自然地理野外實習(xí)虛擬仿真系統(tǒng)的建構(gòu)與應(yīng)用

汪祖丞1，李鴻凱

自然地理野外實習(xí)虛擬仿真系統(tǒng)的建構(gòu)與應(yīng)用

汪祖丞1，李鴻凱

（東北師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024）

針對高校自然地理野外實習(xí)的局限性，以東北師范大學(xué)自然地理野外實習(xí)線路為依據(jù)，構(gòu)建了東北地區(qū)自然地理野外綜合實習(xí)虛擬仿真系統(tǒng)．介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計思路、實踐過程以及特色與應(yīng)用效果．該系統(tǒng)通過三維虛擬仿真技術(shù)和現(xiàn)代三維圖形圖像技術(shù)，將書本上宏觀抽象的地理理論與現(xiàn)象鮮活地呈現(xiàn)，并提供三維交互體驗．該系統(tǒng)的應(yīng)用從根本上化解了傳統(tǒng)自然地理野外實習(xí)的局限性，加強(qiáng)了學(xué)生對自然地理要素空間分異和自然地理過程變化的認(rèn)識，提升了學(xué)生創(chuàng)新實踐能力．同時，系統(tǒng)應(yīng)用的推廣也促進(jìn)了虛擬仿真實踐教學(xué)的發(fā)展，有利于國內(nèi)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享．

自然地理學(xué)；野外實習(xí)；虛擬仿真

目前，我國大多數(shù)師范類高校均設(shè)置了地理類本科專業(yè)，其中自然地理學(xué)是地理類專業(yè)必須開設(shè)的一門基礎(chǔ)課程[1]．由于自然地理學(xué)的知識、規(guī)律、理論都源自實際的地理環(huán)境，具有較強(qiáng)的實踐屬性，使自然地理野外實習(xí)成為自然地理教學(xué)中理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新實踐能力的地理學(xué)人才的重要途徑[2-5]．然而，由于受到實習(xí)經(jīng)費緊張、師資力量不足、實習(xí)時間受限等因素的影響，在傳統(tǒng)自然地理野外實習(xí)過程中難以進(jìn)行深入觀察、探討以及分析訓(xùn)練，因此限制了探究性自然地理野外實習(xí)的深入開展，導(dǎo)致地理實踐教學(xué)質(zhì)量下滑，不利于學(xué)生認(rèn)知自然地理要素的空間分異與自然地理過程的變化規(guī)律．近年來，以虛擬地理環(huán)境為場景的實踐教學(xué)為各師范高校自然地理野外實習(xí)提供了新的思路和改革機(jī)遇[6-7]．

虛擬地理環(huán)境最初在1998年提出，歷經(jīng)多次國際國內(nèi)會議研討逐步成熟，發(fā)展為以數(shù)據(jù)庫和模型庫雙核為特征的新一代地學(xué)分析平臺和工具，開始在高校實踐教學(xué)中廣泛應(yīng)用[8]．近年來，基于虛擬地理環(huán)境的虛擬仿真系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于地理類專業(yè)的實踐教學(xué)，豐富了傳統(tǒng)地理學(xué)的野外實踐教學(xué)方式，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，尤其是線上線下虛實結(jié)合的方式使虛擬仿真實習(xí)效果顯著．然而，目前虛擬仿真實踐活動往往存在學(xué)生參與度較低、實踐綜合性不足等問題，不利于培養(yǎng)學(xué)生主動探究和獨立思考的能力．基于此，東北師范大學(xué)開發(fā)了東北地區(qū)自然地理野外綜合實習(xí)虛擬仿真系統(tǒng)，以東北師范大學(xué)自然地理綜合實習(xí)線路為依據(jù)，對實習(xí)線路自然地理環(huán)境的虛擬仿真，通過動作和問題提示，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬地理環(huán)境中主動探究，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和綜合思維能力．

1　自然地理野外實習(xí)的局限性分析

自然地理學(xué)是研究自然地理環(huán)境各個要素的組成、結(jié)構(gòu)、空間格局、自然地理過程以及人與自然環(huán)境相互協(xié)調(diào)的學(xué)科[9-10]．因此，自然地理野外實習(xí)的培養(yǎng)目標(biāo)是讓學(xué)生能夠認(rèn)識氣候、水文、土壤和植被等自然地理要素的特征，并基于這些自然地理要素的綜合分析，理解地理環(huán)境的整體性和分異性，探究自然地理現(xiàn)象和過程的成因機(jī)制，培養(yǎng)獨立開展野外調(diào)查和研究工作的能力[11]．然而，目前傳統(tǒng)自然地理野外實習(xí)普遍面臨一些難題．

