山東省新汶地區野外地質實習輔助教學系統構建

宋 璠， 蘇妮娜

(1.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580；2. 青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266071)

山東省新汶地區野外地質實習輔助教學系統構建

宋 璠1, 2， 蘇妮娜1, 2

(1.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580；2. 青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266071)

在當今網絡信息技術飛速發展與智能移動設備性能不斷提升的形勢下，利用移動設備進行空間信息查詢已成為了一種重要手段，這為從事野外工作的人員提供了新的技術支持。針對中國石油大學(華東)開設的山東省新汶地區野外地質實習過程中存在的實際問題，構建了一套基于谷歌地圖的手機版輔助教學系統，實現了野外地質實習路線設計與管理、地圖瀏覽與導航、地質教學點定位與信息預覽、野外教學過程記錄等功能，對于提高野外地質教學效率和質量、優化傳統實踐教學模式具有重要作用。通過將該系統應用于近兩年野外實習教學之中，合理避免了由于實習環境改變等因素造成的實習教學點缺失或遺漏的問題，同時有效激發了學生的學習興趣，并幫助其建立直觀、系統的地質認識。

野外地質實習； 谷歌地圖； 輔助教學系統； 實踐教學; 新汶地區

0 引 言

地質學是一門實踐性很強的科學。地質實習對于學生鞏固和深化所學理論知識、增強感性認識以及培養野外工作能力等有著特別重要的意義，是整個地質學教學中十分重要的實踐環節[1-2]。新汶盆地位于山東省新泰市境內，是魯西南一個小型的中新生代陸相斷陷盆地，形態上為一箕狀的、不對稱向斜盆地，基底為太古界的變質巖系，在其漫長的演化歷史中保留了完整的地質記錄[3]。新汶地區露頭巖石類型豐富、構造現象典型、交通極為便利，是進行野外地質實習的良好場所。中國石油大學(華東)地質學、資源勘查工程、勘查技術與工程以及石油工程等多個專業均開設了為期兩周的暑期新汶地區野外地質實習，目的在于加強學生對地質學基礎理論的理解，培養分析基礎地質問題的實踐技能，為后續專業課的學習奠定基礎。然而，隨著新汶地區近年來不斷發展，開山采石、修路、種植樹木等均對野外地層露頭造成了一定程度的破壞。在每年的實習教學過程中，實習隊都不得不就近尋找一些新的教學點。另外，在天氣、地形地貌、外界干擾等因素影響下，帶隊老師尤其是新教師常會出現迷路或遺漏教學點等情況而影響教學效果[4-5]。隨著先進的智能移動設備、網絡技術以及GPS定位技術的普及，當今高校師生基本人手一部具有高級定位功能的智能手機。鑒于此，針對野外地質實習中存在的實際問題，本文構建了一套基于谷歌地圖的手機版新汶地質實習輔助教學系統，實現了野外衛星地圖瀏覽、地質教學點記錄、實習知識點提示、地質現象預覽等功能，為提高地質實習效率及教學效果提供有力的支持。

1 系統構建基礎

谷歌地圖是美國Google公司提供的電子地圖服務，是其空間信息產業最重要的產品之一。谷歌地圖除了提供矢量地圖、衛星照片、地形視圖等功能外，還為用戶提供了豐富的應用程序接口(API接口)，使用者可以利用JavaScript語言對該程序進行擴展，根據需求搭建平臺[6-7]。并且，該接口同樣適用于移動設備Android系統開發應用，輔以GPS定位功能及圖像遙感技術，能夠為身處野外的用戶提供所需的空間環境資料[8]。本系統基于Android操作系統構建，內容豐富、操作簡便，以APP程序的方式分發給實習師生安裝即可使用。

本系統以谷歌地圖作為背景，利用其豐富的衛星遙感圖像數據在地形圖上疊加地質露頭圖層，并且將實地觀察與描述的地質實習教學點作為關鍵位置突出顯示。由于野外地質實習路徑、現象等信息數據以及相應教學資源等更新并不頻繁，通常每年實習前更新一次即可，因此系統需求的數據庫管理功能較為簡單，主要為數據的簡單讀取，在目前智能手機上易于實現。使用者只需通過點選訪問瀏覽地圖，對地圖進行縮放、移動、疊加圖層、標記等操作，即可完成對數據的讀取與管理。此外，實習教學點定位通過移動通信網絡與GPS混合定位模式實現，定位精度高，且受環境因素干擾小。

