“互联网+”大学地理野外实习新模式与实践

孔祥生，钱永刚，杜国云，张云吉，由秀萍

1.鲁东大学 资源与环境工程学院，山东 烟台 264025;

2. 中国科学院 光电研究院定量遥感信息技术重点实验室，北京 100094;3.山东省烟台第二中学，山东 烟台 264000

“互联网+”大学地理野外实习新模式与实践

孔祥生1，钱永刚2，杜国云1，张云吉1，由秀萍3

1.鲁东大学 资源与环境工程学院，山东 烟台 264025;

2. 中国科学院 光电研究院定量遥感信息技术重点实验室，北京 100094;3.山东省烟台第二中学，山东 烟台 264000

野外实践教学是高校地理学人才培养的重要环节。传统实习中，地理信息呈现的模式是以教师讲解、学生观察、数据采集、用纸和笔描述与记录有关信息展开的。在“互联网+”背景下，提出以智能手机、平板电脑等移动设备为工具，以第三方免费应用软件为基础，以地理坐标为纽带，采集文字、图片、音频、视频等地理数据及岩性产状信息，实时记录点、路线等实习内容，分组协同完成野外实习工作，远程指挥野外实习，探索野外自然地理实习新模式。该模式能高效记录信息，有效再现实习场景，共享实习内容，推动地理学野外实践教学手段和技术创新，为高校地理学科野外现场教学改革提供借鉴和启示。

移动设备；地理实习；实践教学改革； 互联网+

自然地理野外实践教学是地理学教学的关键环节，在培养高素质具有创新精神的地理学人才中发挥着极其重要的作用，自然地理实践教学改革是当前地理学教学改革的核心内容之一[1-2]。随着地理信息系统（GIS）、遥感（RS）及全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的应用和普及，3S技术及虚拟现实技术在辅助野外地理实践教学中发挥着重要作用[3-5]。智能手机也开始应用于地理实习教学，设计开发了基于Flex和Google Maps API的地理实习平台，初步实现了智能手机辅助野外地理实践教学新模式[6]。

野外实践教学就是通过设计精品实习路线、教师逐点讲解、示范操作等形式，学生以传统工具的野外观察、调查、测量为主的实习方法，难以与大尺度的地质地貌、土地利用、植被覆盖等图件结合使用。传统的自然地理野外实习手段仍然存在不少问题，主要表现在：（1）数据采集设备多，如地质锤、罗盘、放大镜、卫星定位导航等工具，便捷性差。（2）数据类型多，统一管理差。采集数据包括文字、照片、视频，还包括携带的卫星遥感影像图、地形图、地质图等，迫切需要一个便捷性集成数据管理平台。（3）采集的经纬度坐标、图片、文字笔记、草图、测量信息的组内/组间实时共享差、室内外的远程指挥不够，协同性不足。

移动设备（如智能手机、PDA等）的发展提高了人们获取信息的能力[7]。高性能CPU、大内存、高容量存储器、高分辨率相机、内置GPS芯片及重力感应器、陀螺仪与距离感应器等集成元器件极大地强化了手机的信息获取及传递能力，“互联网+”教育为实践教学改革提供了强大发展空间。基于智能手机的移动应用（Application，APP）得到了迅速发展，地图APP、定位导航服务APP、放大镜APP等与地理信息有关的APP为野外地理工作提供了便利条件。总之，智能手机的普及与APP的多样化，GPS定位芯片及多种传感器的集成化，为以智能手机为工具手段的自然地理野外实习新模式构建提供了可能。本文提出了智能移动设备辅助自然地理野外实践教学新模式，200多人次的教学实践表明，该模式具有一定的创新性及应用价值。

一、“互联网+”野外地理实践教学新模式与实践

新技术与新设备，不但方便了人们的生活，也为高性能移动终端设备及其强大的APP辅助野外工作提供了便利条件，结合自然地理实践教学改革需求，基于高效、便捷、共享、协同的原则，构建了“互联网+”野外地理教学实践新模式。

