淺談“地學三維可視化”課程建設及教學實踐

摘要：“地學三維可視化”是我校地球信息科學與技術專業的專業主干課程，一些高校的地理信息系統專業也開設了該課程。為適應新的教育形勢，提高學生學習的主動性和創造性，促進學生自主學習，本文在課程開設的必要性、課程內容、教學方法、考核機制的改革等方面進行了有益探索，為課程建設提供參考。

關鍵詞：地學三維可視化；教學改革；課程建設

中圖分類號：P208 文獻標志碼：B 文章編號：1674-9324（2012）09-0155-02

科學計算可視化[1]（visualization in scientific computation）是20世紀80年代發達國家提出的一個新的研究領域，是通過運用計算機圖形學和圖像處理，將科學計算的過程和結果以圖形或圖像的形式顯示，并進行交互處理的方法和技術。它涉及計算機圖形學、計算機視覺、圖像處理和人機交互等多個領域?？茖W可視化在地學領域，如地理信息系統（GIS）和地學建模（GMS）的應用，形成了地學可視化。通過地學三維可視化可以提高人們對復雜、抽象的三維地學現象的空間感知、理解和分析能力。隨著地學可視化技術的發展和廣闊的應用前景，一些高校在與地學相關的專業中相繼開設了地學可視化相關課程。

一、課程開設的必要性

從學科發展需要而言，孫九林院士認為“地球信息科學這個學科是地球科學與現代信息科學技術交叉融合綜合集成在一起的新興學科，是以信息流為手段，來研究地球系統內部的物質流、能量流、人流和運動狀態、方式?！钡貙W領域關于三維空間信息的采集、組織、表達、建模、可視化、交互分析的研究日益重要，發展為兩個并行的研究方向[1]，一個是3D GIS（三維地理信息系統），是以地球表面及其以上的自然地理實體和人工建筑實體為研究對象，另一個是3D GMS（三維地學模擬系統），是以地表及其以下自然地質實體和人工開掘實體為研究對象。目前，真三維地學建模、三維拓撲描述、地表地下空間無縫集成、三維動態地學過程模擬、三維地學可視化等問題已成為地球空間信息的技術前沿和攻關熱點[1-3]，吸引了計算機科學、測繪、地理、地質、采礦、巖土、環境、資源等諸多領域的學者的研究興趣。因此為了適應地球信息科學的學科發展，有必要開設“地學三維可視化”課程，使學生了解研究前沿和熱點，實現本科生與研究生教育的良好銜接；并且，地學可視化在測繪、地質、環境、資源等諸多領域的重要性，使其成為學生應該掌握的重要技能。

從社會需求而言，隨著三維可視化技術的發展，地學可視化具有十分廣闊的應用前景和社會需求，主要應用于數字城市、礦山、海洋、地質、水利、氣象、環境等領域[1]，例如城市景觀分析、城市規劃、地下水源污染監測、地下管線規劃、地表沉陷監測、多煤層礦層儲量分析、地層結構解析等。因此，通過開設“地學三維可視化”課程，使學生掌握三維地學建模、可視化和交互分析的方法和技能，可促進就業，適應社會需要。

因此，考慮到學科發展、就業和社會需求，有必要在地學相關專業開設“地學三維可視化”課程，使學生掌握地球信息科學領域的重要技能，促進學生在測繪、地質、環境、資源、氣象等諸多領域較好就業。

二、課程的主要內容

本課程的目的是通過系統講授地學可視化的基本概念、原理、方法和技術，使學生掌握面向地學的常用的三維空間模型、基本的三維空間建模算法、能夠運用常用的三維空間信息系統與圖形工具，如IDL（Interactive Data Language）或ArcGIS，進行三維地學建模和交互分析。

本課程主要包括以下5個方面的內容：

（1）“地學三維可視化”的內涵和相關概念，如“地學認知模型”、“空間數據模型”、“空間維數分析”、“真三維”“3D GIS”、“3D GMS”、“地學多維圖解”等。

（2）針對“地學可視化”應用最多的兩個領域：數字城市和地質領域，介紹常用的三維空間信息系統和三維圖形工具。

（3）面向地學常用的三維空間模型，包括面元模型、體元模型（規則體元和不規則體元模型）、混合三維模型（斷面-三角網混合模型、線框-塊體混合模型、八叉樹-四面體混合模型）、集成三維模型（三角網-八叉樹集成模型、矢柵集成模型）；三維地質空間模型的原理、特點、優缺點及其適用范圍。

（4）典型的三維空間建模算法，包括三維圖形幾何變換、地物模型與地形模型無縫集成、TEN模型生成、Octree模型生成、面向對象的三維模型重建、GTP模型剖切、LOD模型生成、多分辨率紋理生成與映射、三維空間索引與顯示判斷等代表性算法。

