高校虚拟地理综合实践教学系统的整合与设计

中国地理学会 自然 地 理 专 业 委 员会 自然地理学与生态建设气象出版杜2 0 0 6年7月 高校虚拟地理综合实践 教学系统的整合与设计 江辉 仙 ( 福建 师范大学 地理 科学学 院 福州 3 5 。 。 。 ” 现代信息技术理论学为实验教学的设计与实施提供了新的手段， 拓展了实践教学设计和 开发的范围。借助于计算机技术创设虚拟仿真环境的虚拟现实技术， 可以仿真或虚构某些情 境， 供观察、 操纵与建构其中的对象， 获得体验或有所发现。例如， 虚拟地貌实验， 可以通过动 态仿真形式表现出地貌形成的过程， 让学生形象直观地去理解其演变过程。虚拟现实理论学 技术为实践教学内容的更新、 实践教学的过程与方法的革新提供了崭新的理念和技术， 使得实 践教学发生了质的变化， 引发了实践教学模式的变革， 而实践模式的改变， 必然促进实践思想、 实验观念等深层次的改革。 高校地理实践教学的整合必要性 地理学作为一门研究地表空间结构以及人类与地理环境关系的科学， 其研究对象具有时 空多维性而难以亲历， 其科学规律难以把握， 地理实验教学更是如此。特别是当前高等学校地 理学科在派生出了一些新领域和应用方向的同时， 地理学科的基础课程、 野外实践课程、 实验 课程等的实践环节难度很大。一些高校的地理学科定位不够恰当， 对基础理论、 实践能力和创 新型能力重视不够。此外， 目前的地理专业实践教学是分课程来进行的， 这种情形有如下缺 点: ( 1)地理学科本来具有综合性， 野外实习碰到的问题也需要综合的多门课程的共同解释， 但 被目 前的 课程体制割裂了; (2 ) 浪费时间和经费。 地理学科特点是确定高校地理学科教学原则 依据。而当前高校地理学科存在着实践教学时间有限、 学生过多、 设备不足、 资金不足等问题， 因此把虚 拟实验技术引 人高校地理学 科教学， 实现地理学科各分支课程教学内容整合与教学 形式整合， 可以为教师的教学和学生的全面发展创造良好的教学环境。 2 高校地理实践教学整合的方法 教学整合是指教学系统中各要素的整体协调、 相互渗透， 以期发挥教学系统的最大效益。 其实质是在教学过程中把各种教学内容和教学形式加以整理、 组合， 相互交融， 以期整体优化 基金项目: 福建省自 然科学基金计划资助项目( D05 1 。 。 1 5 ) ， 福建师大地理学院旗山学者资助 作 者筒介 : 江辉仙 ( 1 9 75一 ， 男 . 福 建仙游 人 ， 讲师 . 硕 士， 主要从 事虚拟地 理环 境及 G I S 研 究 E m a il l h x 1 5 5 1 石 3c o 讯 5 0 7 产生聚集效应， 从而实现培养学生创新精神与实践能力的目 标。 所谓虚拟实验技术是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境。实 验者可以 像在真实的环境中 一样完成各种预定的 实验项目， 所取得的 学习或训练效果等值于 甚至优于在真实环境中所取得的效果。虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境: 即实验场所 ， 2 。 随着科学技术的飞速发展， 虚拟实验技术呈现了多样化的发展趋势， 各种虚拟实验技术都 在某一特定环境下不断发展， 不仅具有鲜明的技术特点， 而且也都尽量扬长避短。当前虚拟实 验技术主要包括沉浸虚拟现实技术、 实验环境与虚拟实验平台集成技术、 基于网络的虚拟技 术。这些虚拟实验技术同样以模拟自 然、 体验逼真和交互为目 标， 在相当 程度上高效、 经济地 实现了虚拟实验的目标。例如， 桌面型的沉浸虚拟现实技术需要投人的成本也以键盘、 鼠标和 显示器等常规输人、 输出设备构成交互环境。