自然地理野外實習虛擬仿真系統的建構與應用

汪祖丞1，李鴻凱

自然地理野外實習虛擬仿真系統的建構與應用

汪祖丞1，李鴻凱

（東北師范大學 地理科學學院，吉林 長春 130024）

針對高校自然地理野外實習的局限性，以東北師范大學自然地理野外實習線路為依據，構建了東北地區自然地理野外綜合實習虛擬仿真系統．介紹了該系統的設計思路、實踐過程以及特色與應用效果．該系統通過三維虛擬仿真技術和現代三維圖形圖像技術，將書本上宏觀抽象的地理理論與現象鮮活地呈現，并提供三維交互體驗．該系統的應用從根本上化解了傳統自然地理野外實習的局限性，加強了學生對自然地理要素空間分異和自然地理過程變化的認識，提升了學生創新實踐能力．同時，系統應用的推廣也促進了虛擬仿真實踐教學的發展，有利于國內優質教學資源的共享．

自然地理學；野外實習；虛擬仿真

目前，我國大多數師范類高校均設置了地理類本科專業，其中自然地理學是地理類專業必須開設的一門基礎課程[1]．由于自然地理學的知識、規律、理論都源自實際的地理環境，具有較強的實踐屬性，使自然地理野外實習成為自然地理教學中理論聯系實際的重要環節，是培養具有創新實踐能力的地理學人才的重要途徑[2-5]．然而，由于受到實習經費緊張、師資力量不足、實習時間受限等因素的影響，在傳統自然地理野外實習過程中難以進行深入觀察、探討以及分析訓練，因此限制了探究性自然地理野外實習的深入開展，導致地理實踐教學質量下滑，不利于學生認知自然地理要素的空間分異與自然地理過程的變化規律．近年來，以虛擬地理環境為場景的實踐教學為各師范高校自然地理野外實習提供了新的思路和改革機遇[6-7]．

虛擬地理環境最初在1998年提出，歷經多次國際國內會議研討逐步成熟，發展為以數據庫和模型庫雙核為特征的新一代地學分析平臺和工具，開始在高校實踐教學中廣泛應用[8]．近年來，基于虛擬地理環境的虛擬仿真系統廣泛應用于地理類專業的實踐教學，豐富了傳統地理學的野外實踐教學方式，增強了學生的創新精神和實踐能力，尤其是線上線下虛實結合的方式使虛擬仿真實習效果顯著．然而，目前虛擬仿真實踐活動往往存在學生參與度較低、實踐綜合性不足等問題，不利于培養學生主動探究和獨立思考的能力．基于此，東北師范大學開發了東北地區自然地理野外綜合實習虛擬仿真系統，以東北師范大學自然地理綜合實習線路為依據，對實習線路自然地理環境的虛擬仿真，通過動作和問題提示，引導學生在虛擬地理環境中主動探究，培養學生的實踐創新能力和綜合思維能力．

1　自然地理野外實習的局限性分析

自然地理學是研究自然地理環境各個要素的組成、結構、空間格局、自然地理過程以及人與自然環境相互協調的學科[9-10]．因此，自然地理野外實習的培養目標是讓學生能夠認識氣候、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，理解地理環境的整體性和分異性，探究自然地理現象和過程的成因機制，培養獨立開展野外調查和研究工作的能力[11]．然而，目前傳統自然地理野外實習普遍面臨一些難題．

1.1　實習時間固定，突發情況影響實習進行

實習需要根據教學計劃安排在特定時間內完成，但實際中工作，常常遇到不利天氣，實習行程受阻，有效時間縮短，設計的教學內容無法充分完成．

1.2　實習內容受限，探究性綜合實習難以開展

野外有些實習點觀察面窄小，或地處危險，學生觀察到的地理要素受限．有時受制于實習行程，在每個實習點的停留時間有限，學生難以對地理要素進行充分觀察，影響進一步探討、分析訓練，研究型、綜合性實習難以開展．

