移動GIS技術輔助下的野外實踐教學新模式

劉善偉, 萬劍華, 祝德顯

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院, 山東 青島 266580)

移動GIS技術輔助下的野外實踐教學新模式

劉善偉, 萬劍華, 祝德顯

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院, 山東 青島 266580)

將移動GIS技術應用到地質實習教學領域,基于Android平臺開發了野外地質實習輔助系統,為學生和教師提供了一個便攜的地質實習仿真環境。通過該系統的應用,形成了虛實結合的野外地質實習教學新模式,提高了學生野外地質實習的效果,改善了實習教師的教學質量,較好地解決了學校地質實習教學的一些不足,成為傳統實踐教學方式的重要補充。

野外實習； 移動GIS； 教學輔助系統

移動地理信息系統(GIS),是以移動互聯網為支撐、以智能手機(內置GPS)為終端的地理信息系統。隨著移動互聯網的高速發展和智能手機的普及,移動GIS成為繼桌面 GIS、WebGIS之后又一新的技術熱點[1-4],能夠實時準確地儲存、獲得、更新、處理、分析和顯示地理信息,適合在野外實踐教學過程中提供地理位置服務。我校擁有國家重點學科——礦產普查與勘探和國家重點(培育)學科——地球探測與信息技術,歷來重視地質實踐教學工作,每年都要花費大量的人力、物力、財力和時間來組織千余名學生開展各種野外地質實習。但由于帶隊教師少而學生多、實習點數量大且分散等客觀因素,學生并不能觀察到所有的典型地質現象,且實習過程中采用邊走邊講的方式,存在學生“聽不清、聽不懂”的情況,難以保證高質量的實習效果。近年來,隨著GIS在地學領域的發展與應用,GIS與傳統地質實習緊密結合,利用GIS技術實現虛擬野外地質實習系統逐漸成為主流[5-8],但受PC終端性能、數量及不便攜帶等條件制約,無法在實習過程中為廣大學生提供實時幫助,應用前景不夠廣闊。針對上述問題 ,基于移動GIS技術建設了野外地質實習輔助系統,在此基礎上,探討形成了虛實結合的地質實習教學新模式,并從學生、教師和學校3個層面評價其教學效果,為相近學科的野外實踐教學提供了一種途徑。

1 野外地質實習輔助系統特點

1.1 數據特點

數據庫是系統建設的基礎。野外地質實習輔助系統以天地圖的遙感影像和矢量地圖為底圖,獲取了秦皇島、新汶、魯東、巢湖等4個實習區25條實習路線的各個實習點地質特征(巖性、地層、沉積、構造),并配以圖片、視頻、錄音等數據。在區域空間范圍上,實習基地包含實習區、實習路線、實習點等3級,層層細化，并基于地質特征,將地質實習內容分為巖性、地層、沉積、構造等特征類型。某個實習點可能對應1個或多個地質特征,需要理清上述之間的詳細關系,在此基礎上,針對每個實習點上的所有地質特征逐個獲取詳細信息,包括點號(名)、坐標位置、視頻、錄音、照片、圖片、全景照片以及文字描述信息。

1.2 系統功能

野外地質實習輔助系統包括地圖顯示、導航定位、地質信息查詢、地質信息采集、測距等功能,見圖1。

圖1 系統功能

(1) 地圖顯示。地圖是野外地質實習輔助系統運行的基礎,是學生與系統進行交互的開始,良好的地圖交互能夠提高實習的效率。該模塊調用天地圖的地圖服務,包括地圖顯示、基本地圖操作(縮放、漫游等)。

(2) 導航定位。包括“自動模式”下GPS定位和“人工模式”下手動定位:GPS定位用于野外地質實習過程中,系統自動獲取學生位置并提示是否需要查詢當前位置附近的實習點；手動定位則用于實習前后學生通過人工查詢功能來預習或復習實習點的內容。

(3) 地質信息查詢。該功能是系統的核心功能模塊,包括“自動模式”查詢和“人工模式”查詢:“自動模式”查詢使用GPS定位,當學生到達某一實習點,系統會自動提示已到達該區域,并彈出信息查詢對話框,學生可以根據需要對當前位置進行文本、圖片、音頻、視頻以及全景影像的查詢；“人工模式”查詢通過“人工定位”逐級選擇待查詢的實習區域、實習路線、實習點,并查詢該點的文本、圖片、音頻、視頻、全景影像等信息。另外,還支持基于地圖的屏幕點擊查詢方式。