虽然， 用常规输人、 输出设备不易实现直接的力 反馈， 但可实现在虚拟环境中进行有关三维空间位置、 变形、 时间顺序、 颜色纹理及音、 视频等 方面的交互， 从而可进行与这些内容相关的实验。针对地理学科的实践内容， 可以采用桌面型 的沉浸虚拟现实技术， 实现预期的实验目标闭。 虚拟实验技术是一项渗透性很强的信息系统应用技术。因此， 可以凭着先进的三维环境 系统平台， 结合地理学科中各分支学科进行一系列的研究性实践学习， 实现相关研究性学习目 标。为地理教学提供一种虚拟实验技术与地理学科研究性实践学习的整合实施模式。以三维 地理环境背景基础图层为平台， 辅以强大的 G IS 功能、 丰富多样的矢量数据、 统计数据， 以“ 软 件+数据” 的模式解决了地理多学科综合教学问题， 可满足自然地理、 人文地理、 地理工程和综 合地理教学的需要。以虚拟场景方式可创新展现高山、 平原、 河流、 湖泊、 沙漠、 城乡景观等任 何区域的景观特征， 可以完全改变传统地理教学只靠文字和少量局部图片的教学模式， “ 百闻 不如一见” ， 使自然地理、 人文地理教学的生动性和真实性大大提高， 还可以把地理学科中分支 学科教学内容综合起来， 而达到地理学科综合研究的预期效果。通过虚拟实验技术构建三维 地理环境背景作为基础图 层， 把地理中各分支学科各个应用领域叠加到图层中， 整合地理学科 中分支学科知识， 为地理教育提供良好的教学和学习环境( 如图1所示) 。 地 理 教 育 : 虚拟实验 环境模拟 规律演示 人 文 地 理 : 虚拟城市 虚拟社区 村落模式 自然地理: 地质 地貌 水文 地 理 工 程 : 虚拟水坝 地理试验 生态建设 图1 地理实践教学整合 5 0 8 3 虚拟实验应用示例 应用虚拟现实技术建立地貌实验教学地学虚拟环境， 提供地貌逼真信息， 改善学生实验效 果具有重要的意义。地学虚拟环境营造的是一个虚拟地理世界， 地学虚拟环境的交互者置身 于这个虚拟地理世界当中， 通过与地学虚拟环境的交互， 不但可以体验， 而且可以感知和认知 发生在虚拟地理环境中的地学现象和地貌演变过程。 3 . 1 理论技术体系 虚拟现实技术是当前多个新技术的结合， 由于技术结合的方式是多种多样的， 这样就带来 了对虚拟现实技术不同的认识， 产生了不同的虚拟现实技术定义。虚拟现实技术的理论内涵 研究， 就是要从这些技术发展和存在的理论背景出发， 探讨这些技术结合的本质问题， 从而更 明确应用的目标， 统一对虚拟现实技术的认识。当前虚拟现实技术在地貌实验教学中应用的 理论技术主要如下: 3 . 1 . 1 数据集成技术 应用虚拟现实技术的一个重要目标就是要在虚拟空间中表达客观世界的地学现象和地学 过程。由于客观世界中地学现象和地学过程的多样性和复杂性， 要涉及多方面的数据集成， 要 采用较复杂的数据模型。从应用实际情况出发， 主要考虑数据的多样性和数据模型两个方面。 数据的多样性主要涉及以下几方面: 地表 D E M 数据， 为地表仿真提供基础高程数据; 仿 真区遥感影像数据， 为真实地表仿真提供地表筱盖信息; 纹理图像数据， 为虚拟环境提供逼 真的外观。为了有效的管理和分析各种数据， 要求应用的数据模型有着很强的数据表达能力， 能表达虚拟系统中的矢量数据， 栅格数据， 以及C AD模型数据等。数据模型不但要满足三维 空间分析的需要， 也要满足三维图形空间生成和管理的需要。因此， 数据模型主要考虑地学表 现数据模型和地学过程数据模型。地学表现数据模型主要是数据的结构模型， 定义了数据库 中空间数据的意义。地学过程数据模型可以是由时空数据表达的时空演化过程， 此时数据按 时间维信息来组织闲。 