创建山地环境虚拟仿真实验教学中心的思路

　　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.

　　?P键词： 山地环境；虚拟仿真；实验教学中心

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

　　中图分类号：G640 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）18-0187-02

　　0 引言

　　实验教学一直是高校本科人才培养工作中不可或缺的重要组成部分，关系着培养人才的实践能力和创新能力[1，2]。传统实验是完成具有“代表性”和“普适性”的“规定动作”，极大地制约了对学生动手能力及创新能力的培养。此外，传统实验室的建设经费投入不可小觑，“投入产出比”往往受到质疑。建设虚拟仿真实验教学中心能有效降低实验成本、扩大受益面、解决优质实验资源共享等问题[3]，为实践教学改革提供了新思路。

　　虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学目的[4]。虚拟仿真实验教学中心能够实现虚实结合、相互补充，具有真实实验不具备或难以完成的教学功能，能为涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况，提供可靠、安全和经济的实验项目。可以说，虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容，体现出信息技术与教育教学融合发展和与学科专业深度融合带来的实验教学改革与创新[5]。

　　目前在全国范围内建成有不同级别与教学目的的虚拟仿真实验中心，但能极大推动地理学、生态学等相关专业在山地环境领域进行特色化建设的山地环境虚拟仿真实验教学中心尚未见报道。本文以重庆师范大学建设重庆山地环境虚拟仿真实验教学中心为例，分析并提出建设思路。

　　1 山地环境的复杂性及构建虚拟仿真实验教学中心的必要性

　　山地环境是一个复杂的巨系统，其中涉及到自然、人文、经济社会诸方面各种要素、过程及其相互作用[6]。山地环境的复杂性具体体现在三个层面：一是环境要素宽泛，包括水、土、气、生、人等与地表有关的自然和人文因素，这些因素在地表过程上会产生复杂的耦合效果；二是环境过程的尺度效应，对于某一具体过程来讲（如水土流失），不同的尺度下，其影响因素和影响机制均不相同；三是山地地貌的复杂性，山地复杂地貌相对于平原、丘陵地貌具有更大的坡度和地形分异，所以对外界驱动力表现出更大的敏感性，其地表过程往往更为剧烈和复杂。山地环境的复杂性为目前高校地理学、生态学、地质学等相关专业在山地过程领域的实验教学带来一定的困难，而建设山地地表过程虚拟仿真实验教学中心能够整合海量的山地地学数据资源，形成丰富的虚拟仿真教学资源，实现山地环境的虚拟模拟，有利于对原有各自然学科实验教学体系进行完善、整合、重新设计，提高教学效率，培养创新性人才。

　　2 山地环境虚拟仿真实验教学中心创建思路

　　针对山地环境的复杂性，创建山地环境虚拟仿真实验教学中心，必须在具有一般虚拟仿真实验教学中心优点的基础上，拥有对山地复杂环境进行虚拟仿真和实验教学的能力，能服务于地理学、生态学、水科学、地质学等专业的山地环境实验教学，达到推动高校实验教学改革与创新，提高高等教育实验教学质量的目标。

　　2.1 山地环境信息采集及数据库构建

　　山地环境信息采集及数据库构建是山地环境虚拟仿真实验教学中心构建的数据、资源储备环节。山地过程复杂且具有极强的区域特色性质，这决定了虚拟仿真实验必须在遵循实际自然过程的基本前提下进行虚拟仿真，才能达到虚实结合，教学内容科学客观的目的。面对复杂山地过程，应形成“空天地”一体化多尺度地学信息采集能力。遥感技术的发展极大地提高了空间数据数据的获取能力，如Landsat系列卫星、EOS系列卫星、中国高分系列卫星、法国的SPOT系列卫星以及美国的WordView系列卫星能提多尺度遥感产品，成为山地环境重要信息源。但在微地形尺度上，上述产品不具备服务能力。无人机技术的最新发展可成为微地形尺度山地环境信息获取的支撑。有必要进行无人机遥感平台的建设，利用无人机搭载高光谱成像仪、多光谱相机，进行山地地表过程的精细化观测，结合野外移动工作站形成对山地环境多层面、立体化、高清晰度数据采集能力。最后，建设高性能地学集群计算，建成山地环境数据库。 　　2.2 山地环境虚拟仿真平?_构建