1.1　實習(xí)時間固定，突發(fā)情況影響實習(xí)進(jìn)行

實習(xí)需要根據(jù)教學(xué)計劃安排在特定時間內(nèi)完成，但實際中工作，常常遇到不利天氣，實習(xí)行程受阻，有效時間縮短，設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容無法充分完成．

1.2　實習(xí)內(nèi)容受限，探究性綜合實習(xí)難以開展

野外有些實習(xí)點觀察面窄小，或地處危險，學(xué)生觀察到的地理要素受限．有時受制于實習(xí)行程，在每個實習(xí)點的停留時間有限，學(xué)生難以對地理要素進(jìn)行充分觀察，影響進(jìn)一步探討、分析訓(xùn)練，研究型、綜合性實習(xí)難以開展．

1.3　實習(xí)線路較短，實踐能力提高有限

地理學(xué)習(xí)需要“行萬里路，讀萬卷書”，學(xué)生野外經(jīng)驗越豐富，發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力越強(qiáng)．當(dāng)前大部分學(xué)校的野外實習(xí)是就近開展，學(xué)生沒有機(jī)會接觸、學(xué)習(xí)其它地區(qū)特色的野外教學(xué)資源，有限的教學(xué)資源制約了本科地理教學(xué)質(zhì)量的提高．

2　自然地理野外實習(xí)虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計

虛擬仿真系統(tǒng)作為自然地理野外實習(xí)的平臺，其建設(shè)要遵循“技術(shù)設(shè)計為教學(xué)設(shè)計服務(wù)”的原則[12]，充分體現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)對自然地理野外實習(xí)培養(yǎng)目標(biāo)的支撐作用．因此，虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮到自然地理野外實習(xí)的線路與內(nèi)容、虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)以及實習(xí)的實施與考核方式3個方面．

2.1　實習(xí)線路與內(nèi)容設(shè)計

東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院經(jīng)過數(shù)十年教學(xué)積累，形成長白山——大黑山——大興安嶺自然地理學(xué)野外綜合實習(xí)路線，自東向西沿干濕梯度設(shè)計，在不到1 000 km的地理空間內(nèi)，包含了濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)，地理景觀變化顯著；除水平方向上的干濕地帶性景觀外，還具有完整帶譜的典型垂直地帶性景觀（長白山）．該路線不僅服務(wù)于本校歷屆學(xué)生培養(yǎng)，還因地理距離適中、涵蓋區(qū)域類型多樣、觀察點內(nèi)容豐富、地理現(xiàn)象典型等特點被國內(nèi)許多其他院校學(xué)習(xí)和借鑒．在路線上選擇的觀察點各具特色，代表不同地理要素及其相互作用特征．通過各點的觀察、分析，學(xué)生能夠認(rèn)識各種類型的地理要素，充分理解自然地理環(huán)境的綜合性、整體性特征；不同點之間對比研究又能讓學(xué)生深刻領(lǐng)悟地域分異規(guī)律以及造成地域分異的自然地理過程．

由于在自然地理各要素中，植被和土壤具有顯著指示性，因此，在各個觀察點主要選取植被和土壤特征進(jìn)行重點觀察，進(jìn)而推斷其它要素及自然地理過程特征．虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)按照野外實習(xí)的培養(yǎng)目標(biāo)要求，包括2個維度，５個方面的實習(xí)內(nèi)容（見表1）

