創(chuàng)建山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的思路

肖林林+劉睿+張虹

摘要： 山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的構(gòu)建具有現(xiàn)實(shí)教學(xué)意義。從山地環(huán)境信息采集及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，山地環(huán)境虛擬仿真平臺構(gòu)建，山地環(huán)境虛擬仿真信息研發(fā)應(yīng)用團(tuán)隊(duì)和運(yùn)行機(jī)制構(gòu)建，山地環(huán)境虛擬仿真教學(xué)、研究與服務(wù)方面對山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的創(chuàng)建進(jìn)行闡述，同時提出了相應(yīng)的建議。

Abstract： The construction of mountain environment virtual simulation experimental teaching center （MSEC） has realistic significance for teaching. This paper described the four design procedures of the construction of MSEC： data collecting and dataset construction， the construction of mountain environment virtual simulation platform， research and development team and operating mechanism， and the function of MSEC concerning teaching， research， and serving the society. The suggestions were also given correspondingly.

關(guān)鍵詞： 山地環(huán)境；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

Key words： mountain environment；virtual simulation；experimental teaching center

中圖分類號：G640 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0187-02

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是高校本科人才培養(yǎng)工作中不可或缺的重要組成部分，關(guān)系著培養(yǎng)人才的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[1，2]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是完成具有“代表性”和“普適性”的“規(guī)定動作”，極大地制約了對學(xué)生動手能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)經(jīng)費(fèi)投入不可小覷，“投入產(chǎn)出比”往往受到質(zhì)疑。建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心能有效降低實(shí)驗(yàn)成本、擴(kuò)大受益面、解決優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源共享等問題[3]，為實(shí)踐教學(xué)改革提供了新思路。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)目的[4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心能夠?qū)崿F(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充，具有真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，能為涉及高?；驑O端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?？梢哉f，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，體現(xiàn)出信息技術(shù)與教育教學(xué)融合發(fā)展和與學(xué)科專業(yè)深度融合帶來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新[5]。

目前在全國范圍內(nèi)建成有不同級別與教學(xué)目的的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，但能極大推動地理學(xué)、生態(tài)學(xué)等相關(guān)專業(yè)在山地環(huán)境領(lǐng)域進(jìn)行特色化建設(shè)的山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心尚未見報道。本文以重慶師范大學(xué)建設(shè)重慶山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為例，分析并提出建設(shè)思路。

1 山地環(huán)境的復(fù)雜性及構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的必要性

山地環(huán)境是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，其中涉及到自然、人文、經(jīng)濟(jì)社會諸方面各種要素、過程及其相互作用[6]。山地環(huán)境的復(fù)雜性具體體現(xiàn)在三個層面：一是環(huán)境要素寬泛，包括水、土、氣、生、人等與地表有關(guān)的自然和人文因素，這些因素在地表過程上會產(chǎn)生復(fù)雜的耦合效果；二是環(huán)境過程的尺度效應(yīng)，對于某一具體過程來講（如水土流失），不同的尺度下，其影響因素和影響機(jī)制均不相同；三是山地地貌的復(fù)雜性，山地復(fù)雜地貌相對于平原、丘陵地貌具有更大的坡度和地形分異，所以對外界驅(qū)動力表現(xiàn)出更大的敏感性，其地表過程往往更為劇烈和復(fù)雜。山地環(huán)境的復(fù)雜性為目前高校地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等相關(guān)專業(yè)在山地過程領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來一定的困難，而建設(shè)山地地表過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心能夠整合海量的山地地學(xué)數(shù)據(jù)資源，形成豐富的虛擬仿真教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)山地環(huán)境的虛擬模擬，有利于對原有各自然學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行完善、整合、重新設(shè)計，提高教學(xué)效率，培養(yǎng)創(chuàng)新性人才。

2 山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心創(chuàng)建思路

針對山地環(huán)境的復(fù)雜性，創(chuàng)建山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，必須在具有一般虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，擁有對山地復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的能力，能服務(wù)于地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、水科學(xué)、地質(zhì)學(xué)等專業(yè)的山地環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到推動高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新，提高高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。

2.1 山地環(huán)境信息采集及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

山地環(huán)境信息采集及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建是山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心構(gòu)建的數(shù)據(jù)、資源儲備環(huán)節(jié)。山地過程復(fù)雜且具有極強(qiáng)的區(qū)域特色性質(zhì)，這決定了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)必須在遵循實(shí)際自然過程的基本前提下進(jìn)行虛擬仿真，才能達(dá)到虛實(shí)結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容科學(xué)客觀的目的。面對復(fù)雜山地過程，應(yīng)形成“空天地”一體化多尺度地學(xué)信息采集能力。遙感技術(shù)的發(fā)展極大地提高了空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的獲取能力，如Landsat系列衛(wèi)星、EOS系列衛(wèi)星、中國高分系列衛(wèi)星、法國的SPOT系列衛(wèi)星以及美國的WordView系列衛(wèi)星能提多尺度遙感產(chǎn)品，成為山地環(huán)境重要信息源。但在微地形尺度上，上述產(chǎn)品不具備服務(wù)能力。無人機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展可成為微地形尺度山地環(huán)境信息獲取的支撐。有必要進(jìn)行無人機(jī)遙感平臺的建設(shè)，利用無人機(jī)搭載高光譜成像儀、多光譜相機(jī)，進(jìn)行山地地表過程的精細(xì)化觀測，結(jié)合野外移動工作站形成對山地環(huán)境多層面、立體化、高清晰度數(shù)據(jù)采集能力。最后，建設(shè)高性能地學(xué)集群計算，建成山地環(huán)境數(shù)據(jù)庫。