1.构建原则

（1）便捷原则。

野外工作最大的特点是教学环境改变，由室内改到了野外，由静止改为移动。适合野外的教学工具遵循的基本原则是携带便捷性原则，方便地浏览实习地地质地貌概况，记录实习路线及观测点信息。从工具的重量、大小、普及率等方面考量，智能手机的重量一般为200 g左右，屏幕尺寸大小为4～6英寸，可以满足随身携带、操作便捷的要求。

（2）集成原则。

野外实践教学需要一些图件，如地质图、卫星遥感影像图、地形图、交通图等资料，还需要一些测量工具，如罗盘、测绳、BDS、GPS等，为方便野外工作，需要将多源的资料管理、数据采集、记录有效地集成在一起，为野外实习提供高效服务。

（3）共享协同原则。

野外实践教学具有分组特性，这要求实时共享实习讯息，通过网络，以微信、QQ及KML等方式实时共享各种讯息，通过大数据及云端共享实现学生间、师生间、组间的信息，实现野外实习的远程指挥与交流。

（4）费用低廉原则。

野外实践教学是一种花费较高的教学活动，借助学生自己的智能移动终端工具及免费的手机APP，在不降低实习要求的前提下，节省购置费用，更好地为实践教学服务。

图1 互联网+辅助自然地理实践教学新模式

2.野外地理实习新模式

在上述原则基础上，构建了野外地理实践新教学模式（图1）。该模式分为3层：第一层为数据层，以图层的形式，管理着高分辨率的卫星影像、地形图、交通图、水系图；第二层为应用层，智能终端上安装的一些APP，如户外助手、岩石产状APP、放大镜、电子指南针等；第三层为共享层，该层完成实习讯息的共享及远程协同指挥。

图2 基于智能移动设备的野外分组与远程指挥模式

移动终端网络连接分为定位服务连接和通讯服务连接两种方式（图2）。基于BDS、GPS或者GNSS等定位导航卫星的定位服务为卫星广播式服务，无须基站，智能终端基本上都能接收到定位信号，信号盲区较少。在城市和高山地区，卫星信号受到阻挡，定位精度低一些。尽管智能终端可以实时定位导航，组间组内师生间可以通过网络共享信息。但为有效节省通信费用，或者防止一些地区无网络服务，可以在有网络的地方，尤其是提供无线服务情况下，浏览实习区域并将该区域影像下载到本地终端，在无网络连接时，也不会影响影像显示及定位导航服务。

实现组和师生间实习讯息实时共享需要移动通信网络服务。此时，需要保持通信畅通，这对处于一些网络信号盲区的情况下，协同和共享任务将无法完成。

智能移动终端的APP很多，比如满足户外运动用功能的户外助手[8]、六只脚[9]等，满足导航服务的高德地图、百度地图等[10]，还包括满足一些专业需求的APP，如岩性记录仪Rocklogger[11]，地质罗盘Geocopass[12]，满足放大功能的放大镜APP等。

表1 移动智能设备APP基本功能对比分析

结合实习要求，从操作系统的通用性、使用方式、经纬度、采集数据类型及数据的共享性等方面，对一些APP进行了评价分析（表1）。根据地理实习的特点，在对表1进行综合评价的基础上，结合专家打分，野外实践教学的软件选择为户外助手、Rocklogger两种APP。

3.智能移动终端辅助野外实践教学

根据时间先后顺序，野外实践教学可分为室内准备阶段、野外实习阶段及总结交流阶段3个教学过程，重点介绍两种APP辅助自然地理野外实习实践。

（1） 室内准备阶段。

室内准备阶段主要工作有两项，实践教学新模式下，除了常规任务外，主要还涉及两项新的工作。一是软件筛选和学习使用，二是教学实习路线设计与优化。

①无线传屏软件讲解APP。多媒体教学已经成为当前最为重要的教学手段，通过无线传屏软件完成手机APP操作讲解的多媒体化过程。手机作为发射端，电脑及投影仪作为接收端，只要在手机端和电脑端分别安装相应软件，就可以实现手机—笔记本—投影仪间信息的无线传屏，解决了手机进行教学演示问题。

