創建山地環境虛擬仿真實驗教學中心的思路

肖林林+劉睿+張虹

摘要： 山地環境虛擬仿真實驗教學中心的構建具有現實教學意義。從山地環境信息采集及數據庫構建，山地環境虛擬仿真平臺構建，山地環境虛擬仿真信息研發應用團隊和運行機制構建，山地環境虛擬仿真教學、研究與服務方面對山地環境虛擬仿真實驗教學中心的創建進行闡述，同時提出了相應的建議。

Abstract： The construction of mountain environment virtual simulation experimental teaching center （MSEC） has realistic significance for teaching. This paper described the four design procedures of the construction of MSEC： data collecting and dataset construction， the construction of mountain environment virtual simulation platform， research and development team and operating mechanism， and the function of MSEC concerning teaching， research， and serving the society. The suggestions were also given correspondingly.

關鍵詞： 山地環境；虛擬仿真；實驗教學中心

Key words： mountain environment；virtual simulation；experimental teaching center

中圖分類號：G640 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0187-02

0 引言

實驗教學一直是高校本科人才培養工作中不可或缺的重要組成部分，關系著培養人才的實踐能力和創新能力[1，2]。傳統實驗是完成具有“代表性”和“普適性”的“規定動作”，極大地制約了對學生動手能力及創新能力的培養。此外，傳統實驗室的建設經費投入不可小覷，“投入產出比”往往受到質疑。建設虛擬仿真實驗教學中心能有效降低實驗成本、擴大受益面、解決優質實驗資源共享等問題[3]，為實踐教學改革提供了新思路。

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學目的[4]。虛擬仿真實驗教學中心能夠實現虛實結合、相互補充，具有真實實驗不具備或難以完成的教學功能，能為涉及高?；驑O端的環境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況，提供可靠、安全和經濟的實驗項目。可以說，虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內容，體現出信息技術與教育教學融合發展和與學科專業深度融合帶來的實驗教學改革與創新[5]。

目前在全國范圍內建成有不同級別與教學目的的虛擬仿真實驗中心，但能極大推動地理學、生態學等相關專業在山地環境領域進行特色化建設的山地環境虛擬仿真實驗教學中心尚未見報道。本文以重慶師范大學建設重慶山地環境虛擬仿真實驗教學中心為例，分析并提出建設思路。

1 山地環境的復雜性及構建虛擬仿真實驗教學中心的必要性

山地環境是一個復雜的巨系統，其中涉及到自然、人文、經濟社會諸方面各種要素、過程及其相互作用[6]。山地環境的復雜性具體體現在三個層面：一是環境要素寬泛，包括水、土、氣、生、人等與地表有關的自然和人文因素，這些因素在地表過程上會產生復雜的耦合效果；二是環境過程的尺度效應，對于某一具體過程來講（如水土流失），不同的尺度下，其影響因素和影響機制均不相同；三是山地地貌的復雜性，山地復雜地貌相對于平原、丘陵地貌具有更大的坡度和地形分異，所以對外界驅動力表現出更大的敏感性，其地表過程往往更為劇烈和復雜。山地環境的復雜性為目前高校地理學、生態學、地質學等相關專業在山地過程領域的實驗教學帶來一定的困難，而建設山地地表過程虛擬仿真實驗教學中心能夠整合海量的山地地學數據資源，形成豐富的虛擬仿真教學資源，實現山地環境的虛擬模擬，有利于對原有各自然學科實驗教學體系進行完善、整合、重新設計，提高教學效率，培養創新性人才。

2 山地環境虛擬仿真實驗教學中心創建思路

針對山地環境的復雜性，創建山地環境虛擬仿真實驗教學中心，必須在具有一般虛擬仿真實驗教學中心優點的基礎上，擁有對山地復雜環境進行虛擬仿真和實驗教學的能力，能服務于地理學、生態學、水科學、地質學等專業的山地環境實驗教學，達到推動高校實驗教學改革與創新，提高高等教育實驗教學質量的目標。

2.1 山地環境信息采集及數據庫構建

山地環境信息采集及數據庫構建是山地環境虛擬仿真實驗教學中心構建的數據、資源儲備環節。山地過程復雜且具有極強的區域特色性質，這決定了虛擬仿真實驗必須在遵循實際自然過程的基本前提下進行虛擬仿真，才能達到虛實結合，教學內容科學客觀的目的。面對復雜山地過程，應形成“空天地”一體化多尺度地學信息采集能力。遙感技術的發展極大地提高了空間數據數據的獲取能力，如Landsat系列衛星、EOS系列衛星、中國高分系列衛星、法國的SPOT系列衛星以及美國的WordView系列衛星能提多尺度遙感產品，成為山地環境重要信息源。但在微地形尺度上，上述產品不具備服務能力。無人機技術的最新發展可成為微地形尺度山地環境信息獲取的支撐。有必要進行無人機遙感平臺的建設，利用無人機搭載高光譜成像儀、多光譜相機，進行山地地表過程的精細化觀測，結合野外移動工作站形成對山地環境多層面、立體化、高清晰度數據采集能力。最后，建設高性能地學集群計算，建成山地環境數據庫。