地学过程数据模型也可以是物理过程模型， 它的演化可能会改变虚拟 空间中数据对象的状态， 从而改变虚拟空间的外观。 3 . 1 . 2人机 交互理论 交互方式的多样性和交互的及时性是虚拟实验最大的特点之一。由于用户交互方式的多 种多样， 需要对交互方式和交互操作进行系统分析， 然后在描述机制的基础上建立专门处理用 户交互的模块， 并在该模块上提供一般的扩展接口， 以扩展新的交互操作。虚拟地学环境中人 机交互方式， 按照支待地学虚拟环境的虚拟现实系统平台的不同， 可以分为三种方式: 1)人在 地学虚拟环境的内部交互。支持人在地学虚拟环境内部的虚拟现实系统平台， 一般是采用显 示方式的虚拟现实系统。人在地学虚拟环境的内部， 易于让人产生“ 身临其境” 感， 让人完全沉 浸在地学虚拟环境所表达的问题空间中， 大大的缩小了问题空间和计算机信息表达空间之间 的距离， 有利于人们认识能力的发挥， 有利于人们在地学虚拟环境中认识和分析地学问题， 获 取地学知识。2)人在地学虚拟环境的外部交互。这种人对地学虚拟环境的交互方式. 所采用 的视觉信息的显示方式一般把视觉信号通过专用的投影设备生成立体显示， 交互者通过专用 立体眼镜获取视觉信息， 通过同三维立体地学虚拟环境的交互分析问题; 或采用普通的计算机 5 0 9 显示屏， 通过透视投影方式显示三维地学虚拟环境， 参与者通过一般的鼠标就可以同地学虚拟 环境交互， 分析地学问题。3)人通过“ 化身” 方式存在于地学虚拟环境中。这是虚拟地貌实验 教学地学虚拟环境运行最一般的方式， 本系统研究也是采用该方式。参与者通过选取自身的 “ 化身” 参于到地学虚拟环境当中， 通过把参与者与地学虚拟环境的操作转化为“ 化身” 在地学 虚拟环境中的操作 ， 完成地学分析， 获取地学知识。 3 . 2 应用研究方法 虚拟环境是一个相当复杂的系统， 这种复杂系统的开发需要在合适的方法论指导下进行。 成功的虚拟环境将是极其复杂的， 必须是面向对象的和实时的， 必须具有内在的灵活性和可移 植性， 这对软件开发环境和开发过程提出了非常高的要求， 因而应选择合适的开发环境或开发 平台。为构建一个虚拟地理环境开发系统， 利用虚拟现实开发系统中的虚拟对象生成工具， 生 成各种虚拟对象， 然后对它们进行处理和管理， 从而构成由若干虚拟对象( 实物在系统中的映 射) 所组成的虚拟环境13 。因此， 虚拟环境管理器是构成任何一个虚拟地理环境开发系统的 关键部分， 对不同的虚拟现实开发系统可采用不同的计算机环境和工具。采用遵循面向对象 的原理， 同时用对象建模语言( O M工 ， Obj ectModeling Languag e)描述虚拟空间中的三维地 貌和三维对象等。面向对象方法学的出发点和追求的目标是使我们分析、 设计和实现一个系 统的方法尽可能接近我们认识一个系统的方法， 亦即使描述问题的问题空间和解决问题的方 法空间在结构上尽可能一致川。其基本思想是: 对问题空间进行自然分割， 以更接近人类思维 的方式建立问题域模型， 以便对客观实体进行结构模拟和行为模拟， 从而使设计出的软件尽可 能可以直接的描述现实世界， 构造出模块化的、 可重用的、 易维护的软件。 3 . 3 系统设计 现以“ 流水地貌形成过程” 为例， 说明流水地貌形成过程虚拟实验是如何设计的。该虚拟 实验以桌面型的沉浸虚拟现实技术系统为平台， 以常用台式计算机系统为主， 配备常用 1/0 设备， 具有通用性和实用性。 流水运动过程中， 对沿程的物质发生侵蚀、 搬运和堆积， 形成了各种侵蚀地貌和堆积地貌， 这种由流水作用所塑造的地貌即流水地貌。实验设计主要以通过修改系列参数( 如水淹分析、 时间参数设置等) 来观察流水地貌的演变过程。其应用设计主要技术路线见图 2 。 