學(xué)資源建設(shè)已經(jīng)形成基礎(chǔ)性、綜合性和創(chuàng)新性三大實(shí)驗(yàn)層，合計(jì)19個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，已經(jīng)覆蓋虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程53門，面向11個(gè)專業(yè)開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目439個(gè)。其中，涉及基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)層項(xiàng)目317個(gè)，綜合性實(shí)驗(yàn)層項(xiàng)目115個(gè)，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)層項(xiàng)目7個(gè)。如圖1所示。

3 教學(xué)管理與共享服務(wù)平臺(tái)建設(shè)

中心教學(xué)管理與共享服務(wù)平臺(tái)以地理空間信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)為支撐，基于已有的基礎(chǔ)設(shè)施、軟件平臺(tái)和Web服務(wù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)教務(wù)管理、教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)資源共享管理等功能；并通過基于云平臺(tái)架構(gòu)的地理空間信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)門戶網(wǎng)站，達(dá)到對(duì)地理信息技術(shù)、遙感技術(shù)、GIS軟件工程、虛擬地理環(huán)境、智能信息處理、移動(dòng)位置信息服務(wù)、地理過程與環(huán)境模擬、空間數(shù)據(jù)挖掘與分析、民族文化數(shù)字化等應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的校內(nèi)、校外、面向東南亞合作院校的在線教學(xué)管理與實(shí)驗(yàn)資源共享服務(wù)。如圖2所示。

同時(shí)，為了保障系統(tǒng)在開放環(huán)境下大規(guī)模學(xué)生的使用安全，平臺(tái)設(shè)計(jì)了一系列的身份管理、認(rèn)證與計(jì)費(fèi)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)防病毒、信息過濾與入侵檢測(cè)系統(tǒng)。身份管理由系統(tǒng)管理員對(duì)系統(tǒng)用戶賬號(hào)與學(xué)生班級(jí)進(jìn)行分組管理，保障一人一號(hào)，確保沒有“一人多號(hào)”、冒名頂替的情況發(fā)生[11]；系統(tǒng)認(rèn)證功能主要是對(duì)每個(gè)賬號(hào)進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，要求賬號(hào)必須具有至少8個(gè)字符的大小寫字母、數(shù)字、符號(hào)，如sPo0kyh@ll0w3En；系統(tǒng)計(jì)費(fèi)功能主要對(duì)每個(gè)賬號(hào)的上網(wǎng)時(shí)間嚴(yán)格把關(guān)，確保學(xué)生上網(wǎng)時(shí)間不會(huì)過長(zhǎng)，保障學(xué)生健康上網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)防毒分別從網(wǎng)絡(luò)層防毒、郵件網(wǎng)關(guān)防毒、Web網(wǎng)關(guān)防毒、群件防毒、應(yīng)用服務(wù)器防毒、客戶端防毒，構(gòu)建了多層次病毒防線，實(shí)現(xiàn)病毒的全面布控；信息過濾則根據(jù)國(guó)家要求對(duì)敏感詞條進(jìn)行過濾，避免“信息超載”以及“不良信息”和垃圾信息的侵害，大大提高信息使用效率，起到信息共享流通目的；加入入侵檢測(cè)系統(tǒng)則可以極大的提升平臺(tái)的安防體系，更好的掌握系統(tǒng)情況，甚至可以達(dá)到追蹤攻擊者路線、抓住肇事者的優(yōu)勢(shì)。

4 師資隊(duì)伍建設(shè)

中心重視教師隊(duì)伍建設(shè)及其可持續(xù)發(fā)展，堅(jiān)持專業(yè)理論教師和虛擬仿真技術(shù)研發(fā)教師并重，專職與兼職教師結(jié)合，校內(nèi)與校外教師互補(bǔ)的原則，構(gòu)建了一支科研教學(xué)水平高、技術(shù)研發(fā)能力強(qiáng)、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的師資隊(duì)伍[12-13]。目前，中心現(xiàn)有人員共79人，平均年齡41.99歲。其中，高級(jí)職稱人員45人，占56.96%；博士學(xué)歷人員35人，碩士學(xué)歷人員35人，碩士及以上學(xué)歷的占88.61%；研發(fā)、技術(shù)支持與維護(hù)人員15人，占18.99%，均長(zhǎng)期從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)、研發(fā)與管理工作。其中，管理團(tuán)隊(duì)以有多年教學(xué)、管理經(jīng)驗(yàn)的教授、副教授組成；教師團(tuán)隊(duì)以博士、海外留學(xué)歸國(guó)碩士及國(guó)內(nèi)碩士人員為主體，包括教授、副教授、博士等骨干教師。研發(fā)團(tuán)隊(duì)則以一批年青的博士、碩士教師、信息技術(shù)研發(fā)人員組成；技術(shù)支持與運(yùn)行維護(hù)團(tuán)隊(duì)則以中心專職實(shí)驗(yàn)師及專事虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源研發(fā)的企業(yè)骨干力量組成。

此外，學(xué)校還專門為中心增設(shè)了實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)，聘請(qǐng)武漢大學(xué)、清華大學(xué)、中科院資源環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、香港中文大學(xué)、加拿大新布倫瑞克大學(xué)、南京大學(xué)、中山大學(xué)、南京師范大學(xué)等高校與科研院所的地理空間信息領(lǐng)域的院士和知名科學(xué)家組成教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)，負(fù)責(zé)中心仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展規(guī)劃，并對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作成效開展評(píng)價(jià)和監(jiān)督。

5 結(jié)語

中心在多年的建設(shè)過程中，已經(jīng)將擁有的科研平臺(tái)、科研成果最大程度地轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的、在線共享的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，形成了教學(xué)與科研相得益彰的資源共建的良性循環(huán)發(fā)展機(jī)制，集中體現(xiàn)在三個(gè)方面：①多學(xué)科互動(dòng)一體化建設(shè)。通過整合信息、地理、民族文化學(xué)科的科研團(tuán)隊(duì)、教學(xué)團(tuán)隊(duì)和教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科交叉融合、相互促進(jìn)、協(xié)同發(fā)展。②體現(xiàn)云南多樣性的自然與人文過程的綜合模擬。充分考慮云南獨(dú)特多樣的自然與人文資源，以豐富、獨(dú)特、多樣的區(qū)域自然、人文資源為實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材，將其融合于信息科學(xué)、地理科學(xué)和民族文化學(xué)科的實(shí)踐教學(xué)之中，構(gòu)建了基礎(chǔ)、綜合和創(chuàng)新三個(gè)層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。通過實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到基于云南自然與人文多樣性的特征、分布規(guī)律以及相互關(guān)系，獲得對(duì)資源環(huán)境實(shí)驗(yàn)分析的操作方法和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)。③基于云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)面向東南亞的在線教學(xué)資源共享。依托學(xué)校和仿真中心搭建的教學(xué)資源云服務(wù)平臺(tái)，立足云南、服務(wù)西南、面向東南亞，與多所國(guó)內(nèi)高校開展了教學(xué)科研合作及資源共享。同時(shí)，還進(jìn)一步加強(qiáng)了與東南亞、南亞高校間在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的緊密合作與交流，其中與仰光大學(xué)共建的空間信息技術(shù)中緬聯(lián)合實(shí)驗(yàn)也在積極籌建之中。

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