（5）從常用的三維空間信息系統與圖形工具中選擇一種典型系統或圖形工具，如IDL或ArcGIS進行三維地學模型的建立、可視化和交互分析。

三、教學方法和考核機制

本課程是一門實踐性很強的課程，要求以學生為主體，激發學生的學習興趣、主動性和創造性；本課程并不指定某一具體的三維地學模型，不是要求所有學生都建立三維地形模型，而是鼓勵學生創設自己感興趣的三維地學模型，如洪水演進模型、地面沉降模型、三維地層模型、數字城市模型等，并鼓勵學生根據模型的需要來選擇合適的三維系統或圖形工具，建立自己的三維地學模型。有的學生擅長編程，則可以用VC或IDL編程實現三維空間建模算法或建立三維地學模型；有的學生對菜單操作更感興趣，則可以根據模型特點，選擇ArcGIS或3D Max來建立三維模型。因此本課程給予學生充分的學習主動性，鼓勵學生大膽想象和創設自己的三維地學模型，并根據自身特長和興趣，選擇合適的三維系統或圖形工具實現自己的三維地學模型。

為了激發學生的學習熱情，培養學生的創新精神，本人對教學方法作了一些探索和改進：

（一）注重案例教學

案例教學被認為是代表未來教育方向的一種成功教育方法。通過在課堂上演示一些三維地學模型的程序和錄像，讓學生對三維地學模型有一個直觀的認識，鼓勵學生積極思考、討論該演示模型是如何建立的，是否可以進一步改進和完善。通過案例教學可以促進學生通過自己的思考或他人的思考，來拓寬思路，積極思考和創設自己的模型。

（二）由注重知識轉換為注重能力

不再強調書本知識的灌輸，而是強調學生將學習到的地學可視化知識轉換為實踐能力，利用學到的地學可視化知識，實際動手來建立自己的三維地學模型。因此涉及到以下5方面能力的培養：①查閱文獻的能力，本課程要求學生課后查閱地學三維可視化方面的文獻，尋找三維地學模型的思路和合適的建模工具或系統；要求學生在查閱文獻的同時，積極思考文獻中的模型是如何建立的，存在哪些不足，如何改進，從而找到自己創建三維地學模型的思路；②自學能力，學生在明確自己所想創建的三維地學模型的思路后，需要選擇合適的建模工具和系統，并要在教師指導下學習該建模工具和系統；由于“地學三維可視化”的課程在大三下學期開設，因此學生都已系統學習過VC編程和ArcGIS的操作，在課堂上會介紹IDL的一些編程技巧，因此學生主要學習如何將學習過的知識深化、并應用于實踐開發；③創新能力，鼓勵學生大膽想象，創建自己的三維地學模型，從而可以很好地培養學生的想象力和創造力，而不拘泥于課本上介紹的知識和模型；④實踐能力，鼓勵學生通過對三維空間信息系統或圖形工具的操作和應用，實現和建立自己腦海中的三維地學模型，從而可以深化學生對以前學習過的VC、IDL和ArcGIS等的掌握，將知識變為實踐；當學生實現了自己的三維地學模型構想后，會產生很大的成就感和自信，產生濃厚的學習興趣，會更加熱愛本專業；⑤論文撰寫和學術報告能力，要求學生將自己創建的三維地學模型，如何創建，以及創建模型的優缺點，進一步改進的設想等寫成學術論文的形式，并作PPT，在課堂上作口頭報告，從而培養學生的科研能力、學術論文撰寫和學術報告的能力。通過本課程的學習，學生的科研能力和創新能力都能得到很好地培養和鍛煉。

（三）啟發式教學

在課堂上盡可能多地預設問題，引導學生分析思考各三維空間模型、三維空間建模算法以及演示的三維地學模型的優缺點，以及如何改進完善；同時，注重介紹地學可視化研究的前沿問題和熱點技術，鼓勵學生課后查閱相關文獻加深理解，提高學生的學習興趣和創新能力。

（四）考核機制

本課程致力于培養學生的創新思維和實踐能力，而不是一味地學習課本上的知識，因此不采用試卷考試方式，而是根據學生創建的三維地學模型、撰寫的學術論文給出課程成績，考核側重于學生的創造性、建立的三維地學模型的完備性，以及對模型改進的設想等方面。

“地學三維可視化”是地學相關專業一門重要的專業課程[4]，“地學可視化”具有廣闊的應用前景和社會需求，在數字城市、礦山、海洋、地質、水利、氣象、環境等諸多領域都能得到很好的應用。通過多年的教學實踐證明，以上課程內容、教學方法和考核機制的探索和改革，取得了較好的效果，激發了學生的學習興趣，提高了學生的科研能力和創新能力，課程結束后，有的本科生撰寫的本課程論文被學術期刊錄用。也希望本論文能起到拋磚引玉的作用，和同行們一起努力，將地學教學改革[5]的工作做好。

參考文獻：

[1]史文中，吳立新，李清泉，王彥兵，楊必勝.三維空間信息系統模型與算法[Ｍ].北京：電子工業出版社，2007.

[2]吳立新，史文中.論三維地學空間構模.地理與地理信息科學[J].2005，21（1）：1-4.

[3]王瑞芳.基于空間信息的三維地學模擬理論及研究[J].山西建筑，2007，33（22）：354-355.

[4]閆志剛.GIS專業地學可視化課程的建設與教學實踐[J].地理空間信息，2011，9（4）：159-161.

[5]張國偉，賴紹聰.深化地學教學改革的探討[J].中國大學教學，2009，（12）.

作者簡介：王賢敏，女，副教授，主要從事遙感地質方面的教學和科研工作。