1.3　實習線路較短，實踐能力提高有限

地理學習需要“行萬里路，讀萬卷書”，學生野外經驗越豐富，發現和解決問題的能力越強．當前大部分學校的野外實習是就近開展，學生沒有機會接觸、學習其它地區特色的野外教學資源，有限的教學資源制約了本科地理教學質量的提高．

2　自然地理野外實習虛擬仿真系統的設計

虛擬仿真系統作為自然地理野外實習的平臺，其建設要遵循“技術設計為教學設計服務”的原則[12]，充分體現虛擬仿真系統對自然地理野外實習培養目標的支撐作用．因此，虛擬仿真系統設計應考慮到自然地理野外實習的線路與內容、虛擬仿真系統架構以及實習的實施與考核方式3個方面．

2.1　實習線路與內容設計

東北師范大學地理科學學院經過數十年教學積累，形成長白山——大黑山——大興安嶺自然地理學野外綜合實習路線，自東向西沿干濕梯度設計，在不到1 000 km的地理空間內，包含了濕潤區、半濕潤區和半干旱區，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）．該路線不僅服務于本校歷屆學生培養，還因地理距離適中、涵蓋區域類型多樣、觀察點內容豐富、地理現象典型等特點被國內許多其他院校學習和借鑒．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，學生能夠認識各種類型的地理要素，充分理解自然地理環境的綜合性、整體性特征；不同點之間對比研究又能讓學生深刻領悟地域分異規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行重點觀察，進而推斷其它要素及自然地理過程特征．虛擬仿真系統應按照野外實習的培養目標要求，包括2個維度，５個方面的實習內容（見表1）

表1　實習內容

2.2　虛擬仿真系統架構設計

本虛擬仿真系統以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為依托，采用面向服務的軟件架構開發，整體系統架構自下而上包括支持層、服務層、仿真層、應用層，集實物仿真、場景虛擬、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體，具有良好的自主性、交互性和可擴展性（見圖1）．在服務層，系統為其它學科的相關實驗課程提供了標準化接口和底層構件庫，并為仿真層的調用提供標準化的調用接口，為用戶提供統一的訪問接入服務和通用的用戶服務工具包．在應用層，系統通過虛擬仿真技術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線路的地形剖面，讓學生從整體上認識實習區域，宏觀上了解它的地域結構特征；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，清晰呈現各要素特征，進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行交互設計，其中每個觀察點的學生交互性操作步驟不少于10步．在每個觀察點，學生根據動作提示和問題引導觀察地形、氣候、巖石、風化物、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系，認識自然地理過程．

圖1　東北地區自然地理野外綜合實習虛擬仿真系統架構

2.3　實施與考核方式設計

在實習的實施方式方面，設計了教學模式和自由模式．學生在了解實習目的和原理知識的基礎上，以教學模式開始實習，分別沿大黑山——大興安嶺和長白山垂直帶實習路線，按設定的順序依次點擊實習點進行實習；在完成了教學模式學習后，可選擇自由模式進行強化、復習和鞏固．自由模式下，學生可根據自己的學習需求，任意點擊實習點進行強化、鞏固，而不受教學模式下的順序限制．

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

3　案例的示范應用

以大黑山——大興安嶺段實習為例，通過建立該線路自然地環境的三維虛擬場景，可以實現對線路任何一個實習觀察點的漫游和細節觀察．在每個實習點場景，學生首先在教學模式下按照觀察——實踐——分析的順序對各個自然地理要素進行以下實習內容：（1）選擇GPS工具，記錄實習點的經緯度和海拔高度信息；（2）根據系統提供的多年平均氣象數據判斷氣候類型；（3）進行水文特征考察，觀察地表物質組成，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層厚度（見圖2a），通過土壤五參數儀測定土壤pH和總可交換離子濃度（見圖2b）；（5）采集土壤樣品，觀察其質地特征（見圖2c）；（6）利用稀鹽酸滴定不同發生層，判斷土壤淋溶特征（見圖2d）；（7）根據以上土壤特征觀察，判斷實習點的土壤類型；（8）在實習點進行漫游考察植被，判斷植被類型，找到該區域典型植物解鎖圖譜，點擊詳細查看學習．

