地理空間信息技術(shù)國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)實踐

袁磊+楊昆

摘要：虛擬仿真實驗教學是學科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。基于云南師范大學地理空間信息技術(shù)國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)實踐，闡述了中心建設(shè)的理念與思路，重點探討了虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)、教學管理與共享服務(wù)平臺建設(shè)、師資隊伍建設(shè)等方面的做法與實踐成效，以期對相關(guān)類型虛擬仿真實驗教學中心建設(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；實驗教學中心；實驗室建設(shè)

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

中圖分類號：G482 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）07-0191-03

0 引言

人類進入20世紀90年代以來，隨著計算機技術(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，并與云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)深度融合[1]，已廣泛應用于資源環(huán)境管理、地理環(huán)境模擬、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、災害應急評估、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、資源共享等國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的各個方面[2-5]，成為人類合理有效地利用資源、解決經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展重大問題的核心支撐技術(shù)之一[6]。顯然，這種背景下對我國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。

針對地理空間信息科學研究的對象具有“涉及面廣”、“高危或極端環(huán)境”、“投資大、成本高”、“結(jié)果不確定性”、“驗證周期長且過程不可逆”等特點，學校整合信息科學、地理科學和民族文化三個優(yōu)勢學科的教學與科研資源，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實驗室、教育部科技發(fā)展中心互聯(lián)網(wǎng)應用創(chuàng)新開放平臺示范基地三個國家級科研平臺，并在原有的省級智慧社區(qū)虛擬仿真實驗教學中心、國家級地理科學實驗教學示范中心、云南省計算機實驗教學示范中心、云南省教育技術(shù)實驗教學示范中心的基礎(chǔ)上，堅持“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則[7-8]，以云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、地理信息技術(shù)等新一代信息技術(shù)為支撐，適時將科研成果轉(zhuǎn)換為教學資源，組建了地理空間信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學中心，并于2015年12月被教育部批準為國家級地理空間信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學中心，開展具有云南特色的地理空間信息技術(shù)綜合應用研究與人才培養(yǎng)工作。

1 建設(shè)理念與思路

中心本著“實驗教學為抓手、虛擬互動增實效、人才培養(yǎng)為中心、開放共享促應用”的建設(shè)理念，以服務(wù)于國家智慧城市戰(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)具有國際先進水平的虛擬仿真實驗教學、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、地理科學、民族文化三個學科的專業(yè)優(yōu)勢，整合學科優(yōu)勢教學資源，以信息學院、旅游與地理科學學院、體育學院實驗教學平臺支撐仿真實驗教學中心的建設(shè)和運行。同時，虛擬仿真實驗教學中心反哺實驗教學平臺及各部門的需求和發(fā)展；②以學生為本，致力于培養(yǎng)學生綜合實踐能力和創(chuàng)新能力的虛擬仿真實驗教學模式探索和建設(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經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要，開展虛擬仿真實驗教學體系與項目庫建設(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、仿真實驗教學環(huán)境和豐富的教學資源[10]；⑤產(chǎn)、學、研協(xié)同發(fā)展，建設(shè)地理空間信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學中心和教學隊伍。

2 教學資源建設(shè)

中心注重學生實踐動手能力培養(yǎng)與訓練。教學資源建設(shè)主要針對高危的，真實實驗無法開展的，大型、綜合的，或者教學成本較高、資源消耗大的實驗項目，例如，滇池流域土地利用變化虛擬仿真實驗（真實實驗無法開展）、山地城鎮(zhèn)規(guī)劃虛擬仿真實驗（綜合性）、滇池藍藻水華監(jiān)測預警虛擬仿真實驗（真實實驗無法開展）、地鐵人群疏散虛擬仿真實驗（成本高、資源消耗大）等，并著重考慮教學資源建設(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)方案對學生知識結(jié)構(gòu)和能力培養(yǎng)的要求，制定實驗教學大綱，遵循應用型人才培養(yǎng)實驗教學的基本要求，不斷豐富虛擬仿真實驗教學資源。

