劉善偉, 萬劍華, 祝德顯

(中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580)

移動(dòng)GIS技術(shù)輔助下的野外實(shí)踐教學(xué)新模式

劉善偉, 萬劍華, 祝德顯

(中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580)

將移動(dòng)GIS技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)領(lǐng)域,基于Android平臺開發(fā)了野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng),為學(xué)生和教師提供了一個(gè)便攜的地質(zhì)實(shí)習(xí)仿真環(huán)境。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用,形成了虛實(shí)結(jié)合的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)新模式,提高了學(xué)生野外地質(zhì)實(shí)習(xí)的效果,改善了實(shí)習(xí)教師的教學(xué)質(zhì)量,較好地解決了學(xué)校地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)的一些不足,成為傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方式的重要補(bǔ)充。

野外實(shí)習(xí)； 移動(dòng)GIS； 教學(xué)輔助系統(tǒng)

移動(dòng)地理信息系統(tǒng)(GIS),是以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為支撐、以智能手機(jī)(內(nèi)置GPS)為終端的地理信息系統(tǒng)。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展和智能手機(jī)的普及,移動(dòng)GIS成為繼桌面 GIS、WebGIS之后又一新的技術(shù)熱點(diǎn)[1-4],能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地儲(chǔ)存、獲得、更新、處理、分析和顯示地理信息,適合在野外實(shí)踐教學(xué)過程中提供地理位置服務(wù)。我校擁有國家重點(diǎn)學(xué)科——礦產(chǎn)普查與勘探和國家重點(diǎn)(培育)學(xué)科——地球探測與信息技術(shù),歷來重視地質(zhì)實(shí)踐教學(xué)工作,每年都要花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間來組織千余名學(xué)生開展各種野外地質(zhì)實(shí)習(xí)。但由于帶隊(duì)教師少而學(xué)生多、實(shí)習(xí)點(diǎn)數(shù)量大且分散等客觀因素,學(xué)生并不能觀察到所有的典型地質(zhì)現(xiàn)象,且實(shí)習(xí)過程中采用邊走邊講的方式,存在學(xué)生“聽不清、聽不懂”的情況,難以保證高質(zhì)量的實(shí)習(xí)效果。近年來,隨著GIS在地學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用,GIS與傳統(tǒng)地質(zhì)實(shí)習(xí)緊密結(jié)合,利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬野外地質(zhì)實(shí)習(xí)系統(tǒng)逐漸成為主流[5-8],但受PC終端性能、數(shù)量及不便攜帶等條件制約,無法在實(shí)習(xí)過程中為廣大學(xué)生提供實(shí)時(shí)幫助,應(yīng)用前景不夠廣闊。針對上述問題 ,基于移動(dòng)GIS技術(shù)建設(shè)了野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上,探討形成了虛實(shí)結(jié)合的地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)新模式,并從學(xué)生、教師和學(xué)校3個(gè)層面評價(jià)其教學(xué)效果,為相近學(xué)科的野外實(shí)踐教學(xué)提供了一種途徑。

1 野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 數(shù)據(jù)特點(diǎn)

數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng)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(gè)實(shí)習(xí)區(qū)25條實(shí)習(xí)路線的各個(gè)實(shí)習(xí)點(diǎn)地質(zhì)特征(巖性、地層、沉積、構(gòu)造),并配以圖片、視頻、錄音等數(shù)據(jù)。在區(qū)域空間范圍上,實(shí)習(xí)基地包含實(shí)習(xí)區(qū)、實(shí)習(xí)路線、實(shí)習(xí)點(diǎn)等3級,層層細(xì)化，并基于地質(zhì)特征,將地質(zhì)實(shí)習(xí)內(nèi)容分為巖性、地層、沉積、構(gòu)造等特征類型。某個(gè)實(shí)習(xí)點(diǎn)可能對應(yīng)1個(gè)或多個(gè)地質(zhì)特征,需要理清上述之間的詳細(xì)關(guān)系,在此基礎(chǔ)上,針對每個(gè)實(shí)習(xí)點(diǎn)上的所有地質(zhì)特征逐個(gè)獲取詳細(xì)信息,包括點(diǎn)號(名)、坐標(biāo)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(tǒng)功能

野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng)包括地圖顯示、導(dǎo)航定位、地質(zhì)信息查詢、地質(zhì)信息采集、測距等功能,見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能

(1) 地圖顯示。地圖是野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ),是學(xué)生與系統(tǒng)進(jìn)行交互的開始,良好的地圖交互能夠提高實(shí)習(xí)的效率。該模塊調(diào)用天地圖的地圖服務(wù),包括地圖顯示、基本地圖操作(縮放、漫游等)。

(2) 導(dǎo)航定位。包括“自動(dòng)模式”下GPS定位和“人工模式”下手動(dòng)定位:GPS定位用于野外地質(zhì)實(shí)習(xí)過程中,系統(tǒng)自動(dòng)獲取學(xué)生位置并提示是否需要查詢當(dāng)前位置附近的實(shí)習(xí)點(diǎn)；手動(dòng)定位則用于實(shí)習(xí)前后學(xué)生通過人工查詢功能來預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)實(shí)習(xí)點(diǎn)的內(nèi)容。