两步路户外助手（简称“户外助手”）是一款记录户外轨迹的APP[8]，是深圳市时代经纬科技有限公司开发的一款为户外爱好者提供户外服务的应用工具，其运行界面如图3a。

Rocklogger是澳大利亚Bramley Turner-Jones开发的一款岩石产状记录APP[11]，目前版本是V1.95，岩石产状测量APP与地质罗盘功能相似，其运行界面如图3b,通过该APP可以记录岩石产状信息。

户外助手野外实习时，点击图3a中的①，通过选择徒步、驾车等不同的运动方式，户外助手即可开始记录运动轨迹。在实习过程中，点击图3a中的⑧，选择添加兴趣点，根据提示向导，通过添加文字、图片、视频等方式，记录观察点，当完成了一条实习线路的记录，点击停止记录，完成一条观察路线的记录。路线可以保存在手机端或者上传到云端，通过导入导出KML文件，以KML文件的形式共享实习讯息。

图3 智能手机辅助野外地理实习部分APP界面

地质体记录APP（Rocklogger）运行后，可以通过操作手机记录不同地质类型的产状信息（图3b）。Rocklogger通过获取内置的GPS、陀螺仪、重力感应器信息，将测量点的经纬度坐标及倾角/倾向信息记录下来。测量时，手机贴在待测试岩石面上，这些信息自动显示在手机屏幕的相应位置上，通过长按（超过2秒）图3b中的⑦和⑨位置，即可将测量信息逐条填加到相应的记录后面。免费版本在2分钟内只能测试记录3个岩石面信息，注册版不受数量限制。

②Google Earth设计野外实习路线与加载到手机APP。野外实习路线设计阶段，要着力解决路线信息呈现新方式问题，即将实习路线、实习点设计为预设路线，能够加载到我们所选择的智能手机APP上，为我们野外实习做好导航、记录服务，野外实习路线设计工作建议在计算机端完成。Google Earth是目前最为广泛的数字地球客户端软件，具有强大的功能，可以用于野外实践教学[13]。借助Google Earth平台和KML文件格式，将户外助手记录的野外试验轨迹导出到Google Earth上显示。

（2） 智能手机APP辅助自然地理野外实习实践。

自然地理野外综合实习涵盖地质地貌、水文、植被、土壤等内容，通过优化自然地理实习路线，将实习内容有效整合，辅助以智能手机APP，改善野外实践教学效果。本文以鲁东大学在陕西咸阳地区和山东临沂地区两个实习基地为例，探讨智能手机APP辅助自然地理实践教学模式。

①3S技术辅助野外区域地质地貌。遥感图与地形图是表达一个地区地表和高低起伏的平面图件。户外助手APP可在两种图件中任意切换，结合GPS定位，根据遥感影像解译岩石类型，分辨道路、水系、植被及土壤等不同地表覆盖类型。加载等高线，根据等高线疏密判断地形起伏，结合GPS高程信息，加深对地形地貌的理解。

②地质地貌实习路线与观察点描述记录。限于篇幅，本文示例了陕西咸阳黄土地貌实习路线（图4a）和山东临沂岩石地层实习路线（图4b）。图4a中部黑色线为实习记录轨迹，全程记录了该实习所经过的地点，该实习路线上共有8个按照数字编号记录的观察点，点击不同的观察点，下方显示出对应观测点添加的标注信息，如图片、文字、视频等。浏览实习轨迹时，可以点击不同的记录点（图4a的编号8），其下方会出现记录时添加的图片和文本信息（图4a左下侧）。图4b中部黑色线标记了从实习开始的全过程，显示了4个观测点，按照观测时间的先后顺序，从小到大对观测点进行编号。每一个观测点，通过填加标注方式，填加了文字、图片、视频等资料。图4b下方，显示了该记录轨迹剖面的高度变化（黑色实线）和观测时的运动速度。

