虛擬仿真技術(shù)的區(qū)域分析與區(qū)域地理課程教學(xué)模式改革

林勇明，李鍵，巫麗蕓，游巍斌，何東進(jìn)，陳燦，吳承禎,2*

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002；2.武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

隨著計算機(jī)技術(shù)、應(yīng)用軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的不斷發(fā)展，將地理環(huán)境要素通過現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)收集—建模環(huán)境表達(dá)—表達(dá)交互真實(shí)—公眾協(xié)作參與等步驟，實(shí)現(xiàn)虛擬地理環(huán)境平臺的研制和開發(fā)[1]，正不斷改變傳統(tǒng)地理教學(xué)的空間認(rèn)知方式與模擬分析形式[2]。與傳統(tǒng)的GIS技術(shù)比較，虛擬地理環(huán)境平臺具有多源數(shù)據(jù)、跨尺度、現(xiàn)象模擬、人機(jī)協(xié)同交互等優(yōu)點(diǎn)，可加強(qiáng)地理學(xué)教學(xué)過程中再現(xiàn)表達(dá)、集成建模、模擬預(yù)測及效應(yīng)評價的直觀性和操作性[3]，從而實(shí)現(xiàn)重塑過去、把握現(xiàn)在、展望未來的現(xiàn)代地理學(xué)學(xué)科教育理念。

區(qū)域分析與區(qū)域地理的課程內(nèi)容主要關(guān)注中國區(qū)域空間變化規(guī)律和確定區(qū)域空間各物質(zhì)要素的合理布局，認(rèn)清東中西部大區(qū)域之間的發(fā)展不平衡原因，促進(jìn)各種類型的區(qū)域之間與區(qū)域內(nèi)部的和諧性，進(jìn)而提升國家整體競爭力。課程著重于培養(yǎng)學(xué)生的區(qū)域地理思維，要求學(xué)生掌握區(qū)域的整體性、綜合性和復(fù)雜性特征，達(dá)到對區(qū)域發(fā)展的演化過程和演變趨勢的基本認(rèn)識。然而，受教學(xué)經(jīng)費(fèi)、疫情防控、師資力量、學(xué)科背景等因素影響，近年來區(qū)域分析與區(qū)域地理的講授以線下課堂為主、線上課堂為輔的口頭講述為主，學(xué)生無法對現(xiàn)實(shí)中區(qū)域要素的發(fā)展與變化產(chǎn)生主觀認(rèn)識，出現(xiàn)“課堂沉默”的現(xiàn)象（即學(xué)習(xí)獲得的成就感減弱、被動式接受知識后產(chǎn)生的應(yīng)性沉默）[4]，造成了教學(xué)過程中教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)之間產(chǎn)生嚴(yán)重脫鉤的現(xiàn)象[5]。因此，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和知識獲取時的成就感，成為高校地理專業(yè)教師面臨的共同難題。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺可為學(xué)生提供地理環(huán)境的再現(xiàn)過程，加深學(xué)生親臨其境的實(shí)踐感，促進(jìn)知識表象化，激發(fā)學(xué)生對未知知識的探索欲望，對高校地理教學(xué)改革具有十分重要的意義[6]。以國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺建設(shè)為契機(jī)，對區(qū)域分析與區(qū)域地理面臨的全局認(rèn)識實(shí)踐、抽象的區(qū)域地理概念與過程、教學(xué)資料的補(bǔ)充與拓展、教學(xué)理念的更新等方面進(jìn)行分析，根據(jù)教學(xué)團(tuán)隊多年經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)區(qū)域分析與區(qū)域地理課堂虛擬仿真建設(shè)的意義，探討面向區(qū)域分析的虛擬地理環(huán)境仿真教學(xué)平臺的整體框架與結(jié)構(gòu)功能，以期為高校地理教育教學(xué)的改革與發(fā)展提供參考。