此外，中心教學資源建設(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)換為教學資源。已將部門承擔的國家973計劃前期研究專項“GIS環(huán)境下基于用地變化的洱海流域非點源污染情景模擬研究”、國家863計劃主題項目“時空過程模擬與實時GIS系統(tǒng)-滇池流域非點源污染事件應急響應示范系統(tǒng)”、國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目“污染源管理及突發(fā)污染事件應急處理地理信息平臺軟件研究與開發(fā)”、教育部高等學校博士學科點專項科研基金“盤龍江子流域城市非點源污染的地理空間模擬模型研究”、教育部科技項目“基于民族文化基礎(chǔ)教育課程資源構(gòu)建與有效應用研究”、國家自然科學基金“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”、云南省社會發(fā)展重大研究項目“基于多學科高技術(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”等42項科研項目的成果，先后轉(zhuǎn)化為地鐵人群疏散仿真模擬實驗、三維GIS的城市規(guī)劃建模與仿真實驗、地震災害損失快速評估仿真模擬實驗、民族文化數(shù)字化虛擬仿真實驗、滇池流域藍藻水華監(jiān)測預警與評價仿真實驗等一批反映云南邊疆自然與人文綜合過程的創(chuàng)新性實驗項目。目前，中心教學資源建設(shè)已經(jīng)形成基礎(chǔ)性、綜合性和創(chuàng)新性三大實驗層，合計19個實驗模塊的仿真實驗教學資源，已經(jīng)覆蓋虛擬仿真實驗課程53門，面向11個專業(yè)開設(shè)虛擬仿真實驗項目439個。其中，涉及基礎(chǔ)性實驗層項目317個，綜合性實驗層項目115個，創(chuàng)新性實驗層項目7個。如圖1所示。

3 教學管理與共享服務(wù)平臺建設(shè)

中心教學管理與共享服務(wù)平臺以地理空間信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)為支撐，基于已有的基礎(chǔ)設(shè)施、軟件平臺和Web服務(wù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建，實現(xiàn)教務(wù)管理、教學管理、實驗資源共享管理等功能；并通過基于云平臺架構(gòu)的地理空間信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學門戶網(wǎng)站，達到對地理信息技術(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)字化等應用性實驗教學資源的校內(nèi)、校外、面向東南亞合作院校的在線教學管理與實驗資源共享服務(wù)。如圖2所示。

同時，為了保障系統(tǒng)在開放環(huán)境下大規(guī)模學生的使用安全，平臺設(shè)計了一系列的身份管理、認證與計費系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)防病毒、信息過濾與入侵檢測系統(tǒng)。身份管理由系統(tǒng)管理員對系統(tǒng)用戶賬號與學生班級進行分組管理，保障一人一號，確保沒有“一人多號”、冒名頂替的情況發(fā)生[11]；系統(tǒng)認證功能主要是對每個賬號進行嚴格把關(guān)，要求賬號必須具有至少8個字符的大小寫字母、數(shù)字、符號，如sPo0kyh@ll0w3En；系統(tǒng)計費功能主要對每個賬號的上網(wǎng)時間嚴格把關(guān)，確保學生上網(wǎng)時間不會過長，保障學生健康上網(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、應用服務(wù)器防毒、客戶端防毒，構(gòu)建了多層次病毒防線，實現(xiàn)病毒的全面布控；信息過濾則根據(jù)國家要求對敏感詞條進行過濾，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；加入入侵檢測系統(tǒng)則可以極大的提升平臺的安防體系，更好的掌握系統(tǒng)情況，甚至可以達到追蹤攻擊者路線、抓住肇事者的優(yōu)勢。

4 師資隊伍建設(shè)