图4 智能手机APP辅助自然地理野外实习记录

③Rocklogger岩性产状测量。岩石产状要素包括走向、倾向及倾角。测量中，我们测到的是地理方位，但通过罗盘测量的是磁方向，地理方位与磁方向不重合。为了通过罗盘直接读取地理方位，需要将磁坐标转换为地理坐标。

Rocklogger测量时，选择岩石测量面的标准与地质罗盘一致，将手机背面摆放到岩石层面上，Rocklogger能读取重力仪和陀螺仪数据，根据GPS芯片的经纬度信息，计算出该层面的倾角及走向（倾角/走向模式），不需要地质罗盘磁偏角校正一套程序。Rocklogger测量走向时，手机的一侧靠近岩层面。调整手机平面，使得倾角大约在0°附近，此时显示的数值为该平面的倾角和走向。在导出的Excel 件中，显示包括测试时间、测试点经纬度坐标、高程、GPS卫星数量、产状信息（倾角/倾向）、磁场强度、定向类型、岩石类型及讨论等在内的近20条信息。

④上传共享与远程指挥。实习记录的内容以轨迹的形式生成了不同的记录文件，文件通过网络传输、云端及共享（图5）。文件首先保存在手机端（本地），通过操作上传到云端，小组成员及远程指挥人员，可以通过云端下载轨迹记录数据到本地，实现数据共享（图5a）。

咸阳实习点轨迹手机端和云端数据，可以通过一系列操作在Google Earth上显示，实现了远程协同（图5b）。通过手机相机的地理位置共享及打开GPS两个设置，手机拍摄的照片就有了地理位置信息。通过照片的传递，也可以实现远程指挥和协同。

图5 智能手机APP辅助自然地理野外实习上传共享

二、实践教学效果分析

自然地理野外实习效果是评价新模式成功与否的重要标志，也是整个实习的重要组成部分。利用智能手机APP辅助实习，是一次全新的尝试，师生对实习是否满意，是否达到了实习要求，对本次实习显得尤为重要。基于此，在鲁东大学2016年暑假自然地理实习中，用网络平台，设计了移动设备辅助自然地理野外实习问卷[14]，采用定量和定性分析相结合的方法，向近200名师生做了网上调查问卷与访谈，对结果进行了统计分析。

1. 智能手机APP的优势

在对该模式是否有助于提高实习效果的调查中，96.2%的同学给出了明确肯定回答。主要表现在APP能够方便记录实习轨迹，观察点信息表现生动直观，导出的KML文件能够与Google Earth共享，容易长久产生侵染式的回忆学习，方便后期实习总结。

在对户外助手APP应用拓展的调查中，有同学认为，该应用分别可以在旅游规划、户外活动、出差活动中发挥作用。在以何种方式回忆起本次野外实习回答中，翻看照片、翻看报告、查看实习轨迹3种方式分别占36.2%，23.2%和40.6%，查看实习轨迹超过了其他传统方式。

自然地理实践教学中使用信息呈现新模式，和传统手段相比，有95%的学生对方法表现出了浓厚的兴趣，学习的积极性和参与度得到了大幅度的提高，专业知识面得到了拓展，地理实践能力和综合素质得到了提升。

2. 存在的问题及对策

在实习准备阶段、实习过程中和最后的实习总结3个阶段，智能手机APP辅助野外实习模式中，突出的问题有两个：一是关于APP测量精度问题，一个是移动设备耗电快问题。

（1）测量精度问题与对策。

手机APP测量精度与传统测量精度定义相同，是指测量结果与真值的偏离程度。本文APP涉及的测量指标主要是经纬度坐标、高程、岩石产状等，其测量结果与真值的偏离程度，衡量着APP的测量精度。