(3) 地質(zhì)信息查詢。該功能是系統(tǒng)的核心功能模塊,包括“自動(dòng)模式”查詢和“人工模式”查詢:“自動(dòng)模式”查詢使用GPS定位,當(dāng)學(xué)生到達(dá)某一實(shí)習(xí)點(diǎn),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示已到達(dá)該區(qū)域,并彈出信息查詢對話框,學(xué)生可以根據(jù)需要對當(dāng)前位置進(jìn)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(shí)習(xí)區(qū)域、實(shí)習(xí)路線、實(shí)習(xí)點(diǎn),并查詢該點(diǎn)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(diǎn)擊查詢方式。

(4) 地質(zhì)信息采集。在野外地質(zhì)實(shí)習(xí)過程中,學(xué)生通過該功能實(shí)現(xiàn)對某地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象的位置的地圖標(biāo)注,還可以針對該標(biāo)注點(diǎn)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(shí)結(jié)合的教學(xué)新模式

基于Android平臺的虛擬野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng),利用智能手機(jī)的便攜性將野外地質(zhì)實(shí)習(xí)與移動(dòng)GIS相結(jié)合,開啟了新的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)模式。

2.1 虛擬教學(xué)

野外地質(zhì)實(shí)習(xí)的主要內(nèi)容是,學(xué)生通過教師講解的方式對野外地質(zhì)現(xiàn)象及其演變進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí),包括實(shí)習(xí)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造概況簡介、局部構(gòu)造形態(tài)以及地質(zhì)發(fā)展簡史。相較于傳統(tǒng)的教師現(xiàn)場講解方式,系統(tǒng)以文本、全景圖片、動(dòng)畫、音頻、視頻等形式呈現(xiàn)教師講解內(nèi)容,學(xué)生基于地質(zhì)信息查詢功能可以在實(shí)習(xí)前后對地質(zhì)實(shí)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí),彌補(bǔ)實(shí)習(xí)時(shí)學(xué)生錯(cuò)過教師講解或沒有聽清等情況,是一種虛擬教學(xué)方式?；诘貓D的查詢界面見圖2。

圖2 信息查詢界面

2.2 野外教學(xué)

地圖是地質(zhì)實(shí)習(xí)的數(shù)據(jù)載體,而GPS導(dǎo)航則是連接實(shí)習(xí)者與地圖的中間部分。學(xué)生實(shí)習(xí)過程中,系統(tǒng)通過自動(dòng)模式下GPS定位自主獲取學(xué)生的當(dāng)前位置,判斷學(xué)生是否位于實(shí)習(xí)點(diǎn)附近,若位于實(shí)習(xí)點(diǎn)附近,系統(tǒng)將會(huì)提示實(shí)習(xí)者已進(jìn)入xx實(shí)習(xí)點(diǎn)并自動(dòng)彈出信息查詢框,在此基礎(chǔ)上學(xué)生可以查看該實(shí)習(xí)點(diǎn)的各類信息,實(shí)現(xiàn)無教師引導(dǎo)狀態(tài)下的自我學(xué)習(xí)；當(dāng)面對新的或不明確的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象時(shí),可以借助地質(zhì)信息采集功能,將該地質(zhì)現(xiàn)象的所在位置標(biāo)注在地圖上,并對該標(biāo)注點(diǎn)進(jìn)行文本編輯、拍照以及錄制視頻保存到本地,實(shí)現(xiàn)對該現(xiàn)象的復(fù)現(xiàn),見圖3。

圖3 地質(zhì)信息采集界面

3 教學(xué)效果評價(jià)

野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng)的建立,解決了野外地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的諸多問題。

3.1 提升了學(xué)生地質(zhì)實(shí)習(xí)的效果

(1) 突破了實(shí)習(xí)的局限性。傳統(tǒng)的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)由于受時(shí)間、地點(diǎn)、天氣、經(jīng)費(fèi)等條件限制,學(xué)生不能走遍所有的典型地質(zhì)現(xiàn)象實(shí)習(xí)點(diǎn),且很多地質(zhì)現(xiàn)象存在不能采取實(shí)驗(yàn)標(biāo)本的問題,實(shí)習(xí)有很大的局限性。特別是野外地質(zhì)實(shí)習(xí)不同于室內(nèi)參觀實(shí)習(xí),一旦遇到雨、雪等惡劣天氣,實(shí)習(xí)就被迫中止,實(shí)習(xí)計(jì)劃和進(jìn)度會(huì)受到影響；另外,省外的實(shí)習(xí)地點(diǎn),距離比較遠(yuǎn),有些典型地質(zhì)地貌實(shí)習(xí)點(diǎn),沒法讓所有學(xué)生去野外采樣,而野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng)的建立,突破了傳統(tǒng)實(shí)習(xí)的局限性,通過構(gòu)建較為全面的地質(zhì)現(xiàn)象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),有效解決了上述問題。