表1　實習(xí)內(nèi)容

2.2　虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本虛擬仿真系統(tǒng)以計算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，整體系統(tǒng)架構(gòu)自下而上包括支持層、服務(wù)層、仿真層、應(yīng)用層，集實物仿真、場景虛擬、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導(dǎo)、虛擬實驗結(jié)果自動批改和教學(xué)管理于一體，具有良好的自主性、交互性和可擴(kuò)展性（見圖1）．在服務(wù)層，系統(tǒng)為其它學(xué)科的相關(guān)實驗課程提供了標(biāo)準(zhǔn)化接口和底層構(gòu)件庫，并為仿真層的調(diào)用提供標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用接口，為用戶提供統(tǒng)一的訪問接入服務(wù)和通用的用戶服務(wù)工具包．在應(yīng)用層，系統(tǒng)通過虛擬仿真技術(shù)將宏觀抽象的地理空間按“面—線—點”順序逐步具像化．首先，利用大尺度遙感影像并配合實習(xí)線路的地形剖面，讓學(xué)生從整體上認(rèn)識實習(xí)區(qū)域，宏觀上了解它的地域結(jié)構(gòu)特征；然后，在線路上選擇代表不同地域單元的觀察點，每個觀察點高度還原野外真實場景，清晰呈現(xiàn)各要素特征，進(jìn)入每個觀察點場景后，按先要素后整體、先觀察后分析的邏輯進(jìn)行交互設(shè)計，其中每個觀察點的學(xué)生交互性操作步驟不少于10步．在每個觀察點，學(xué)生根據(jù)動作提示和問題引導(dǎo)觀察地形、氣候、巖石、風(fēng)化物、水文、植被、土壤等各要素的特征，分析判斷它們的類型，在此基礎(chǔ)上理解各要素相互作用下自然地理整體特征以及各個觀察點之間的聯(lián)系，認(rèn)識自然地理過程．

圖1　東北地區(qū)自然地理野外綜合實習(xí)虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)

2.3　實施與考核方式設(shè)計

在實習(xí)的實施方式方面，設(shè)計了教學(xué)模式和自由模式．學(xué)生在了解實習(xí)目的和原理知識的基礎(chǔ)上，以教學(xué)模式開始實習(xí)，分別沿大黑山——大興安嶺和長白山垂直帶實習(xí)路線，按設(shè)定的順序依次點擊實習(xí)點進(jìn)行實習(xí)；在完成了教學(xué)模式學(xué)習(xí)后，可選擇自由模式進(jìn)行強(qiáng)化、復(fù)習(xí)和鞏固．自由模式下，學(xué)生可根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需求，任意點擊實習(xí)點進(jìn)行強(qiáng)化、鞏固，而不受教學(xué)模式下的順序限制．

在考核方式方面，設(shè)計了基礎(chǔ)考核和以高階性、挑戰(zhàn)性主觀題目為主的挑戰(zhàn)考核，以檢驗學(xué)生的野外實踐能力、知識實際應(yīng)用能力和綜合系統(tǒng)分析能力．基礎(chǔ)考核通過線上回答設(shè)計的考核題目完成，挑戰(zhàn)考核則需要學(xué)生在線下完成所有的思考題，由教師進(jìn)行評定．學(xué)生最終的實習(xí)成績由3部分組成：（1）教學(xué)模式中的操作成績，占總成績的50%；（2）基礎(chǔ)考核成績，占總成績的20%；（3）挑戰(zhàn)考核成績，該部分由教師線下評定，占總成績的30%．

3　案例的示范應(yīng)用

以大黑山——大興安嶺段實習(xí)為例，通過建立該線路自然地環(huán)境的三維虛擬場景，可以實現(xiàn)對線路任何一個實習(xí)觀察點的漫游和細(xì)節(jié)觀察．在每個實習(xí)點場景，學(xué)生首先在教學(xué)模式下按照觀察——實踐——分析的順序?qū)Ω鱾€自然地理要素進(jìn)行以下實習(xí)內(nèi)容：（1）選擇GPS工具，記錄實習(xí)點的經(jīng)緯度和海拔高度信息；（2）根據(jù)系統(tǒng)提供的多年平均氣象數(shù)據(jù)判斷氣候類型；（3）進(jìn)行水文特征考察，觀察地表物質(zhì)組成，判斷其透水性；（4）利用鏟子清理土壤剖面，選擇卷尺測量腐殖質(zhì)層厚度（見圖2a），通過土壤五參數(shù)儀測定土壤pH和總可交換離子濃度（見圖2b）；（5）采集土壤樣品，觀察其質(zhì)地特征（見圖2c）；（6）利用稀鹽酸滴定不同發(fā)生層，判斷土壤淋溶特征（見圖2d）；（7）根據(jù)以上土壤特征觀察，判斷實習(xí)點的土壤類型；（8）在實習(xí)點進(jìn)行漫游考察植被，判斷植被類型，找到該區(qū)域典型植物解鎖圖譜，點擊詳細(xì)查看學(xué)習(xí)．