智能手机定位精度约为15米，通过从实习记录的轨迹发现，一些区域和路段，记录轨迹出现了偏移（图4）。如实际沿着道路观察和记录时，APP记录轨迹可能偏离了道路，部分轨迹甚至出现了取直现象。一方面，这是定位卫星本身的精度引起的，20个测试点测试表明，手机GPS定位精度与独立的GPS（非差分GPS测量） 测量结果（经纬度坐标及高程数值）基本一致，精度相差无几。另一方面，主要是由于GPS信号受到建筑物、高山等的阻挡引起。随着卫星定位精度的提高，手机APP定位精度也将得到改善。

Rocklogger APP岩石产状测量精度主要依赖于GPS精度、陀螺仪传感器及重力仪传感器的测量精度。通过与水准测量结果相比较发现，Rocklogger与传统地质罗盘测量结果相近，13个测试点表明，二者精度相似，走向精度能达到0.5°左右，能够满足方位测量要求。随着手机内置传感器精度的提高，其测量精度也能得到大幅度提高。

（2）智能移动设备耗电问题与对策。

野外实习过程中，需要全程开启多个软件，这些软件增加了手机电量耗费。一方面，使得手机电量迅速降低（一般能使用4个小时左右）；另一方面，引起手机发热。解决上述问题，可以携带一个充电宝等备用电源；也可以在实习前，在手机上浏览实习区域，提前将该区域的影像下载在本地机上，减少野外在线下载数据时消耗的电能。

三、结论与讨论

智能手机APP辅助野外地理实习是“互联网+”教育在实践教学创新改革中的一次尝试，智能手机强大的互联网入网能力、多操作系统支持、APP应用的多样化、硬件快速的数据处理能力，使得智能手机在各行业的应用得到了深化[15-16]。该模式改善了传统自然地理实践教学资料工具不便携带状况，通过智能手机APP，有效管理遥感数据、地形数据，方便了实习数据采集及实习路线记录，使得野外实习信息共享和远程协同得以实现。

智能手机的通信功能得到了拓展，但需要认识到，地理实践教学效果的改善，并不仅仅通过手段的创新就能实现，自然地理野外实践教学是一个复杂的过程。智能手机APP能够高效采集经纬度、高程、岩石产状、照片等信息，但是，由于自然地理实习内容的广泛性和差异性，一些如风速、水流及岩石标本的采集等，都需要特殊的仪器或者工具才能完成，单凭手机APP是无法测量上述数据的。Rocklogger APP能够测量岩石产状，但仍无法替代传统的地质罗盘测量。

总之，以智能手机APP为核心，以提高自然地理野外实践教学效果为目标，智能手机等移动终端辅助野外自然地理实践教学模式有助于提高学习效率，扭转了人们对手机的认识，为野外教学和野外工作提供借鉴和启示。

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Title: New Mode for Physical Geography Field Practice under Internet Plus

Author(s): KONG Xiang-sheng，QIAN Yong-gang，DU Guo-yun，ZHANG Yun-ji，YOU Xiu-Ping

smartphone devices; geography field practice; practice teaching reform;Internet +

A

1006-9372（2017）03-0084-07

2016-12-26；

2017-03-20。

国家高技术研究发展计划863计划（2014AA123201）和国家重点研发计划（2016YFB0500402）及鲁东大学校级教学改革研究重点项目和校级精品课程建设项目。

孔祥生，男，副教授，主要从事遥感科学与技术的教学和研究工作。

投稿网址：www.chinageoeducation.net.cn联系邮箱：bjb3162@cugb.edu.cn

孔祥生，钱永刚，杜国云，等．“互联网+”大学地理野外实习新模式与实践[J]．中国地质教育，2017，26（3）：84-90．