首先必须建立一个实验区仿真的三维地貌模型， 此模型主要通过全要素地形图 D E M 和 遥感图像经过校正配准 D O M数据的融合叠加实现; 地貌模型主要表现为整个实验区周围的 地貌， 是建立三维场景的主要基石， 因此地形模型体现得如何将直接影响到整个三维可视化场 景体现的效果。流水地貌形成过程中水文地质是主要影响要素， 同时要表现出不同时期的水 文地质模型和不同水量水文地质模型来动态表现其演变过程。因此， 需要把水文纹理图像作 为水文地质模型的贴图， 以便逼真表达合成环境的水文模型。通过地理位置把水文模型融合 相应三维地貌模型便可生成三维地貌虚拟环境。最后， 把虚拟行为( 如动画控制、 人机交互、 自 动漫游等) 加载于三维地貌虚拟环境便可构成虚拟地貌实验系统( 图略) 。 51 0 虚拟行为建模 维 地 形 地 貌 虚 拟 环 境 . ;阅 图2 应用研究技术路线 4 虚拟实践教学与实际实践教学的对比评价 在地学领域应用虚拟地理环境技术进行高校教学， 能形象生动地表现教学内容， 有效地营 造一个基于3 5 技术发展的教学环境， 提高学生掌握知识 、 技能的效率. 达到优化教学过程、 提 高教学质量的目的。就教育理论而言， 虚拟地理环境技术能实现人的临场化， 使教学内容在虚 拟环境中 不断 更新， 使实践训练及时跟上技术发展， 以培养高素质的 大学生闭。 虚拟地理环境应用于地理实验教学是教育技术发展的一个飞跃.它营造了“ 自主学习” 的 环境， 由传统“ 以教促学” 的学习方式转变为学生通过 自身与信息和环境相互作用来得到知识、 技能的新型学习方式。虚拟地貌实验教学既可缩短实习的时间， 又可获得直观、 真实的效果 ， 还能对那些不可视的结构原理仿真实验， 一方面便于学生获得理论知识， 另一方面培养学生自 我训练的意识和创新能力。虚拟地貌实验教学就是利用虚拟地理环境技术来表现地貌的结构 和动态， 为学生提供一种可供他们实验和观测的环境。虚拟模拟允许学生通过改变输入数据 的大小来观测地理现象的变化。实验教学模拟环境为学生提供了一个无危险的、 不昂贵的方 式与真实世界交互， 学生可以通过修改地理模型元素， 改变模型的不同变量得到不同的结果。 表 1 比较了传统地貌实验教学与虚拟地貌实验教学的优劣性。 从表 1 可知， 把虚拟实验技术引人高校地貌实验教学对高校地理学科具有深远的影响。 表1 传统地貌实验教学与虚拟地貌实验教学的比较 项 目传统地貌 实验教学 实脸 模式以 线性结 构为主 的实验 教学 虚拟 地貌 实验教 学 动 态的 、 因人 施教 的革新化 实验教 学 实 验过程 学 生通 过地貌 野外 实习从 中 总结 规律 ， 掌 握 知通 过虚 拟仿真 ， 学 生用桌 面型 的沉 浸虚 拟 现实 系统 书 识 ， 在实习 中培养 技术水平 和观察 能力 .握 知 识。 其水 平可 通过多 次模拟仿 真实 验获得 实 验场所 必 须 到野外实地 考察 可 以 随时随地 安装在计 算机 系 统中进 行 实验 ， 基 本 上 不 受时 空限制 实 验资金花 费大 量资金 到野外实 地考察 通 过前 期投人 资金制作 虚拟 地 貌系统 ， 实验 教 学过 程 中 费用 几乎为零 5 1 1 ( 续 表 项 目传 统地貌实 验教 学虚拟地 貌实验 教学 实验 内容 实验管 理 受到 资金与 环魔 限制 ， 实验 内容十分 有限 配备 相关专 业人 员带队到 野外 实地考 察 几乎 包含全部教学 内容 ，可 以进行 宏观和微观模 拟实验 常用 的计算机 软 、 硬件 维护 实验效 果 能 获得与 实际环 境相 似 的实 验 效果 ; 知 识 获得 需要一 个复 杂的 过程 ， 必须 长时 间 野外 实 地考 察 . 掌