2 模塊設計與主要功能

2.1系統模塊劃分

根據新汶地區野外地質實習的實際需求，本系統共設計了4個應用模塊與1個幫助模塊，如圖1所示。其中，實習路線地圖模塊是以谷歌地圖為背景，在地形圖基礎上疊加地質露頭的一個圖像展示模塊，使用者可以通過點選預覽某一實習路線的整體地形、地層特征，建立直觀印象；地圖偏移設置模塊主要用于校正地質教學點實際坐標位置與谷歌地圖之間的系統誤差，通過調節地理南北位置與東西位置的偏移校正量，使實習路線的預習更加精確，便于實習過程中通過GPS準確定位教學點；實習路線管理與教學地點管理是本系統的兩個核心模塊，在實習路線管理模塊中，用戶可根據不同的實習目標、教學安排合理設計觀測路線，例如新汶地區實習可選擇地層-構造-沉積觀測路線，或者構造-地層-沉積路線等多種方案，用戶還可根據路線情況及時修訂實習方案，有助于大批實習隊有效協調完成實習任務；教學地點管理模塊主要包括實習教學點的位置信息、地質特征以及錄入的關鍵知識點，使用者可提前對知識點進行預習，實習過程中也可進入系統查詢實習要點，避免漏記筆記、未聽清講解等情況，另外在模塊中還設置了教學點提示功能，防止新教師遺漏教學點等情況。

圖1 系統模塊劃分及主要操作示意圖

2.2系統特點與主要功能

為了確保教學點位置及屬性信息顯示準確，在系統中專門設計了地質教學點數據庫，結構如表1所示。本系統采用谷歌地圖API進行開發，采用Java語言編寫。由于Android版谷歌地圖提供的電子地圖服務都是免費的，故系統API接口使用不限次數[9-10]，便于師生隨時使用。此外，本系統包含地圖顯示層、數據操作層和任務邏輯層等多層體系結構，實現了模塊化運行，增強了系統的穩定性。系統構建完成后，經華為P8、小米4S、三星Galaxy A7、魅族MX5等學生常用機型的Android平臺運行測試效果良好，系統定位準確，反應速度較快，系統整體運行穩定，運行界面如圖2所示。

表1 實習教學點數據庫結構

本系統主要依據近年來新汶地區野外地質實習帶隊老師及學生所反應的實際問題及需求進行功能設計，主要包括以下4個方面：

(1) 地圖瀏覽與導航。目前市面上常用的電子地圖有谷歌地圖、百度地圖、高德地圖等，其中谷歌地圖在地圖信息量、細致程度等方面具有突出優勢，特別是谷歌的衛星視圖是獨步全球的，國內所有地圖軟件的衛星視圖都源于谷歌[11]。因此，以谷歌地形圖或衛星遙感影像為底圖，能夠幫助用戶及時了解實習地點及其周邊地區的狀況。在系統的實習路線地圖與管理模塊中，包含強大的地圖瀏覽與導航功能。教師可按照系統設定好路線，跟隨系統導航信息提示，按順序依次前往指定的教學點。例如新汶地質實習中的馬頭崖路線，在進行寒武系饅頭組地層觀察時必須經過一片村莊，岔路、彎路很多，實習隊很容易找不準路而在村里轉圈，借助本系統的地圖查看與導航功能可以避免走冤枉路，節約寶貴的野外實習時間。

(2) 教學點定位及信息查詢。教學點定位無疑是該系統在野外實習中使用最多的功能。實習教師在每年備課時可將教學點錄入本系統，特別是將環境改變后新開辟的教學點及時輸入，在后續帶隊實習時便能夠順利的找到該位置。谷歌地圖提供的遙感影像空間分辨率最高可達0.5 m[12]，為野外地質實習教學點準確定位提供了技術保障。利用實習路線與教學點管理模塊，將教學點信息與關鍵內容直接疊加在谷歌地圖之上，實習者可通過交互式操作實時查詢相關信息，如地質描述文字、照片、圖件等資料。圖3所示為新汶地質實習中汶南路線新生代河流相地層的教學點及相關信息。

圖3 新汶野外地質實習教學點相關信息

(3) 野外教學過程記錄。在進行野外地質實習時，常會出現由于某種原因在一個教學點停留時間過長，導致另一個地點時間不夠的現象，這依賴于教師的經驗與實習教學設計[13]。本系統在實習路線與教學點管理模塊內，設定了實習過程記錄與提示的功能，即隨著實習進程記錄并分析一個完整的實習路徑，借此可以掌握在每一個教學點的時間，包括講解時間與學生觀察、實測剖面等所需的時間。依據每條路線的教學內容與實習時間的關系，可以對整體教學效果加以分析，從而調整教學計劃或重新組織實習教學內容，使野外地質教學更加合理。

(4) 數據編輯。由于本系統主要應用于移動設備Android系統，數據庫結構及管理都較為簡單。用戶進行數據編輯主要是根據實習需要增減、修改野外地質實習路線或教學點內容等，操作簡便。受城市建設、天氣、環境變化等客觀因素影響，每年的實習路線以及野外教學點可能會發生一些變化，因此帶隊教師需要及時對系統數據更新編輯，完善已有資料，同時增加新的實習路線或教學點信息，確保該輔助系統與實習教學緊密同步。