圖2　大黑山實習(xí)點土壤特征觀察交互操作流程

完成教學(xué)模式后，學(xué)生才能夠選擇自由模式對以上自然地理要素進(jìn)行綜合考察和分析．所有學(xué)習(xí)完成后，學(xué)生需要完成線上的基礎(chǔ)考核，通過系統(tǒng)給出的部分信息，補(bǔ)充各個實習(xí)點各自然地理要素的完整信息．此外，學(xué)生還需要在線下完成系統(tǒng)提供的思考題，提交教師進(jìn)行評定．

4　自然地理野外綜合實習(xí)虛擬仿真系統(tǒng)的特色及應(yīng)用效果

4.1　實習(xí)具有兩性一度，教學(xué)效果立德樹人

自然地理野外綜合實習(xí)是在各部門自然地理的理論教學(xué)與野外實習(xí)基礎(chǔ)上的高階性、創(chuàng)新性實習(xí)，實習(xí)過程以學(xué)生為核心，學(xué)生需要在動作提示和問題引導(dǎo)下主動觀察、描述、判斷、分析和總結(jié)，具有一定的挑戰(zhàn)度．與綜合自然地理學(xué)國家級線下一流課程相結(jié)合，突出對學(xué)生的區(qū)域認(rèn)知、地理實踐和綜合思維能力培養(yǎng)，有效提高學(xué)生的創(chuàng)新能力．以學(xué)生能力為考核目標(biāo)，激發(fā)學(xué)生深入思考和綜合分析，切實達(dá)到知識和能力綜合提升的目的．學(xué)生通過實習(xí)切身體驗了自然地理環(huán)境的整體性特征和地域分異規(guī)律，理解地理要素之間和區(qū)域之間的復(fù)雜聯(lián)系，認(rèn)識到整體自然地理環(huán)境對單一自然要素變化的綜合響應(yīng)，使學(xué)生樹立科學(xué)的自然觀和發(fā)展觀，助力現(xiàn)代生態(tài)文明建設(shè)與社會可持續(xù)發(fā)展．

4.2　虛擬仿真滿足需求，教學(xué)資源有效共享

虛擬仿真系統(tǒng)基于東北師范大學(xué)數(shù)十年教學(xué)積累形成的長白山——大黑山——大興安嶺自然地理學(xué)野外綜合實習(xí)路線，著眼野外實習(xí)受時空限制，研究型、創(chuàng)新型訓(xùn)練開展困難，優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源無法共享等問題而開發(fā)，具有較強(qiáng)的針對性．虛擬的實習(xí)資源和實習(xí)過程與實際高度貼合，有效地解決了傳統(tǒng)實習(xí)中存在的高風(fēng)險、大型綜合訓(xùn)練難以開展的問題，滿足了自然地理野外實習(xí)的需求．此外，虛擬仿真系統(tǒng)還提供了開放式的平臺，符合國內(nèi)同專業(yè)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享的理念．

4.3　教學(xué)方式虛實結(jié)合，考核方式科學(xué)合理

虛擬仿真有效地解決了野外實習(xí)面臨的一些問題，并實現(xiàn)了野外實習(xí)的部分教學(xué)功能．但真實的大自然復(fù)雜多樣，僅在虛擬世界里實習(xí)是不夠的，實際的野外實習(xí)仍不能被替代．通過虛實結(jié)合，學(xué)生在野外有更多的機(jī)會發(fā)現(xiàn)、討論和解決問題，能夠?qū)崿F(xiàn)全員參與的研究型、綜合型實習(xí)，使傳統(tǒng)的野外定性分析得以定量化．操作成績和基礎(chǔ)考核模式主要評價學(xué)生對實習(xí)區(qū)域各點自然地理要素特征與地域分異的掌握程度．據(jù)此獲得的高分尚不能充分表明學(xué)生的野外實踐能力與地理綜合分析能力達(dá)到優(yōu)秀，因此還需要具有挑戰(zhàn)性的考核．通過線上線下結(jié)合，實現(xiàn)了對學(xué)生知識和能力的科學(xué)全面評估．