(2) 解決了實(shí)習(xí)的呆板性。對學(xué)生而言,與其在教室課堂上或者互聯(lián)網(wǎng)上觀看文字和圖片,不如像親臨現(xiàn)場般地去觀察野外地質(zhì)現(xiàn)象和環(huán)境。傳統(tǒng)的地質(zhì)實(shí)習(xí),到現(xiàn)場觀察的僅僅是經(jīng)過長年累月地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的地質(zhì)現(xiàn)象,難以直觀地再現(xiàn)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的全過程。野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng)的建立,不但可以讓學(xué)生查看典型地質(zhì)現(xiàn)象的圖片、文字等,而且能夠通過二維、三維動(dòng)畫、實(shí)習(xí)全景圖像等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),生動(dòng)展示實(shí)習(xí)點(diǎn)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)全過程。

(3) 改變了實(shí)習(xí)的單一性。傳統(tǒng)的野外地質(zhì)實(shí)習(xí),先是由教師進(jìn)行理論講解,再由學(xué)生野外實(shí)地觀察,模式單一。野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng)的建成,為學(xué)生實(shí)習(xí)搭建了虛實(shí)結(jié)合的橋梁和平臺,學(xué)生可通過虛實(shí)結(jié)合、理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式,提前“預(yù)習(xí)”和課后“復(fù)習(xí)”,對野外地質(zhì)現(xiàn)場實(shí)習(xí)效果起到有效的補(bǔ)充與強(qiáng)化作用,從而達(dá)到牢固掌握知識的目的。

3.2 改善了教師的實(shí)習(xí)教學(xué)質(zhì)量

(1) 促進(jìn)了青年教師的培養(yǎng)。青年教師的培養(yǎng),直接決定教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng)建成后,顯著改善了青年教師實(shí)習(xí)教學(xué)備課時(shí)可供觀摩的實(shí)習(xí)資料不足的問題。本系統(tǒng)通過錄制有豐富經(jīng)驗(yàn)的老教師的實(shí)習(xí)教學(xué)視頻,為青年教師觀摩學(xué)習(xí)提供了資料庫,提高了青年教師野外實(shí)習(xí)教學(xué)備課的效率和實(shí)際教學(xué)效果,同時(shí)也為課堂教學(xué)提供了素材。

(2) 增加了實(shí)習(xí)教學(xué)的趣味性。借助于野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng),教師既可以豐富課堂教學(xué)內(nèi)容,又可以利用GIS和遙感技術(shù)輔助實(shí)踐教學(xué),在多學(xué)科交叉融合的氛圍下,提高了野外地質(zhì)實(shí)習(xí)的趣味性,還可以在野外實(shí)習(xí)過程中根據(jù)系統(tǒng)中提供的地圖,更加合理地安排實(shí)習(xí)路線,提高實(shí)習(xí)質(zhì)量。

3.3 較好解決了學(xué)校地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)的某些不足

(1) 緩解了實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)緊張的矛盾。野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng)的建成,拓展了學(xué)生實(shí)習(xí)的時(shí)間和空間,足不出戶就可以對各種野外地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行全面、生動(dòng)的觀察學(xué)習(xí),在一定程度上緩解了學(xué)校實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)緊張、某些實(shí)習(xí)點(diǎn)難以進(jìn)行實(shí)地考察的問題。

(2) 豐富了實(shí)習(xí)基地建設(shè)的模式。因受到資金、場地、企業(yè)積極性不高等因素的影響,近年來學(xué)校實(shí)習(xí)基地建設(shè)工作相對滯后,實(shí)習(xí)基地建設(shè)模式相對單一。本系統(tǒng)提供了一個(gè)高度集成、功能完善的虛擬實(shí)習(xí)基地,為相關(guān)、相近學(xué)科和專業(yè)的實(shí)習(xí)基地建設(shè)提供借鑒,豐富了學(xué)校實(shí)習(xí)基地建設(shè)的模式。

(3) 提升了學(xué)校人才培養(yǎng)的質(zhì)量。野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng)的建成,既豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、縮短實(shí)習(xí)時(shí)間、提高實(shí)習(xí)效率,又幫助教師豐富了教學(xué)手段、提升教學(xué)效果,整體促進(jìn)了學(xué)校人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

4 結(jié)論

基于Android平臺的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)輔助系統(tǒng),將移動(dòng)GIS技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)領(lǐng)域,為學(xué)生和教師提供了一個(gè)便攜的地質(zhì)實(shí)習(xí)仿真環(huán)境,很好地解決了傳統(tǒng)虛擬地質(zhì)實(shí)習(xí)系統(tǒng)移動(dòng)性差、無法提供實(shí)時(shí)應(yīng)答的問題。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用,形成了虛實(shí)結(jié)合的野外地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)新模式,提升了學(xué)生野外地質(zhì)實(shí)習(xí)的效果,改善了實(shí)習(xí)教師的教學(xué)質(zhì)量,較好地解決了學(xué)校地質(zhì)實(shí)習(xí)教學(xué)的一些不足,可以作為傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方式的重要補(bǔ)充,對于地學(xué)學(xué)科的野外實(shí)踐教學(xué)具有推廣應(yīng)用前景。

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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(xué)(華東)教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革重點(diǎn)項(xiàng)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(xué)應(yīng)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