1 虛擬地理仿真平臺建設(shè)的研究現(xiàn)狀與問題

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國政府、各類高校和科研機(jī)構(gòu)（如北京大學(xué)、武漢大學(xué)、中國科學(xué)院遙感研究所等）開發(fā)建設(shè)了多項(xiàng)虛擬地理仿真平臺和基礎(chǔ)系統(tǒng)[7]，在虛擬地理環(huán)境的理論基礎(chǔ)、模型開發(fā)、建模方法、技術(shù)應(yīng)用等方面取得重大突破[1,8-11]，建立數(shù)據(jù)庫與模型庫共同更新的共享平臺，促進(jìn)研究人員對現(xiàn)實(shí)世界地理信息的挖掘和模擬推理與公眾的互動過程之間的有機(jī)融合：教學(xué)科研人員運(yùn)用虛擬地理仿真平臺模擬地理現(xiàn)象，再現(xiàn)并預(yù)測地理要素的變化過程；而公眾則提供虛擬地理環(huán)境的體驗(yàn)感知及認(rèn)知反饋，促進(jìn)模擬效果的優(yōu)化改良[1]。

然而，目前受地理模型多樣性、數(shù)據(jù)多元化、虛擬效果的精確性、系統(tǒng)硬件的可靠性等方面的制約，存在以下幾個方面的問題：1）缺乏既考慮科研精度需求、又可方便公眾使用的通用性仿真平臺；2）多元化數(shù)據(jù)的共享及模型間轉(zhuǎn)換利用尚存不足；3）三維場景重現(xiàn)對硬件要求過高；4）平臺開發(fā)者與使用者之間的信息不對稱，無法達(dá)到開發(fā)者與使用者同時滿足的目的；5）虛擬場景以城市、社區(qū)為主，難以移植至大尺度地理演變過程的模擬中。

鑒于上述問題，為高校地理類教學(xué)服務(wù)的虛擬地理仿真平臺應(yīng)以促進(jìn)學(xué)生掌握地理分析方法為主，基于地理學(xué)方法集成和綜合系統(tǒng)平臺，建立連接教師—學(xué)生—平臺之間的紐帶，加快現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境向虛擬地理環(huán)境的轉(zhuǎn)換過程，提升虛擬地理環(huán)境的模擬和驗(yàn)證準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲共享、地理現(xiàn)象與過程直觀、模擬與預(yù)測有效的教育教學(xué)目的。

2 區(qū)域分析與區(qū)域地理課堂虛擬仿真建設(shè)的意義

區(qū)域分析與區(qū)域地理作為地理學(xué)的一門專業(yè)課，其課堂虛擬仿真建設(shè)與虛擬地理環(huán)境高度相關(guān)。然而，區(qū)域分析與區(qū)域地理涉及范圍廣，尺度大，關(guān)聯(lián)因素多，學(xué)習(xí)過程中不僅需要學(xué)生掌握知識，還需要他們懂得運(yùn)用知識對實(shí)際的區(qū)域情況進(jìn)行分析、判斷。這要求學(xué)生通過調(diào)查實(shí)踐與綜合實(shí)驗(yàn)，通過對照比較，加深區(qū)域間差距的認(rèn)識，掌握區(qū)域發(fā)展不平衡的內(nèi)在原因。此外，自然地理過程是區(qū)域發(fā)展方向的主要制約因子，學(xué)生需通過親身體會與模擬分析才能提高對區(qū)域發(fā)展方向的準(zhǔn)確判識。這又要求學(xué)生具有一定的預(yù)測模擬能力，提高其對事物發(fā)展變化的認(rèn)知能力。在這種背景下，建立適應(yīng)于現(xiàn)代地理學(xué)知識體系的虛擬仿真平臺，成為《區(qū)域分析與區(qū)域地理》教學(xué)效果提升的重要渠道，因此《區(qū)域分析與區(qū)域地理》課堂虛擬仿真建設(shè)有幾個方面的意義：

（1）探索區(qū)域間比較的實(shí)踐活動

2019年8月南京大學(xué)與美國西雅圖華盛頓大學(xué)聯(lián)合組織中美“人類活動—全球變化”交叉學(xué)科國際科考與科研訓(xùn)練的本科生項(xiàng)目，共同考察美國華盛頓州奧林匹亞國家公園溫帶雨林的生物多樣性、植被地帶性等內(nèi)容，對比國內(nèi)溫帶森林與溫帶雨林的群落差異性；學(xué)生還在兩國學(xué)者的指導(dǎo)下利用衛(wèi)星光譜和雷達(dá)等多源數(shù)據(jù)，重構(gòu)了中美兩國中高緯地區(qū)三十年來森林?jǐn)_動的歷史。以上活動極大地促進(jìn)了學(xué)生對區(qū)域間地理要素差異性的認(rèn)識。然而，由于經(jīng)費(fèi)、考察周期、行程安排、疫情影響等方面的制約，跨國性的本科生交流實(shí)踐機(jī)會難以在全國范圍內(nèi)推廣。在實(shí)際教學(xué)中，師生對區(qū)域地理的認(rèn)識還是基于教材內(nèi)容、影像資料、數(shù)字地圖等，很難直觀地體會和認(rèn)知。隨著虛擬仿真平臺建設(shè)的不斷深入，將不同區(qū)域的地理要素三維可視化，建立虛擬三維的各區(qū)域?qū)嵙?xí)場所，可為高校學(xué)生區(qū)域間比較的實(shí)踐活動提供便捷、高效的模擬平臺。

