劉雪萍

（北京大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院地表過(guò)程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871）

1 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與地球科學(xué)

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多媒體技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)教學(xué)信息并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施教學(xué)的一種新型教學(xué)模式[1－2]，與傳統(tǒng)的面對(duì)面式的教學(xué)模式相比，網(wǎng)上教學(xué)資料豐富，不受時(shí)間地域限制，學(xué)生可以靈活地掌握時(shí)間和學(xué)習(xí)內(nèi)容，有效地提高教學(xué)效率，并符合當(dāng)前信息化社會(huì)的交流方式[3]。網(wǎng)上教學(xué)的形式有網(wǎng)上課堂[4]、計(jì)算機(jī)支持的輔助教學(xué)、同步／異步討論組等[5]。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)是將多種教學(xué)形式組合起來(lái)，成為為學(xué)生提供授課、學(xué)習(xí)、答疑、討論和作業(yè)處理的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[6]。

地學(xué)是地球科學(xué)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)地球的一門(mén)基礎(chǔ)科學(xué)，以研究地球系統(tǒng)及其組成部分為研究對(duì)象，探索發(fā)生在其中的各種現(xiàn)象、過(guò)程及過(guò)程之間的相互作用，涵蓋地理科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科。在地學(xué)教學(xué)中利用積累的數(shù)據(jù)資料和可視化表現(xiàn)形式，講解地學(xué)特征和過(guò)程是主要的教學(xué)方式之一。傳統(tǒng)的地學(xué)教學(xué)方法以描述為主，配以圖片來(lái)講解地學(xué)現(xiàn)象和過(guò)程。為了進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)地學(xué)基本原理和實(shí)際問(wèn)題的理解和認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)地學(xué)空間概念，需要進(jìn)行野外考察[7]。地學(xué)現(xiàn)象具有不同的時(shí)間尺度和空間尺度，錯(cuò)綜復(fù)雜，受考察地點(diǎn)和時(shí)間的限制，不能看到所有的地學(xué)現(xiàn)象和地學(xué)類(lèi)型。因此，靠目前不多的教科書(shū)和傳統(tǒng)的教學(xué)方法，已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代教學(xué)的需求和創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的需求[8]。

計(jì)算機(jī)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)、GIS和虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)的高速發(fā)展，在各個(gè)方面得到廣泛的應(yīng)用，給人們的生產(chǎn)、生活帶來(lái)了深刻而重大的變革，同時(shí)也逐步滲透進(jìn)教學(xué)領(lǐng)域，成為當(dāng)今現(xiàn)代化教學(xué)的支撐技術(shù)[9]。它們?cè)跀?shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、分析、可視化和動(dòng)態(tài)模擬等方面的優(yōu)勢(shì)，為地學(xué)教學(xué)的改革和現(xiàn)代化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。將這些高新技術(shù)進(jìn)行集成，構(gòu)建地學(xué)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，充分發(fā)揮這些技術(shù)在地學(xué)教學(xué)中的作用，對(duì)擴(kuò)展地學(xué)教學(xué)的空間、提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、加強(qiáng)教與學(xué)的互動(dòng)、促進(jìn)地學(xué)教學(xué)深入，具有重要意義。

2 地學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是教師將理論知識(shí)、分析方法和教學(xué)實(shí)例等經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)整合變成網(wǎng)絡(luò)上的內(nèi)容，學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行學(xué)習(xí)的過(guò)程[10]，而地學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)除此之外，還有如下特點(diǎn)：

（1）地學(xué)的研究對(duì)象為地球，區(qū)域范圍大、資料數(shù)據(jù)海量，研究的尺度，水平方向從一個(gè)社區(qū)村鎮(zhèn)到全球，垂直方向從地?；舴蛎娴酱髿鈱印?shù)據(jù)需要按照空間分布特征進(jìn)行有序組織、整合保存，建立一個(gè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)[11－12]。

（2）地球科學(xué)研究的對(duì)象處在不斷變化的過(guò)程之中，而且這些變化具有不同的時(shí)間尺度，比如一個(gè)河流曲流裁彎取直的地貌過(guò)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(shí)間。一個(gè)自然變化的開(kāi)始、中間到結(jié)束組成一個(gè)時(shí)間序列，因此地學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)需要多個(gè)時(shí)間段的資料，用來(lái)動(dòng)態(tài)地恢復(fù)地球變化過(guò)程，或模擬其發(fā)展趨勢(shì)[[13]。

（3）地學(xué)研究的對(duì)象是自然界的實(shí)體，圖形化、圖像化是地學(xué)現(xiàn)象特征的表達(dá)方式。展示地學(xué)的現(xiàn)象最好的方式是將自然景觀用圖片、圖像、素描圖等進(jìn)行演示。比如：地貌學(xué)教學(xué)研究地球表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)，需要用地貌的各種景觀圖介紹這種現(xiàn)象；地質(zhì)學(xué)研究地下的巖石圈的內(nèi)部構(gòu)造和組成，需要用地層的圖示表示。野外調(diào)查是讓學(xué)生了解地學(xué)知識(shí)的重要手段，但是由于時(shí)間和空間的原因，僅從有限的時(shí)空不能了解到地球整體特征，利用積累的資料進(jìn)行圖示化的編輯，可以提高地學(xué)的效果。

