地學網絡教學的特點與平臺構建

劉雪萍

（北京大學 城市與環境學院地表過程分析與模擬教育部重點實驗室，北京 100871）

1 網絡教學與地球科學

網絡教學是借助互聯網技術和多媒體技術，利用網絡存儲教學信息并通過網絡實施教學的一種新型教學模式[1－2]，與傳統的面對面式的教學模式相比，網上教學資料豐富，不受時間地域限制，學生可以靈活地掌握時間和學習內容，有效地提高教學效率，并符合當前信息化社會的交流方式[3]。網上教學的形式有網上課堂[4]、計算機支持的輔助教學、同步／異步討論組等[5]。網絡教學平臺是將多種教學形式組合起來，成為為學生提供授課、學習、答疑、討論和作業處理的一個網絡系統[6]。

地學是地球科學的簡稱，是人類認識地球的一門基礎科學，以研究地球系統及其組成部分為研究對象，探索發生在其中的各種現象、過程及過程之間的相互作用，涵蓋地理科學、地質學、大氣科學、海洋科學、環境科學等學科。在地學教學中利用積累的數據資料和可視化表現形式，講解地學特征和過程是主要的教學方式之一。傳統的地學教學方法以描述為主，配以圖片來講解地學現象和過程。為了進一步加深學生對地學基本原理和實際問題的理解和認識，培養地學空間概念，需要進行野外考察[7]。地學現象具有不同的時間尺度和空間尺度，錯綜復雜，受考察地點和時間的限制，不能看到所有的地學現象和地學類型。因此，靠目前不多的教科書和傳統的教學方法，已無法滿足現代教學的需求和創新人才培養模式的需求[8]。

計算機、多媒體、網絡、GIS和虛擬現實等信息技術的高速發展，在各個方面得到廣泛的應用，給人們的生產、生活帶來了深刻而重大的變革，同時也逐步滲透進教學領域，成為當今現代化教學的支撐技術[9]。它們在數據存儲、管理、分析、可視化和動態模擬等方面的優勢，為地學教學的改革和現代化提供了強有力的技術手段。將這些高新技術進行集成，構建地學的網絡教學平臺，充分發揮這些技術在地學教學中的作用，對擴展地學教學的空間、提高學生學習的積極性、培養學生的動手能力、加強教與學的互動、促進地學教學深入，具有重要意義。

2 地學網絡教學的特點

網絡教學是教師將理論知識、分析方法和教學實例等經過計算機整合變成網絡上的內容，學生通過互聯網進行學習的過程[10]，而地學網絡教學除此之外，還有如下特點：

（1）地學的研究對象為地球，區域范圍大、資料數據海量，研究的尺度，水平方向從一個社區村鎮到全球，垂直方向從地幔霍夫面到大氣層。數據需要按照空間分布特征進行有序組織、整合保存，建立一個空間數據庫[11－12]。

（2）地球科學研究的對象處在不斷變化的過程之中，而且這些變化具有不同的時間尺度，比如一個河流曲流裁彎取直的地貌過程需要幾十年甚至幾百年，而一次地震造成的地形形變只需幾分鐘，甚至更短暫的時間。一個自然變化的開始、中間到結束組成一個時間序列，因此地學網絡教學需要多個時間段的資料，用來動態地恢復地球變化過程，或模擬其發展趨勢[[13]。

（3）地學研究的對象是自然界的實體，圖形化、圖像化是地學現象特征的表達方式。展示地學的現象最好的方式是將自然景觀用圖片、圖像、素描圖等進行演示。比如：地貌學教學研究地球表面形態和結構，需要用地貌的各種景觀圖介紹這種現象；地質學研究地下的巖石圈的內部構造和組成，需要用地層的圖示表示。野外調查是讓學生了解地學知識的重要手段，但是由于時間和空間的原因，僅從有限的時空不能了解到地球整體特征，利用積累的資料進行圖示化的編輯，可以提高地學的效果。