（2）增強(qiáng)學(xué)生對自然地理過程的預(yù)測模擬能力

在教學(xué)過程中，自然地理過程比較抽象，如云夢澤的歷史變遷對湖南湖北兩省的影響，若僅利用文字資料、圖片等展示時，學(xué)生的理解難以透徹，通過虛擬仿真將復(fù)雜的區(qū)域變化過程直觀化、形象化，輔以解說系統(tǒng)，利用視聽觸覺的感官刺激，通過電腦、手機(jī)等載體，融合線上教學(xué)與線下教學(xué)，建立多元化的教學(xué)平臺，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與對事物發(fā)展的預(yù)測判斷能力，從而建立唯物辯證式的地理知識體系。

（3）促進(jìn)教學(xué)資料的更新、換代

區(qū)域地理涉及范圍廣、內(nèi)容多，區(qū)域政策、空間結(jié)構(gòu)、發(fā)展戰(zhàn)略、資源分布等隨科技發(fā)展而不斷改變，造成地理環(huán)境的認(rèn)識需不斷更新、換代，教學(xué)資料也應(yīng)隨之?dāng)U充增容。具體而言，利用大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)將報紙、網(wǎng)絡(luò)、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫、會議等實(shí)時性的教學(xué)資料通過平臺存儲庫的形式，實(shí)時更新仿真平臺的信息資源，從而達(dá)到教師保持與時俱進(jìn)、學(xué)生拓寬知識面和理解程度的教學(xué)資料更新目的。

（4）完成響應(yīng)信息革新的教學(xué)模式改革

傳統(tǒng)地理教學(xué)中以講解—演示—輔導(dǎo)—引導(dǎo)為最基本的教學(xué)模式[12]，學(xué)生的主動參與性不強(qiáng)，有害怕錯誤的心理負(fù)擔(dān)，運(yùn)用理論知識準(zhǔn)確判斷并預(yù)測地理過程的能力有待提高。虛擬仿真課堂教學(xué)為學(xué)生提供自主設(shè)置變化條件的虛擬平臺，學(xué)生可模擬各種條件的地理過程演變趨勢，容錯率高，可重復(fù)性強(qiáng)，進(jìn)而提高學(xué)生的動手能力與邏輯判斷能力，提升課程的教學(xué)效果，達(dá)到理論知識與實(shí)際運(yùn)用隨時結(jié)合的教學(xué)目的。

3 區(qū)域分析與區(qū)域地理虛擬仿真建設(shè)的環(huán)境要素與框架

前人研究得出，虛擬仿真地理環(huán)境包含數(shù)據(jù)環(huán)境、建模及模擬環(huán)境、交互環(huán)境和協(xié)同環(huán)境4個子環(huán)境[13-16]。每個子環(huán)境中包含多個環(huán)境要素，對區(qū)域分析與區(qū)域地理虛擬仿真平臺建設(shè)過程中，所需關(guān)注的子環(huán)境要素組成問題進(jìn)行論述，提出子環(huán)境建設(shè)的建議，并給出基本的建設(shè)框架。

數(shù)據(jù)環(huán)境是虛擬仿真平臺的根本，其主要負(fù)責(zé)平臺的數(shù)據(jù)獲取、組織、管理與發(fā)布。由于虛擬仿真平臺涉及海量數(shù)據(jù)和信息（包括區(qū)域地理坐標(biāo)、形態(tài)特征、時段變化、空間格局等），需對異構(gòu)性的數(shù)據(jù)源進(jìn)行整合，從而實(shí)現(xiàn)平臺正常運(yùn)行的目的。然而，高精度/高分辨率的柵格和矢量數(shù)據(jù)需要占用大量的存儲空間，運(yùn)行效率也將隨著數(shù)據(jù)量的增大而降低，通過數(shù)據(jù)的無損壓縮、轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)共享，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，準(zhǔn)確描述不同維度、不同坐標(biāo)系統(tǒng)下的地理空間及對象的時空變化關(guān)系[16]，進(jìn)而支持虛擬仿真地理時空分析的運(yùn)算需求。