2.2 山地環境虛擬仿真平臺構建

山地環境虛擬仿真平臺的構建包括兩個部分，搭建虛擬仿真實驗硬件設施和相關實驗教學資源（實驗模塊）的構建，其中以后者最為關鍵。實驗模塊按照基礎性、綜合性和創新性三大實驗層次進行設計。基礎性實驗模塊是進行實驗教學的初始階段，起到對學生基礎知識積淀、基本技能鍛煉的作用；面向山地環境虛擬仿真實驗教學，基礎性實驗模塊可以包括無人機飛行技術模塊、地理信息技術實驗模塊、遙感圖像處理模塊、空間數據處理實驗模塊等（見圖1）。綜合性實驗模塊起到對學生能力的進一步提升作用，針對山地環境虛擬仿真實驗教學，綜合實驗模塊可包括山地地表過程實驗模塊、無人機遙感應用實驗模塊、虛擬現實實驗模塊等。創新性實驗模塊注重對地區特色的深入挖掘和創新，針對重慶山地環境虛擬仿真實驗教學，創新實驗模塊可包括，三峽庫區水環境監測虛擬仿真模塊、重慶山區景觀生態過程虛擬仿真模塊等。

2.3 山地環境仿真信息研發應用團隊和運行機制構建

山地環境虛擬仿真實驗教學中心的運行需要組建研發和應用團隊以及建立一套高效、可行的運行機制。可建設研發、教學和管理三個團隊并行的運行體系。研發團隊主要負責仿真教學資源的設計與開發，同時開展相應的科學研究工作；實驗教學團隊則集中完成中心安排的實驗教學任務；管理團隊主要負責中心的運行、管理、維護與信息化建設。對于一個高校的山地地表過程虛擬仿真實驗教學中心，其意義雖是為學生提供實驗教學服務，但做為高校的重要智庫，理應成為科研的原創地。只有在原創性上具有引領作用，才能培養出更高層次的人才。因此，山地環境虛擬仿真實驗教學中心團隊的建設需以吸納和培養原創性人才為重點，強化團隊中地理學、生態學、地質學等相關領域的山地專家的支撐作用，及其對青年教師的指導和帶動作用。

2.4 山地環境虛擬仿真教學、研究與服務

山地環境虛擬仿真實驗教學中的功能以教學為主體，以研究為撐，同時兼備對外提供服務的能力。對于教學而言，可以面向如地理學、生態學、水文學、生物學、地質學、土壤學等多個專業學科的學生，提供實驗教學。教學過程中應注重學生參與程度，盡量使學生從數據采集和建庫，到如何構建實驗模塊，以及后來實現虛擬仿真進行全過程的參與。通過提高學生參與科研的程度，增加學生實習機會，鍛煉學生動手能力，進而培養出專業性人才、復合型人才、創新性人才。山地環境虛擬仿真實驗中心通過整合海量的山地數據，可在山地環境管理、山地地理環境模擬、山地生態環境監測、山地災害應急評估、等方面實現虛擬模擬，產生較高科研價值。另外，重慶山地環境虛擬仿真實驗教學中心可通過整合先進的地理信息技術、云計算、物聯網、大數據、移動互聯網等先進技術，立足重慶，輻射全國，為社會各界提供山地環境虛擬仿真實驗教學資源的共享服務。

3 結論

從實驗教學最新發展趨勢來看，開展虛擬仿真實驗教學中心建設是新時期下高校本科人才培養中的一個重要任務，也是未來實驗教學發展的必然趨勢。山地環境復雜，是地理相關學科專業實驗教學的難點。山地環境虛擬仿真實驗教學中心的建立能較大推動高校山地環境實驗教學的改革。山地環境虛擬仿真實驗教學中心的建立需要形成“空天地”一體化多尺度地學信息采集和存儲能力；山地環境虛擬仿真實驗模塊的設置需形成基礎性、綜合性和創新性三大實驗層次，在第二層次注重學生對山地環境分析能力的培養，第三層次注重學生依據山地環境特色的創新能力的培養。山地環境虛擬仿真實驗教學中心的建立，要注重科研原創性的支撐意義，有必要構建“教學、研究與服務”功能三位一體，“研發、教學和管理”三個團隊并行的運行機制。

參考文獻：

[1] 萬桂怡，崔建軍，張振果.高校虛擬實驗平臺的設計及實踐[J].實驗室研究與探索，2011（3）：386-389.

[2]周世杰，秦志光，邢建川.完善示范中心平臺建設，培養計算機工程創新人才[J].計算機教育，2011（21）：38-41.

[3]周世杰，吉家成，王華.虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].計算機教育，2015，9：5-11.

[4]劉亞豐，吳元喜，蘇莉.信息化背景下虛擬仿真實驗教學中心建設規劃與實踐[J].高校生物學教學研究，2015，5（3）：39-43.

[5]王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

[6]丁永建，周成虎，邵明安.地表過程研究進展與趨勢[J].地球科學進展，2013，28（4）：408-419.