(4) 地質信息采集。在野外地質實習過程中,學生通過該功能實現對某地質構造現象的位置的地圖標注,還可以針對該標注點編輯上傳文本、照片、音頻及視頻等信息。

(5) 其他。主要包括距離測量等輔助功能。

2 虛實結合的教學新模式

基于Android平臺的虛擬野外地質實習輔助系統,利用智能手機的便攜性將野外地質實習與移動GIS相結合,開啟了新的野外地質實習教學模式。

2.1 虛擬教學

野外地質實習的主要內容是,學生通過教師講解的方式對野外地質現象及其演變進行實踐學習,包括實習區的地質構造概況簡介、局部構造形態以及地質發展簡史。相較于傳統的教師現場講解方式,系統以文本、全景圖片、動畫、音頻、視頻等形式呈現教師講解內容,學生基于地質信息查詢功能可以在實習前后對地質實習內容進行預習和復習,彌補實習時學生錯過教師講解或沒有聽清等情況,是一種虛擬教學方式。基于地圖的查詢界面見圖2。

圖2 信息查詢界面

2.2 野外教學

地圖是地質實習的數據載體,而GPS導航則是連接實習者與地圖的中間部分。學生實習過程中,系統通過自動模式下GPS定位自主獲取學生的當前位置,判斷學生是否位于實習點附近,若位于實習點附近,系統將會提示實習者已進入xx實習點并自動彈出信息查詢框,在此基礎上學生可以查看該實習點的各類信息,實現無教師引導狀態下的自我學習；當面對新的或不明確的地質構造現象時,可以借助地質信息采集功能,將該地質現象的所在位置標注在地圖上,并對該標注點進行文本編輯、拍照以及錄制視頻保存到本地,實現對該現象的復現,見圖3。

圖3 地質信息采集界面

3 教學效果評價

野外地質實習輔助系統的建立,解決了野外地質實習教學環節中存在的諸多問題。

3.1 提升了學生地質實習的效果

(1) 突破了實習的局限性。傳統的野外地質實習由于受時間、地點、天氣、經費等條件限制,學生不能走遍所有的典型地質現象實習點,且很多地質現象存在不能采取實驗標本的問題,實習有很大的局限性。特別是野外地質實習不同于室內參觀實習,一旦遇到雨、雪等惡劣天氣,實習就被迫中止,實習計劃和進度會受到影響；另外,省外的實習地點,距離比較遠,有些典型地質地貌實習點,沒法讓所有學生去野外采樣,而野外地質實習輔助系統的建立,突破了傳統實習的局限性,通過構建較為全面的地質現象數據庫系統,有效解決了上述問題。

(2) 解決了實習的呆板性。對學生而言,與其在教室課堂上或者互聯網上觀看文字和圖片,不如像親臨現場般地去觀察野外地質現象和環境。傳統的地質實習,到現場觀察的僅僅是經過長年累月地質構造運動形成的地質現象,難以直觀地再現構造運動的全過程。野外地質實習輔助系統的建立,不但可以讓學生查看典型地質現象的圖片、文字等,而且能夠通過二維、三維動畫、實習全景圖像等虛擬現實技術,生動展示實習點的構造運動全過程。

(3) 改變了實習的單一性。傳統的野外地質實習,先是由教師進行理論講解,再由學生野外實地觀察,模式單一。野外地質實習輔助系統的建成,為學生實習搭建了虛實結合的橋梁和平臺,學生可通過虛實結合、理論與實踐相結合的方式,提前“預習”和課后“復習”,對野外地質現場實習效果起到有效的補充與強化作用,從而達到牢固掌握知識的目的。

3.2 改善了教師的實習教學質量

(1) 促進了青年教師的培養。青年教師的培養,直接決定教學效果和教學質量。野外地質實習輔助系統建成后,顯著改善了青年教師實習教學備課時可供觀摩的實習資料不足的問題。本系統通過錄制有豐富經驗的老教師的實習教學視頻,為青年教師觀摩學習提供了資料庫,提高了青年教師野外實習教學備課的效率和實際教學效果,同時也為課堂教學提供了素材。