建模及模擬環(huán)境則是虛擬仿真平臺的核心，其包含概念場景模型、概念建模、機(jī)理模型、數(shù)學(xué)模型四個模塊，關(guān)鍵在于將文字或圖片形式的地理空間、地理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)格式，再進(jìn)行建模形象化。因此，建模時需要綜合考慮不同背景人員的數(shù)據(jù)認(rèn)知習(xí)慣，以普適性、可理解性為標(biāo)準(zhǔn)，建立虛擬仿真平臺使用人員的協(xié)作關(guān)系，集成網(wǎng)絡(luò)中分布的多源地理模型，探索異構(gòu)性的多種模型集成應(yīng)用的途徑，提高學(xué)生虛擬建模和地理過程預(yù)測的能力。

交互環(huán)境則提供仿真平臺設(shè)計和使用者的訪問通道。通過三維幾何建模與數(shù)碼圖像、視頻、VR虛擬現(xiàn)實(shí)等的集成表達(dá)與互動[14]，為設(shè)計使用者提供真實(shí)的時空感，但交互環(huán)境專用設(shè)備（如感知頭套、立體眼鏡等）因費(fèi)用高昂無法普及，高校教師、學(xué)生只能借助鼠標(biāo)、鍵盤等進(jìn)行追隨指令式的操作，無法實(shí)現(xiàn)交互環(huán)境身隨意動的簡潔操作。因此，低廉、操作簡單、真實(shí)性強(qiáng)的交互環(huán)境是虛擬仿真平臺使用時急需解決的問題之一。

協(xié)同環(huán)境提供仿真平臺設(shè)計使用者相互交流、協(xié)同操作的空間，其為虛擬仿真平臺的使用感受提供了信息歸納渠道，提高使用者模擬、預(yù)測與決策結(jié)果的合理性與精確性。然而，在現(xiàn)有虛擬地理環(huán)境中用戶之間的協(xié)作需求卻很少促進(jìn)平臺的突破性發(fā)展[14]，一方面是因?yàn)樘摂M地理環(huán)境體系尚不成熟，使用者的協(xié)同需求無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；另一方面對地理過程的認(rèn)識，不同用戶之間出發(fā)點(diǎn)存在差異，無法形成對事物發(fā)展的一致認(rèn)識。因此，協(xié)同環(huán)境如何圍繞虛擬地理環(huán)境的學(xué)習(xí)內(nèi)涵進(jìn)行協(xié)同會商、協(xié)同操作，這方面的研究還有待于加強(qiáng)。

基于上述虛擬仿真建設(shè)中子環(huán)境存在的問題，作者提出關(guān)于區(qū)域分析與區(qū)域地理虛擬仿真建設(shè)的基本框架（圖1），以期為課程虛擬環(huán)境建設(shè)及平臺研制與開發(fā)提供參考依據(jù)。

圖1 區(qū)域分析與區(qū)域地理課程虛擬仿真建設(shè)的基本框架Fig.1 The basic framework of virtual simulation construction in the class of region analysis and region geography

（1）地理環(huán)境數(shù)據(jù)的歸一化處理

前人已運(yùn)用各種算法[17-18]、多維空間數(shù)據(jù)集成模型[19]、通用空間數(shù)據(jù)表達(dá)模型[20-21]等，建立地上、地下、地表附著物的實(shí)體三維轉(zhuǎn)化模型，構(gòu)建空間數(shù)據(jù)定制的映射和集成體系，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面、體等多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的一體化表達(dá)。上述研究進(jìn)展為區(qū)域分析與區(qū)域地理虛擬仿真平臺提供高效的數(shù)據(jù)存儲、壓縮、傳送、分析的數(shù)據(jù)環(huán)境，促進(jìn)課程教學(xué)素材的收集與保存，在教學(xué)過程中可按虛擬仿真的精度要求選擇。