圖2　大黑山實習點土壤特征觀察交互操作流程

完成教學模式后，學生才能夠選擇自由模式對以上自然地理要素進行綜合考察和分析．所有學習完成后，學生需要完成線上的基礎考核，通過系統給出的部分信息，補充各個實習點各自然地理要素的完整信息．此外，學生還需要在線下完成系統提供的思考題，提交教師進行評定．

4　自然地理野外綜合實習虛擬仿真系統的特色及應用效果

4.1　實習具有兩性一度，教學效果立德樹人

自然地理野外綜合實習是在各部門自然地理的理論教學與野外實習基礎上的高階性、創新性實習，實習過程以學生為核心，學生需要在動作提示和問題引導下主動觀察、描述、判斷、分析和總結，具有一定的挑戰度．與綜合自然地理學國家級線下一流課程相結合，突出對學生的區域認知、地理實踐和綜合思維能力培養，有效提高學生的創新能力．以學生能力為考核目標，激發學生深入思考和綜合分析，切實達到知識和能力綜合提升的目的．學生通過實習切身體驗了自然地理環境的整體性特征和地域分異規律，理解地理要素之間和區域之間的復雜聯系，認識到整體自然地理環境對單一自然要素變化的綜合響應，使學生樹立科學的自然觀和發展觀，助力現代生態文明建設與社會可持續發展．

4.2　虛擬仿真滿足需求，教學資源有效共享

虛擬仿真系統基于東北師范大學數十年教學積累形成的長白山——大黑山——大興安嶺自然地理學野外綜合實習路線，著眼野外實習受時空限制，研究型、創新型訓練開展困難，優質教學資源無法共享等問題而開發，具有較強的針對性．虛擬的實習資源和實習過程與實際高度貼合，有效地解決了傳統實習中存在的高風險、大型綜合訓練難以開展的問題，滿足了自然地理野外實習的需求．此外，虛擬仿真系統還提供了開放式的平臺，符合國內同專業優質教學資源共享的理念．

4.3　教學方式虛實結合，考核方式科學合理

虛擬仿真有效地解決了野外實習面臨的一些問題，并實現了野外實習的部分教學功能．但真實的大自然復雜多樣，僅在虛擬世界里實習是不夠的，實際的野外實習仍不能被替代．通過虛實結合，學生在野外有更多的機會發現、討論和解決問題，能夠實現全員參與的研究型、綜合型實習，使傳統的野外定性分析得以定量化．操作成績和基礎考核模式主要評價學生對實習區域各點自然地理要素特征與地域分異的掌握程度．據此獲得的高分尚不能充分表明學生的野外實踐能力與地理綜合分析能力達到優秀，因此還需要具有挑戰性的考核．通過線上線下結合，實現了對學生知識和能力的科學全面評估．

5　結語

自然地理野外實習是地理類專業本科生必需的教學環節，將虛擬仿真技術與野外實習有機地整合能夠使野外實習不再受到經費有限、時空局限等條件的限制，有利于形成教學效果顯著、教學資源共享的高等教育信息化實踐教學示范項目．本研究基于東北師范大學經典自然地理野外實習線路．通過虛擬仿真技術建立了東北地區自然地理野外綜合實習虛擬仿真系統，生動呈現各實習點的野外真實場景以及地形、巖石、風化物、水文、土壤、植被等要素的典型特征，借助靈活的交互設計，模擬野外實習真實過程，通過“虛實結合”的學習方式，彌補現有野外實習教學的不足，有效提高自然地理學課程的教學效果，有助于培養具有獨立發現問題、思考問題和解決問題能力的創新型地理學人才．同時，該系統也能夠通過網絡共享滿足國內其他高校相關專業對我國東北地區典型、優質教學資源的需求，充分發揮其教學價值．

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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