（4）地學(xué)研究的對(duì)象之間是相互影響、相互作用、相互依存和相互反饋的，通過(guò)信息實(shí)現(xiàn)調(diào)控，才能認(rèn)識(shí)全球?qū)哟闻c區(qū)域?qū)哟沃g的相互作用，這也就是我們所說(shuō)的地球系統(tǒng)科學(xué)[14]。利用地學(xué)資料模擬地學(xué)環(huán)境，可視化地再現(xiàn)地球的局部或整體的現(xiàn)象，以及構(gòu)建地球系統(tǒng)模型，調(diào)節(jié)氣候變化、水文、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、人類(lèi)活動(dòng)等自然和人為影響因素，查看地球系統(tǒng)變化過(guò)程、變化結(jié)果以及變化帶來(lái)的效應(yīng)，使學(xué)生從中學(xué)習(xí)地球系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、演變機(jī)制等知識(shí)，提高學(xué)生的發(fā)散思維和系統(tǒng)綜合分析能力。

3 地學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

地學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建需要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、學(xué)生教師互動(dòng)、教學(xué)多媒體演示、虛擬現(xiàn)實(shí)可視化顯示等功能，實(shí)現(xiàn)地學(xué)教學(xué)中的多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的要求。在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、GIS技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等[15]。

3.1 地學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)主要組件

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。用于存儲(chǔ)教學(xué)參考文獻(xiàn)、地學(xué)數(shù)據(jù)、地圖等資料。地學(xué)數(shù)據(jù)有空間特征，具有GIS的屬性，以進(jìn)行地學(xué)空間分析的教學(xué)。

（2）查詢(xún)檢索模塊。按照地點(diǎn)、時(shí)間、內(nèi)容檢索依據(jù)課程安排地學(xué)資料和參考文獻(xiàn)，進(jìn)行課堂作業(yè)、野外實(shí)習(xí)、專(zhuān)題論文的資料收集。

（3）多媒體播放模塊。播放地學(xué)專(zhuān)題視頻、教學(xué)課堂視頻。

（4）教學(xué)課件。學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)教學(xué)內(nèi)容。

（5）教學(xué)信息發(fā)布模塊。

（6）地學(xué)場(chǎng)景模型模塊。通過(guò)利用地學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建的模擬地學(xué)場(chǎng)景，仔細(xì)觀察地學(xué)現(xiàn)象的形態(tài)，再現(xiàn)自然界真實(shí)的自然景觀。

（7）地學(xué)過(guò)程模型模塊。在一個(gè)利用地學(xué)資料構(gòu)建的模擬場(chǎng)景中，通過(guò)選擇互動(dòng)方式，設(shè)定一定的地學(xué)環(huán)境和條件，查看一定時(shí)間下模擬模型變化的過(guò)程和產(chǎn)生的結(jié)果。

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

（9）互動(dòng)交流討論模塊。學(xué)生之間、師生之間進(jìn)行交流、提問(wèn)、答疑等活動(dòng)，以及學(xué)生網(wǎng)上作業(yè)提交，教師修改、反饋，學(xué)生網(wǎng)上答題自測(cè)和教師打分等。

3.2 地學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

地學(xué)教學(xué)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和用戶(hù)層，見(jiàn)圖1。

圖1 地學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)層主要有地質(zhì)、地理、氣象、生物、環(huán)境等各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)、資料、圖件和文獻(xiàn)，建有地學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，作為整個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)支撐。應(yīng)用層包括：課程教學(xué)模塊，含教學(xué)資料（課程介紹、教學(xué)大綱、教學(xué)日歷等）、多媒體課件、教學(xué)視頻錄像；訓(xùn)練拓展模塊，含3D場(chǎng)景模型、虛擬現(xiàn)實(shí)過(guò)程模型和變化模型；互動(dòng)交流模塊，含網(wǎng)上答疑模塊、練習(xí)／考試模塊和自檢／教師批改模塊等。網(wǎng)絡(luò)層采用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教與學(xué)，用戶(hù)層包括教師、學(xué)生和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)管理員。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）地學(xué)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)與一般的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)既有共性，也有特殊性。地學(xué)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)不僅需要課件共享及教學(xué)的互動(dòng)交流，還需要建立地學(xué)資料、地學(xué)模型等信息數(shù)據(jù)庫(kù)，作為一個(gè)為教學(xué)所用的教學(xué)平臺(tái)，不但能補(bǔ)充課堂上所學(xué)知識(shí)內(nèi)容，還能根據(jù)平臺(tái)上提供的地學(xué)資料和模型，結(jié)合社會(huì)實(shí)踐，完成一個(gè)地學(xué)環(huán)境和條件的設(shè)計(jì)專(zhuān)題，在有效利用地球資源、人地協(xié)調(diào)共存方面得到拓展訓(xùn)練。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化連接，學(xué)生可以分組或單個(gè)設(shè)計(jì)模擬，在資源開(kāi)采、環(huán)境保護(hù)、城市規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)等方面進(jìn)行地學(xué)應(yīng)用的實(shí)踐，如采用競(jìng)爭(zhēng)和約束的策略來(lái)進(jìn)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(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)包括了學(xué)生互動(dòng)、教學(xué)內(nèi)容和虛擬3D的模塊，這些技術(shù)和模塊使教學(xué)更加深入，并提高學(xué)生的興趣，提高了教學(xué)效率和效果，為社會(huì)培養(yǎng)了高素質(zhì)的決策型人才。

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