中心重視教師隊伍建設(shè)及其可持續(xù)發(fā)展，堅持專業(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)與校外教師互補的原則，構(gòu)建了一支科研教學水平高、技術(shù)研發(fā)能力強、教學經(jīng)驗豐富的師資隊伍[12-13]。目前，中心現(xiàn)有人員共79人，平均年齡41.99歲。其中，高級職稱人員45人，占56.96%；博士學歷人員35人，碩士學歷人員35人，碩士及以上學歷的占88.61%；研發(fā)、技術(shù)支持與維護人員15人，占18.99%，均長期從事實驗教學、研發(fā)與管理工作。其中，管理團隊以有多年教學、管理經(jīng)驗的教授、副教授組成；教師團隊以博士、海外留學歸國碩士及國內(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)團隊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)支持與運行維護團隊則以中心專職實驗師及專事虛擬仿真實驗教學資源研發(fā)的企業(yè)骨干力量組成。

此外，學校還專門為中心增設(shè)了實踐教學指導委員會，聘請武漢大學、清華大學、中科院資源環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室、香港中文大學、加拿大新布倫瑞克大學、南京大學、中山大學、南京師范大學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家組成教學指導委員會，負責中心仿真實驗教學的發(fā)展規(guī)劃，并對仿真實驗教學工作成效開展評價和監(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、科研成果最大程度地轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的、在線共享的仿真實驗教學資源，形成了教學與科研相得益彰的資源共建的良性循環(huán)發(fā)展機制，集中體現(xiàn)在三個方面：①多學科互動一體化建設(shè)。通過整合信息、地理、民族文化學科的科研團隊、教學團隊和教學資源，實現(xiàn)多學科交叉融合、相互促進、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。充分考慮云南獨特多樣的自然與人文資源，以豐富、獨特、多樣的區(qū)域自然、人文資源為實驗教學素材，將其融合于信息科學、地理科學和民族文化學科的實踐教學之中，構(gòu)建了基礎(chǔ)、綜合和創(chuàng)新三個層次實驗教學體系。通過實驗虛實結(jié)合的教學環(huán)節(jié)，讓學生認識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，獲得對資源環(huán)境實驗分析的操作方法和基本技能，培養(yǎng)學生綜合創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)。③基于云平臺實現(xiàn)面向東南亞的在線教學資源共享。依托學校和仿真中心搭建的教學資源云服務(wù)平臺，立足云南、服務(wù)西南、面向東南亞，與多所國內(nèi)高校開展了教學科研合作及資源共享。同時，還進一步加強了與東南亞、南亞高校間在實驗教學方面的緊密合作與交流，其中與仰光大學共建的空間信息技術(shù)中緬聯(lián)合實驗也在積極籌建之中。

參考文獻：

[1]周宏仁，徐愈.中國信息化形勢分析與預測（2013版）（精）[M].北京：社會科學文獻出版社，2013，25-46.

[2]祖剛.地理空間信息技術(shù)在我區(qū)資源環(huán)境管理中的應用[J].內(nèi)蒙古環(huán)境保護，2006，18（6）：3-8.

[3]許泉立，楊昆，李建，等.洱海流域用地變化的智能體建模與非點源污染響應模擬[J].水利學報，2014，45（11）：1272-1283.

[4]朱彥輝，楊昆.昆明城市擴張遙感監(jiān)測及空間特征研究[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2013，（1）：98-99.

[5]葉燎原，彭雙云，楊昆.GIS環(huán)境下開發(fā)城鎮(zhèn)地震災害快速評估系統(tǒng)[J].云南師范大學學報：哲學社會科學版，2014，46（3）：59-64.

[6]徐德明.中國地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2011）[M].北京：社會科學文獻出版社，2011，145-146.

[7]教育部辦公廳.教育部辦公廳關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知[EB/OL].http：//moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201506/t20150618_190671.html.

[8]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[9]沈建華，李飛，程崇虎，等.通信與信息網(wǎng)絡(luò)國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)與實踐[J].實驗室研究與探索，2015，34（1）：161-164.

[10]張增明，王中平，張憲鋒.國家級物理虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32（12）：146-149.

[11]藺智挺.基于虛擬仿真實驗的模擬集成電路實驗教學[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33（1）：122-126.

[12]劉財，杜曉娟，高淑貞，等.地質(zhì)資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（10）：1-4.

[13]宋榮昌，蘭山，隋麗.高校多學科/多物理場仿真中心建設(shè)探討[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30（3）：187-189.