（2）操作引導(dǎo)式的建模環(huán)境

以地理分析模型元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（草案）為建模結(jié)構(gòu)解析和可重用粒度分析的基礎(chǔ)[1]，提取現(xiàn)有地理模型的適配性結(jié)構(gòu)，進(jìn)行建模模式的重組和粒度分割，實(shí)現(xiàn)建模環(huán)境的并行操作；根據(jù)課程中的地理問題、區(qū)域時空范圍，利用引導(dǎo)式圖標(biāo)建立賦值指令，確定地理要素之間的關(guān)聯(lián)性，創(chuàng)建適用于課程的地理概念模型。通過設(shè)定讀取參數(shù)，建立地理概念模型的輸入/輸出及流程控制的封裝命令，剔除網(wǎng)絡(luò)上異構(gòu)性地理模型的不兼容成分，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下形成支持分布式模型計算的運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)資源共享調(diào)用和模型分散處理的協(xié)同操作。

（3）接近真實(shí)感知的交互環(huán)境

國內(nèi)外已開發(fā)多種虛擬地理環(huán)境的可視化系統(tǒng)，如ArcGlobe、Google Earth、Virtual Earth、Ev-Globe、SuperMap、Geo-Globe等，這些系統(tǒng)均支持高精度地形、影像、圖片等數(shù)據(jù)格式，支持分布式模型運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了三維場景的快速瀏覽及漫游的功能，且具備了空間屬性的各種基本網(wǎng)格，有效支撐虛擬仿真建模和模擬的需求[22]。然而，目前真實(shí)感知需借助于專業(yè)設(shè)備，低廉、操作簡單的感知技術(shù)限制大眾化真三維發(fā)展的主要瓶頸。因此，在各種可視化系統(tǒng)中采用植入式真三維立體渲染方法[23]，利用視覺場景變化、視點(diǎn)位置轉(zhuǎn)換、多層要素的透視轉(zhuǎn)化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單通道透視平面?zhèn)稳S立體向雙目視覺真三維立體的轉(zhuǎn)變，從而構(gòu)建細(xì)節(jié)豐滿、尺度多樣、動態(tài)可視化的三維場景表達(dá)區(qū)域地理模型。

（4）多線程、多用戶、實(shí)時保存的協(xié)同環(huán)境

協(xié)同環(huán)境追求多人以電話網(wǎng)絡(luò)或IP網(wǎng)絡(luò)為媒介，針對虛擬地理環(huán)境中的問題開展協(xié)同討論、交互工作。網(wǎng)絡(luò)化的協(xié)同會商系統(tǒng)具有豐富的交互手段和信息共享方式[24]，為地理教學(xué)在虛擬仿真平臺上的協(xié)同合作、決策提供有效途徑。針對地理建模具有計算復(fù)雜性、組織多方性、尺度多樣性、模型異構(gòu)性等特點(diǎn)，設(shè)計多個計算機(jī)進(jìn)行處理的分布式協(xié)同建模系統(tǒng)，將協(xié)同地理建模過程進(jìn)行流程分解，提供區(qū)域地理建模團(tuán)隊的對話、文字信息、影像交流等多種實(shí)時通訊渠道，討論建模過程中模塊構(gòu)成、規(guī)劃方案、進(jìn)度安排等。建模任務(wù)執(zhí)行完成后，由建模團(tuán)隊授權(quán)給用戶，用戶可在協(xié)同環(huán)境內(nèi)向建模團(tuán)隊反饋模型使用過程中的問題，并提出相應(yīng)的建議，建模團(tuán)隊根據(jù)用戶的反饋，優(yōu)化虛擬仿真平臺，從而達(dá)到學(xué)生掌握知識而教師完善平臺的最終目的。