（4）地學研究的對象之間是相互影響、相互作用、相互依存和相互反饋的，通過信息實現調控，才能認識全球層次與區域層次之間的相互作用，這也就是我們所說的地球系統科學[14]。利用地學資料模擬地學環境，可視化地再現地球的局部或整體的現象，以及構建地球系統模型，調節氣候變化、水文、地質構造運動、人類活動等自然和人為影響因素，查看地球系統變化過程、變化結果以及變化帶來的效應，使學生從中學習地球系統的結構、演變機制等知識，提高學生的發散思維和系統綜合分析能力。

3 地學網絡教學平臺構建

地學網絡教學平臺構建需要數據存儲、學生教師互動、教學多媒體演示、虛擬現實可視化顯示等功能，實現地學教學中的多個教學環節的要求。在實現技術上包括網絡技術、數據庫技術、GIS技術、多媒體技術、虛擬現實技術等[15]。

3.1 地學網絡教學平臺主要組件

（1）基礎數據庫。用于存儲教學參考文獻、地學數據、地圖等資料。地學數據有空間特征，具有GIS的屬性，以進行地學空間分析的教學。

（2）查詢檢索模塊。按照地點、時間、內容檢索依據課程安排地學資料和參考文獻，進行課堂作業、野外實習、專題論文的資料收集。

（3）多媒體播放模塊。播放地學專題視頻、教學課堂視頻。

（4）教學課件。學習、復習教學內容。

（5）教學信息發布模塊。

（6）地學場景模型模塊。通過利用地學數據構建的模擬地學場景，仔細觀察地學現象的形態，再現自然界真實的自然景觀。

（7）地學過程模型模塊。在一個利用地學資料構建的模擬場景中，通過選擇互動方式，設定一定的地學環境和條件，查看一定時間下模擬模型變化的過程和產生的結果。

（8）地學模型變化模塊。在一定地學模擬場景中，添加人為或特定的自然因素，或添加保護策略，查看改變的因素對環境的影響和所起的作用。

（9）互動交流討論模塊。學生之間、師生之間進行交流、提問、答疑等活動，以及學生網上作業提交，教師修改、反饋，學生網上答題自測和教師打分等。

3.2 地學網絡教學平臺的結構

地學教學平臺的結構包括數據層、應用層、網絡層和用戶層，見圖1。

圖1 地學網絡教學平臺的結構

數據層主要有地質、地理、氣象、生物、環境等各領域的數據、資料、圖件和文獻，建有地學數據庫，作為整個平臺的數據支撐。應用層包括：課程教學模塊，含教學資料（課程介紹、教學大綱、教學日歷等）、多媒體課件、教學視頻錄像；訓練拓展模塊，含3D場景模型、虛擬現實過程模型和變化模型；互動交流模塊，含網上答疑模塊、練習／考試模塊和自檢／教師批改模塊等。網絡層采用互聯網實現網絡教與學，用戶層包括教師、學生和網絡教學平臺管理員。

4 結束語

（1）地學網絡化教學與一般的網絡教學既有共性，也有特殊性。地學網絡化教學不僅需要課件共享及教學的互動交流，還需要建立地學資料、地學模型等信息數據庫，作為一個為教學所用的教學平臺，不但能補充課堂上所學知識內容，還能根據平臺上提供的地學資料和模型，結合社會實踐，完成一個地學環境和條件的設計專題，在有效利用地球資源、人地協調共存方面得到拓展訓練。通過網絡化連接，學生可以分組或單個設計模擬，在資源開采、環境保護、城市規劃、防災減災等方面進行地學應用的實踐，如采用競爭和約束的策略來進行資源平衡利用方面的博弈，找到最合適的決策方案。

（2）地學網絡平臺的設計包括了學生互動、教學內容和虛擬3D的模塊，這些技術和模塊使教學更加深入，并提高學生的興趣，提高了教學效率和效果，為社會培養了高素質的決策型人才。

（References）

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