　　山地环境虚拟仿真平台的构建包括两个部分，搭建虚拟仿真实验硬件设施和相关实验教学资源（实验模块）的构建，其中以后者最为关键。实验模块按照基础性、综合性和创新性三大实验层次进行设计。基础性实验模块是进行实验教学的初始阶段，起到对学生基础知识积淀、基本技能锻炼的作用；面向山地环境虚拟仿真实验教学，基础性实验模块可以包括无人机飞行技术模块、地理信息技术实验模块、遥感图像处理模块、空间数据处理实验模块等（见图1）。综合性实验模块起到对学生能力的进一步提升作用，针对山地环境虚拟仿真实验教学，综合实验模块可包括山地地表过程实验模块、无人机遥感应用实验模块、虚拟现实实验模块等。创新性实验模块注重对地区特色的深入挖掘和创新，针对重庆山地环境虚拟仿真实验教学，创新实验模块可包括，三峡库区水环境监测虚拟仿真模块、重庆山区景观生态过程虚拟仿真模块等。

　　2.3 山地环境仿真信息研发应用团队和运行机制构建

　　山地环境虚拟仿真实验教学中心的运行需要组建研发和应用团队以及建立一套高效、可行的运行机制。可建设研发、教学和管理三个团队并行的运行体系。研发团队主要负责仿真教学资源的设计与开发，同时开展相应的科学研究工作；实验教学团队则集中完成中心安排的实验教学任务；管理团队主要负责中心的运行、管理、维护与信息化建设。对于一个高校的山地地表过程虚拟仿真实验教学中心，其意义虽是为学生提供实验教学服务，但做为高校的重要智库，理应成为科研的原创地。只有在原创性上具有引领作用，才能培养出更高层次的人才。因此，山地环境虚拟仿真实验教学中心团队的建设需以吸纳和培养原创性人才为重点，强化团队中地理学、生态学、地质学等相关领域的山地专家的支撑作用，及其对青年教师的指导和带动作用。

　　2.4 山地环境虚拟仿真教学、研究与服务

　　山地环境虚拟仿真实验教学中的功能以教学为主体，以研究为撑，同时兼备对外提供服务的能力。对于教学而言，可以面向如地理学、生态学、水文学、生物学、地质学、土壤学等多个专业学科的学生，提供实验教学。教学过程中应注重学生参与程度，尽量使学生从数据采集和建库，到如何构建实验模块，以及后来实现虚拟仿真进行全过程的参与。通过提高学生参与科研的程度，增加学生实习机会，锻炼学生动手能力，进而培养出专业性人才、复合型人才、创新性人才。山地环境虚拟仿真实验中心通过整合海量的山地数据，可在山地环境管理、山地地理环境模拟、山地生态环境监测、山地灾害应急评估、等方面实现虚拟模拟，产生较高科研价值。另外，重庆山地环境虚拟仿真实验教学中心可通过整合先进的地理信息技术、云计算、物联网、大数据、移动互联网等先进技术，立足重庆，辐射全国，为社会各界提供山地环境虚拟仿真实验教学资源的共享服务。

　　3 结论

　　从实验教学最新发展趋势来看，开展虚拟仿真实验教学中心建设是新时期下高校本科人才培养中的一个重要任务，也是未来实验教学发展的必然趋势。山地环境复杂，是地理相关学科专业实验教学的难点。山地环境虚拟仿真实验教学中心的建立能较大推动高校山地环境实验教学的改革。山地环境虚拟仿真实验教学中心的建立需要形成“空天地”一体化多尺度地学信息采集和存储能力；山地环境虚拟仿真实验模块的设置需形成基础性、综合性和创新性三大实验层次，在第二层次注重学生对山地环境分析能力的培养，第三层次注重学生依据山地环境特色的创新能力的培养。山地环境虚拟仿真实验教学中心的建立，要注重科研原创性的支撑意义，有必要构建“教学、研究与服务”功能三位一体，“研发、教学和管理”三个团队并行的运行机制。

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