(2) 增加了實習教學的趣味性。借助于野外地質實習輔助系統,教師既可以豐富課堂教學內容,又可以利用GIS和遙感技術輔助實踐教學,在多學科交叉融合的氛圍下,提高了野外地質實習的趣味性,還可以在野外實習過程中根據系統中提供的地圖,更加合理地安排實習路線,提高實習質量。

3.3 較好解決了學校地質實習教學的某些不足

(1) 緩解了實習經費緊張的矛盾。野外地質實習輔助系統的建成,拓展了學生實習的時間和空間,足不出戶就可以對各種野外地質現象進行全面、生動的觀察學習,在一定程度上緩解了學校實習經費緊張、某些實習點難以進行實地考察的問題。

(2) 豐富了實習基地建設的模式。因受到資金、場地、企業積極性不高等因素的影響,近年來學校實習基地建設工作相對滯后,實習基地建設模式相對單一。本系統提供了一個高度集成、功能完善的虛擬實習基地,為相關、相近學科和專業的實習基地建設提供借鑒,豐富了學校實習基地建設的模式。

(3) 提升了學校人才培養的質量。野外地質實習輔助系統的建成,既豐富了學生的學習方式、縮短實習時間、提高實習效率,又幫助教師豐富了教學手段、提升教學效果,整體促進了學校人才培養質量的提高。

4 結論

基于Android平臺的野外地質實習輔助系統,將移動GIS技術應用到地質實習教學領域,為學生和教師提供了一個便攜的地質實習仿真環境,很好地解決了傳統虛擬地質實習系統移動性差、無法提供實時應答的問題。通過該系統的應用,形成了虛實結合的野外地質實習教學新模式,提升了學生野外地質實習的效果,改善了實習教師的教學質量,較好地解決了學校地質實習教學的一些不足,可以作為傳統實踐教學方式的重要補充,對于地學學科的野外實踐教學具有推廣應用前景。

References)

[1] 歐佳斌,張新長,郭泰圣.基于移動GIS的規劃數據應用系統研究[J].測繪通報,2014(12):89-92.

[2] 姚紀明,劉亞靜,王森.地質調查手機移動GIS設計與實現[J].測繪科學,2015(9):134-137.

[3] 陳曉寧,劉金榜.移動GIS版地理國情外業調繪系統的設計與實現[J].地理空間信息,2016(6):41-44.

[4] 張浩,肖海威,喻永平.移動GIS在行政區域界線勘測中的應用[J].工程勘察,2017(2):53-55.

[5] 郭巍,薛林福.虛擬野外地質實習系統(VFGTS)[J].世界地質,2010(9):522-526.

[6] 郝偉,曹代勇,應璽.基于Virtools的虛擬地學認識實習系統的實現[J].中國地質教育,2011(2):51-54.

[7] 祝德顯.基于Web的虛擬野外地質實習系統設計與實現[J].內江科技,2013(1):96-98.

[8] 陳志軍,顧松竹.互動數字地圖技術引導野外地質實踐教學中的翻轉課堂實踐[J].中國地質大學學報(社會科學版),2014(5):39-42.

New mode of field practical teaching assisted by mobile GIS technology

Liu Shanwei, Wan Jianhua, Zhu Dexian

(School of Earth Seience and Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

The mobile GIS(geographic information system) technology is applied to the geological practical teaching, and based on the Android platform, a field geological practical assistant system is developed, which provides a portable geological practical simulation environment for students and teachers. Through the application of this system, a new mode of the field geological practical teaching with the combination of virtuality and reality is formed, which enhances the effect of the field geological practice for students, improves the practical teaching quality, and solves some shortcomings of the geological practical teaching on campus, and becomes the important complement to the traditional practical teaching methods.

field practice; mobile GIS; teaching auxiliary system

2017-06-09

中國石油大學(華東)教學實驗技術改革重點項目(SY-A201203)

劉善偉(1982—),男,山東青島,博士,講師,主要從事遙感與GIS的地學應用研究.

E-mail：shanweiliu@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.045

G642.0

B

1002-4956(2017)12-0186-03