4 基于虛擬仿真平臺的區(qū)域分析與區(qū)域地理課程教學(xué)模式探討

4.1 虛擬仿真平臺的PBL教學(xué)模式

區(qū)域分析與區(qū)域地理課程融合理論與實(shí)踐為一體，要求學(xué)生具有良好的基礎(chǔ)理論知識與動手能力。然而，現(xiàn)有的教學(xué)模式存在著一些弊端，如：1）教材未配備影像、圖片等資料；2）區(qū)域尺度大，學(xué)生難以形成直觀認(rèn)識；3）實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)尚無統(tǒng)一指導(dǎo)書；4）缺乏課程討論與在線實(shí)時交流[7]。以上弊端，造成學(xué)生在傳統(tǒng)的課堂講解后，難以在課后復(fù)習(xí)時加深知識點(diǎn)的掌握，無法形成發(fā)現(xiàn)區(qū)域發(fā)展變化的問題——分析問題的主體組成——提出解決方案的邏輯判斷能力，急需改善。因此，虛擬仿真平臺應(yīng)基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，引入以問題為導(dǎo)向的PBL教學(xué)方法[25]，在教師的引導(dǎo)下，以學(xué)生為中心，提供學(xué)生共享其他學(xué)校相關(guān)課程的學(xué)習(xí)資源，圍繞課程中的問題，創(chuàng)建學(xué)生、教師及課外人員的交流平臺，在教師輔助下學(xué)生自主解決問題，最終提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的教學(xué)模式。

區(qū)域分析與區(qū)域地理虛擬仿真教學(xué)平臺在運(yùn)行過程中，首先教師幫助學(xué)生在平臺中構(gòu)建學(xué)習(xí)框架，給出區(qū)域分析與發(fā)展過程的關(guān)鍵問題，學(xué)生按照興趣劃分學(xué)習(xí)小組，并貫穿課程的整個教學(xué)過程。學(xué)生在教學(xué)平臺中進(jìn)行用戶登錄，使用課程相關(guān)信息抓取軟件、課程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、課程資源數(shù)據(jù)庫等提取問題相關(guān)信息，并基于平臺開展團(tuán)隊討論，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作、分析與解決問題、自主創(chuàng)新的能力。平臺在運(yùn)行過程中涉及數(shù)據(jù)庫、3S技術(shù)等的運(yùn)用，促進(jìn)學(xué)生對知識的復(fù)習(xí)和新知識的掌握，提高學(xué)生的知識儲備水平；同時，學(xué)生在親自參與學(xué)習(xí)環(huán)境的使用與提升中，更加關(guān)注學(xué)習(xí)過程，為學(xué)生創(chuàng)造了真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，符合PBL開放情境的教學(xué)要求。

4.2 虛擬仿真教學(xué)平臺的課程參與方式

PBL教學(xué)模式的三大要素——教師、學(xué)生、問題情境[26]，在虛擬仿真教學(xué)平臺中具有互相促進(jìn)、共同進(jìn)步的巨大潛力：平臺在提供課程學(xué)習(xí)的過程中，教師與學(xué)生需要通力配合，在互動中達(dá)到講授與學(xué)習(xí)同行、平臺與參與者共進(jìn)步的局面（圖2），最終促進(jìn)問題情境進(jìn)一步優(yōu)化。

圖2 區(qū)域分析與區(qū)域地理虛擬仿真教學(xué)平臺的課程參與方式Fig.2 Course participation mode in virtual simulation teaching platform of region analysis and region geography class

具體而言，教師在教學(xué)平臺上構(gòu)建課程資源數(shù)據(jù)庫，為學(xué)生提供登錄學(xué)習(xí)界面；在課程資源數(shù)據(jù)庫中添加課程相關(guān)的PPT課件、文獻(xiàn)、疑難點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)素材、視頻資料等，供學(xué)生讀取查閱；設(shè)置關(guān)鍵詞/關(guān)鍵問題，利用抓取軟件獲取網(wǎng)絡(luò)上與課程內(nèi)容密切相關(guān)的數(shù)據(jù)，供學(xué)生甄別使用；平臺提供在線交流界面，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論、提問、回答等課程知識加深環(huán)節(jié)；利用平臺的三維場景表達(dá)區(qū)域地理模型，創(chuàng)造出接近現(xiàn)實(shí)的問題情境，在線實(shí)時監(jiān)督學(xué)生模擬實(shí)驗(yàn)區(qū)域的地理過程演變過程，激發(fā)學(xué)生的潛能，并提高學(xué)生的動手能力與邏輯判斷能力。

學(xué)生在虛擬仿真教學(xué)平臺的主要工作包括：注冊登錄賬號，根據(jù)課程安排，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)上下載課程相關(guān)的資料；主動學(xué)習(xí)抓取軟件，從網(wǎng)絡(luò)上獲取與課程相關(guān)的輔助材料；積極參與在線界面的討論、提問、回答環(huán)節(jié)；協(xié)助完成微信公眾號、微博賬號等平臺展示空間的建設(shè)和完善；利用平臺完成區(qū)域地理過程的建模模擬和平臺優(yōu)化，及時完成課程作業(yè)，提高知識的掌握程度。