5　結(jié)語

自然地理野外實習(xí)是地理類專業(yè)本科生必需的教學(xué)環(huán)節(jié)，將虛擬仿真技術(shù)與野外實習(xí)有機(jī)地整合能夠使野外實習(xí)不再受到經(jīng)費有限、時空局限等條件的限制，有利于形成教學(xué)效果顯著、教學(xué)資源共享的高等教育信息化實踐教學(xué)示范項目．本研究基于東北師范大學(xué)經(jīng)典自然地理野外實習(xí)線路．通過虛擬仿真技術(shù)建立了東北地區(qū)自然地理野外綜合實習(xí)虛擬仿真系統(tǒng)，生動呈現(xiàn)各實習(xí)點的野外真實場景以及地形、巖石、風(fēng)化物、水文、土壤、植被等要素的典型特征，借助靈活的交互設(shè)計，模擬野外實習(xí)真實過程，通過“虛實結(jié)合”的學(xué)習(xí)方式，彌補(bǔ)現(xiàn)有野外實習(xí)教學(xué)的不足，有效提高自然地理學(xué)課程的教學(xué)效果，有助于培養(yǎng)具有獨立發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題能力的創(chuàng)新型地理學(xué)人才．同時，該系統(tǒng)也能夠通過網(wǎng)絡(luò)共享滿足國內(nèi)其他高校相關(guān)專業(yè)對我國東北地區(qū)典型、優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的需求，充分發(fā)揮其教學(xué)價值．

[1] 王宏衛(wèi)．自然地理學(xué)教學(xué)的改革與思考[J]．教育教學(xué)論壇，2014（50）：127-128．

[2] 于法展，張志華．廬山自然地理野外實習(xí)的教學(xué)模式與教學(xué)效果評價[J]．高師理科學(xué)刊，2007，27（2）：102-106．

[3] 邢俊利，劉玉振．嵩山地區(qū)自然地理野外實習(xí)改革[J]．實驗室研究與探索，2008，27（1）：125-127．

[4] 高長海．對新課標(biāo)下高師地理野外實習(xí)的研究[J]．新課程，2012（6）：30-31．

[5] 劉守江，胡翠華，林葉彬，等．峨眉山自然地理野外綜合實習(xí)模式與內(nèi)容改革[J]．高師理科學(xué)刊，2015，35（8）：98-100．

[6] 李雙雙，延軍平，劉新顏．國家虛擬仿真實驗建設(shè)下高校世界自然地理教學(xué)改革模型的構(gòu)建[J]．首都師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，41（1）：75-80．

[7] 高志強(qiáng)，王曉敏，閆晉文，等．我國虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J]．實驗技術(shù)與管理，2020，37（7）：5-14．

[8] 張春曉．虛擬地理環(huán)境實踐教學(xué)方法探討[J]．中國地質(zhì)教育，2021（2）：103-106．

[9] 何彤慧，李龍?zhí)茫惓浚匀坏乩韺W(xué)教材體系的變動與課程教學(xué)改革[J]．高等理科教育，2003（5）：35-39．

[10] 陳國階．綜合自然地理學(xué)發(fā)展的新展望[J]．四川師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，44（4）：440-445．

[11] 任偉．高師區(qū)域自然地理綜合實習(xí)課程建設(shè)與實踐：西南地區(qū)綜合實習(xí)為例[J]．教育教學(xué)論壇，2019（24）：24-26．

[12] 成丹，崔謹(jǐn)，魯燕舞，等．生物學(xué)野外實習(xí)虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用[J]．實驗技術(shù)與管理，2016，33（12）：128-131．

Construction and application of virtual simulation system in physical geography field practice

WANG Zucheng，LI Hongkai

（School of Geographical Science，Northeast Normal University，Changchun 130024，China）

According to the limit of physical geography field practice，the virtual simulation system of physical geography field practicein northeast China was constructed，which was based on the field routes designed by Northeast Normal University．Introduced the design ideas，practice process，features and application effects of the virtual simulation system．The systemvividly displayed the abstract theories and phenomena of geographyin booksby 3D virtual simulation technology and modern 3D graphics and image technology，and provided 3D interactive experience．The application of the system fundamentally resolved the limitation of traditional physical geography field practice，strengthened understanding of spatial heterogeneity of physical geography components and changes of physical geography processes，and improved the ability of innovation and practice ability of undergraduate．In the meanwhile，the popularization of the virtual simulation system also promoted the development of virtual simulation practice teaching，and facilitated the sharing of high quality teaching resources．

physical geography；field practice；virtual simulation

1007-9831（2022）04-0106-05

K90：G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.04.022

2021-12-23

汪祖丞（1984-），男，吉林省吉林人，副教授，博士，從事自然地理研究．E-mail：wangzc100@nenu.edu.cn