2.2 山地環(huán)境虛擬仿真平臺構(gòu)建

山地環(huán)境虛擬仿真平臺的構(gòu)建包括兩個部分，搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)施和相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源（實(shí)驗(yàn)?zāi)K）的構(gòu)建，其中以后者最為關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)?zāi)K按照基礎(chǔ)性、綜合性和創(chuàng)新性三大實(shí)驗(yàn)層次進(jìn)行設(shè)計。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初始階段，起到對學(xué)生基礎(chǔ)知識積淀、基本技能鍛煉的作用；面向山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K可以包括無人機(jī)飛行技術(shù)模塊、地理信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、遙感圖像處理模塊、空間數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)?zāi)K等（見圖1）。綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)K起到對學(xué)生能力的進(jìn)一步提升作用，針對山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K可包括山地地表過程實(shí)驗(yàn)?zāi)K、無人機(jī)遙感應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)K、虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)K等。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)K注重對地區(qū)特色的深入挖掘和創(chuàng)新，針對重慶山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K可包括，三峽庫區(qū)水環(huán)境監(jiān)測虛擬仿真模塊、重慶山區(qū)景觀生態(tài)過程虛擬仿真模塊等。

2.3 山地環(huán)境仿真信息研發(fā)應(yīng)用團(tuán)隊(duì)和運(yùn)行機(jī)制構(gòu)建

山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的運(yùn)行需要組建研發(fā)和應(yīng)用團(tuán)隊(duì)以及建立一套高效、可行的運(yùn)行機(jī)制?？山ㄔO(shè)研發(fā)、教學(xué)和管理三個團(tuán)隊(duì)并行的運(yùn)行體系。研發(fā)團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)仿真教學(xué)資源的設(shè)計與開發(fā)，同時開展相應(yīng)的科學(xué)研究工作；實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)則集中完成中心安排的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)；管理團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)中心的運(yùn)行、管理、維護(hù)與信息化建設(shè)。對于一個高校的山地地表過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，其意義雖是為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，但做為高校的重要智庫，理應(yīng)成為科研的原創(chuàng)地。只有在原創(chuàng)性上具有引領(lǐng)作用，才能培養(yǎng)出更高層次的人才。因此，山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心團(tuán)隊(duì)的建設(shè)需以吸納和培養(yǎng)原創(chuàng)性人才為重點(diǎn)，強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)中地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的山地專家的支撐作用，及其對青年教師的指導(dǎo)和帶動作用。

2.4 山地環(huán)境虛擬仿真教學(xué)、研究與服務(wù)

山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的功能以教學(xué)為主體，以研究為撐，同時兼?zhèn)鋵ν馓峁┓?wù)的能力。對于教學(xué)而言，可以面向如地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、土壤學(xué)等多個專業(yè)學(xué)科的學(xué)生，提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教學(xué)過程中應(yīng)注重學(xué)生參與程度，盡量使學(xué)生從數(shù)據(jù)采集和建庫，到如何構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)K，以及后來實(shí)現(xiàn)虛擬仿真進(jìn)行全過程的參與。通過提高學(xué)生參與科研的程度，增加學(xué)生實(shí)習(xí)機(jī)會，鍛煉學(xué)生動手能力，進(jìn)而培養(yǎng)出專業(yè)性人才、復(fù)合型人才、創(chuàng)新性人才。山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心通過整合海量的山地數(shù)據(jù)，可在山地環(huán)境管理、山地地理環(huán)境模擬、山地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、山地災(zāi)害應(yīng)急評估、等方面實(shí)現(xiàn)虛擬模擬，產(chǎn)生較高科研價值。另外，重慶山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可通過整合先進(jìn)的地理信息技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，立足重慶，輻射全國，為社會各界提供山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享服務(wù)。

3 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)教學(xué)最新發(fā)展趨勢來看，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)是新時期下高校本科人才培養(yǎng)中的一個重要任務(wù)，也是未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。山地環(huán)境復(fù)雜，是地理相關(guān)學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)。山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立能較大推動高校山地環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立需要形成“空天地”一體化多尺度地學(xué)信息采集和存儲能力；山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)置需形成基礎(chǔ)性、綜合性和創(chuàng)新性三大實(shí)驗(yàn)層次，在第二層次注重學(xué)生對山地環(huán)境分析能力的培養(yǎng)，第三層次注重學(xué)生依據(jù)山地環(huán)境特色的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。山地環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立，要注重科研原創(chuàng)性的支撐意義，有必要構(gòu)建“教學(xué)、研究與服務(wù)”功能三位一體，“研發(fā)、教學(xué)和管理”三個團(tuán)隊(duì)并行的運(yùn)行機(jī)制。

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