問題情境則隨著虛擬仿真教學(xué)平臺兩大參與者的配合下，以此為契機(jī)，帶動學(xué)生主動的學(xué)習(xí)，設(shè)計的問題應(yīng)該是沒有具體的答案、結(jié)構(gòu)不良、不和諧或問題之間是相互矛盾的，這樣可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的好奇心，使學(xué)生能夠認(rèn)真思考，努力探索，積極尋求解決問題的方法，問題的情景是真實(shí)的，與現(xiàn)實(shí)生活息息相關(guān)，學(xué)生能夠從中體會到學(xué)習(xí)的樂趣，從而激發(fā)學(xué)生的潛能，提高學(xué)生理論和實(shí)際相結(jié)合的能力，促進(jìn)他們自主學(xué)習(xí)的意識不斷提高。

5 結(jié)論與展望

虛擬地理環(huán)境平臺改變傳統(tǒng)地理教學(xué)的空間認(rèn)知方式與模擬分析形式，但現(xiàn)有平臺以展示為主，缺乏對地理過程與現(xiàn)象的模擬分析，平臺結(jié)構(gòu)與框架仍有待完善。以區(qū)域分析與區(qū)域地理課程為切入點(diǎn)，著重論述了以下幾個方面：

（1）分析地理學(xué)虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)的研究現(xiàn)狀與問題，提出在教學(xué)時應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲共享，加快現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境向虛擬地理環(huán)境的轉(zhuǎn)換過程，提升虛擬地理環(huán)境的模擬和驗(yàn)證準(zhǔn)確性。

（2）歸納總結(jié)課堂虛擬仿真建設(shè)的4個意義，即可通過課堂虛擬仿真教學(xué)活動，探索區(qū)域間比較的實(shí)踐活動；增強(qiáng)學(xué)生對自然地理過程的預(yù)測模擬能力；促進(jìn)教學(xué)資料的更新、換代；完成響應(yīng)信息革新的教學(xué)模式改革。

（3）探討區(qū)域分析與區(qū)域地理虛擬仿真建設(shè)的環(huán)境要素與框架，提出虛擬仿真教學(xué)平臺的建設(shè)框架應(yīng)包括歸一化處理的地理數(shù)據(jù)環(huán)境；操作引導(dǎo)式的建模環(huán)境；接近真實(shí)感知的交互環(huán)境；多線程、多用戶、實(shí)時保存的協(xié)同環(huán)境4個子環(huán)境。

（4）給出虛擬仿真平臺的PBL課程教學(xué)模式，提出教師、學(xué)生、問題情境3個PBL基本要素互相促進(jìn)、共同進(jìn)步的虛擬區(qū)域地理環(huán)境教學(xué)平臺，為學(xué)生學(xué)習(xí)表達(dá)地理環(huán)境、發(fā)現(xiàn)區(qū)域問題、總結(jié)區(qū)域規(guī)律、再現(xiàn)和模擬區(qū)域現(xiàn)象提供平臺支撐。

面對區(qū)域分析的虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)，最終目標(biāo)是形成教學(xué)并舉、學(xué)以促進(jìn)的教學(xué)平臺，未來還有很多方面值得探索：

（1）建設(shè)虛擬仿真教學(xué)平臺的同時，關(guān)注其他學(xué)科仿真教學(xué)平臺的發(fā)展，借鑒其他平臺的模塊，避免重復(fù)建設(shè)；發(fā)展網(wǎng)絡(luò)共參與式的地理建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)地理模型的解析重組，服務(wù)于本課程虛擬仿真教學(xué)平臺的優(yōu)化過程。

（2）運(yùn)用空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù)，整合網(wǎng)絡(luò)上可用的有效資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時共享，完善網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)據(jù)共享調(diào)用機(jī)制，擴(kuò)充仿真教學(xué)平臺的數(shù)據(jù)庫容量，增加學(xué)生實(shí)例操作的機(jī)會。

（3）加強(qiáng)地理信息系統(tǒng)、地理可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的有機(jī)融合，建立虛擬仿真教學(xué)平臺的系統(tǒng)方法論，并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，為地理學(xué)理論與方法發(fā)展提供新的視角。