3 野外教學應用效果

野外地質實習是一門對學生專業知識、實踐技能以及綜合素質全面訓練的實踐課程，課程中的“教”與“學”主要是在野外完成，因此如何提高野外的教學效率、改善教學效果十分重要[14-15]。近兩年通過將本系統應用于地質學、資源勘查工程以及石油工程專業新汶地區暑期野外實習中，系統在酷熱、暴雨等惡劣的天氣下運行穩定，受到帶隊老師的好評，一致認為該輔助教學系統能夠幫助實習隊設計合理的實習路線、準確定位野外教學點、提供知識點學習幫助、減小環境干擾等，極大地改善了野外教學效果。

以新汶地區實習的盤車溝—分水嶺—盤古莊路線為例(圖3所示實習路線)，該路線起點位于新泰市汶南鎮盤車溝村西側，終點在汶南鎮盤古莊村西。在實習基地上車后，一直沿路向東南方向行進，過汶南鎮政府駐地后向北轉向繼續前行至盤車溝村西，即可到達終點。由于2013年汶南鎮道路建設，對公路兩邊地層露頭破壞嚴重，致使原路線第1教學點(三臺組河流相沉積)、第3教學點(水南組湖相沉積)缺失，無法建立起系統的地層沉積序列。2014年暑期實習前，帶隊教師花費大量時間在路南村莊內步行開辟了幾處新的教學點，并及時將信息錄入了輔助教學系統之中，見圖3所示實習路線中從左向右第1、第3個教學點位。在后續實習過程中，教師利用輔助系統帶領學生順利完成了各教學點的實習任務，幫助學生建立了系統的沉積演化序列，并至少節約了1 h的野外行進時間。除了路線設計與教學點定位之外，輔助教學系統為學生提供了豐富的教學點圖片與相關信息預覽，幫助學生建立了直觀、系統的認識。

通過對2014、2015年參加暑期實習的320名學生的調研反饋統計，80%以上的學生使用了該輔助教學系統，并且認為該系統實用的功能與流行的操作界面符合當今大學生的使用習慣，有效地激發了學生的野外學習興趣，有助于更好地理解、消化所學知識；有近20%的學生使用的是蘋果手機IOS操作系統，該系統無法正常安裝運行，有待于今后進一步開發、完善以便推廣至Android以外的其他系統。

4 結 語

本輔助教學系統功能豐富、操作簡便，在新汶地區野外地質實習過程中可以大大減輕教師備課特別是預習路線的壓力，提高野外教學的效率，受到實習隊師生一致好評，具有較強的實用性和推廣價值。通過對該系統的架構及功能設計不斷完善，結合其他實習地點如秦皇島地區、巢湖地區等相關數據，可以將該系統成功應用于其他年級的野外地質實習指導中。此外，還可考慮推廣至旅游景區路線設計、景點文化介紹等領域之中。

當今大學生是我國智能手機使用的主力軍，是名副其實的手機一族，因此基于移動智能手機平臺的教學系統深受大學生喜愛。然而值得強調的是，盡管該系統在野外實習中能夠為教師和學生提供諸多便利，但在整個地質實習過程中主要是起輔助作用，在路線設計與教學點預習時可協助使用，不可過度依賴虛擬系統而忽略了地質實踐基本功的鍛煉。野外地質實習中，野外記錄簿、羅盤、地質錘、放大鏡等傳統工具的使用應作為重點技能進行傳授，地質現象素描、手繪剖面、地質填圖等應作為主要任務進行訓練。實習帶隊教師應該在智能教學系統的輔助下，更加充分地向學生傳授地質工作者嚴謹求實的工作理念、工作態度以及不畏艱苦的工作精神。

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ConstructionofFieldGeologicalPracticeTeachingAssistantSystemofXinwenAreainShandongProvince

SONGFan1, 2,SUNina1, 2

(1. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China;2. Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, Shandong, China)

At present, network information technologies rapidly develop and intelligent mobile equipment performances constantly improve, the use of mobile devices for spatial information query has become an important method, which provides new technical support for personnel engaged in field work. Aiming at the actual problems existed in field geological practice of Xinwen, Shandong Province, offered by China University of Petroleum (East China), a teaching assistant system based on Google Map was constructed, which can run on Android OS mobile phones. Users can design and manage the field geological practice route, view the digital maps and navigate route, mark the geology place and preview the related information, record field teaching process with this system. These functions play an important role to improve field geological teaching efficiency and quality, and optimize the traditional practice teaching mode. Practice in the recent two years has proved that the system can reasonably avoid teaching place absent or missing problem due to environment change, etc. At the same time, it can effectively inspire the students’ interest in learning and then help them to build visualized and systematic geological knowledge.

field geology practice; google map; teaching assistant system; practical teaching; xinwen area

P 622

A

1006-7167(2017)09-0211-05

2016-12-19

山東省教學改革重點基金項目(2012019)；山東省教學改革面上基金項目(2015M018)；中國石油大學(華東)教學改革重點項目(JY-A201419)；中國石油大學(華東)青年教師教學改革項目(QN201501,QN201601)。

宋 璠(1982-)，男，山東青島人，博士，講師，現從事基礎地質、開發地質的教學與研究工作。Tel.：15192595160；E-mail：songfan0026@163.com