虚拟仿真技术的区域分析与区域地理课程教学模式改革

林勇明，李键，巫丽芸，游巍斌，何东进，陈灿，吴承祯,2*

（1.福建农林大学 林学院，福建 福州 350002；2.武夷学院 生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300）

随着计算机技术、应用软件技术、网络技术等的不断发展，将地理环境要素通过现实数据收集—建模环境表达—表达交互真实—公众协作参与等步骤，实现虚拟地理环境平台的研制和开发[1]，正不断改变传统地理教学的空间认知方式与模拟分析形式[2]。与传统的GIS技术比较，虚拟地理环境平台具有多源数据、跨尺度、现象模拟、人机协同交互等优点，可加强地理学教学过程中再现表达、集成建模、模拟预测及效应评价的直观性和操作性[3]，从而实现重塑过去、把握现在、展望未来的现代地理学学科教育理念。

区域分析与区域地理的课程内容主要关注中国区域空间变化规律和确定区域空间各物质要素的合理布局，认清东中西部大区域之间的发展不平衡原因，促进各种类型的区域之间与区域内部的和谐性，进而提升国家整体竞争力。课程着重于培养学生的区域地理思维，要求学生掌握区域的整体性、综合性和复杂性特征，达到对区域发展的演化过程和演变趋势的基本认识。然而，受教学经费、疫情防控、师资力量、学科背景等因素影响，近年来区域分析与区域地理的讲授以线下课堂为主、线上课堂为辅的口头讲述为主，学生无法对现实中区域要素的发展与变化产生主观认识，出现“课堂沉默”的现象（即学习获得的成就感减弱、被动式接受知识后产生的应性沉默）[4]，造成了教学过程中教师教学与学生学习之间产生严重脱钩的现象[5]。因此，如何提高学生的学习兴趣和知识获取时的成就感，成为高校地理专业教师面临的共同难题。

虚拟仿真实验教学平台可为学生提供地理环境的再现过程，加深学生亲临其境的实践感，促进知识表象化，激发学生对未知知识的探索欲望，对高校地理教学改革具有十分重要的意义[6]。以国家虚拟仿真实验教学项目共享平台建设为契机，对区域分析与区域地理面临的全局认识实践、抽象的区域地理概念与过程、教学资料的补充与拓展、教学理念的更新等方面进行分析，根据教学团队多年经验，总结区域分析与区域地理课堂虚拟仿真建设的意义，探讨面向区域分析的虚拟地理环境仿真教学平台的整体框架与结构功能，以期为高校地理教育教学的改革与发展提供参考。

1 虚拟地理仿真平台建设的研究现状与问题

随着虚拟现实技术的不断发展，我国政府、各类高校和科研机构（如北京大学、武汉大学、中国科学院遥感研究所等）开发建设了多项虚拟地理仿真平台和基础系统[7]，在虚拟地理环境的理论基础、模型开发、建模方法、技术应用等方面取得重大突破[1,8-11]，建立数据库与模型库共同更新的共享平台，促进研究人员对现实世界地理信息的挖掘和模拟推理与公众的互动过程之间的有机融合：教学科研人员运用虚拟地理仿真平台模拟地理现象，再现并预测地理要素的变化过程；而公众则提供虚拟地理环境的体验感知及认知反馈，促进模拟效果的优化改良[1]。

然而，目前受地理模型多样性、数据多元化、虚拟效果的精确性、系统硬件的可靠性等方面的制约，存在以下几个方面的问题：1）缺乏既考虑科研精度需求、又可方便公众使用的通用性仿真平台；2）多元化数据的共享及模型间转换利用尚存不足；3）三维场景重现对硬件要求过高；4）平台开发者与使用者之间的信息不对称，无法达到开发者与使用者同时满足的目的；5）虚拟场景以城市、社区为主，难以移植至大尺度地理演变过程的模拟中。

鉴于上述问题，为高校地理类教学服务的虚拟地理仿真平台应以促进学生掌握地理分析方法为主，基于地理学方法集成和综合系统平台，建立连接教师—学生—平台之间的纽带，加快现实地理环境向虚拟地理环境的转换过程，提升虚拟地理环境的模拟和验证准确性，实现数据存储共享、地理现象与过程直观、模拟与预测有效的教育教学目的。

2 区域分析与区域地理课堂虚拟仿真建设的意义

区域分析与区域地理作为地理学的一门专业课，其课堂虚拟仿真建设与虚拟地理环境高度相关。然而，区域分析与区域地理涉及范围广，尺度大，关联因素多，学习过程中不仅需要学生掌握知识，还需要他们懂得运用知识对实际的区域情况进行分析、判断。这要求学生通过调查实践与综合实验，通过对照比较，加深区域间差距的认识，掌握区域发展不平衡的内在原因。此外，自然地理过程是区域发展方向的主要制约因子，学生需通过亲身体会与模拟分析才能提高对区域发展方向的准确判识。这又要求学生具有一定的预测模拟能力，提高其对事物发展变化的认知能力。在这种背景下，建立适应于现代地理学知识体系的虚拟仿真平台，成为《区域分析与区域地理》教学效果提升的重要渠道，因此《区域分析与区域地理》课堂虚拟仿真建设有几个方面的意义：

（1）探索区域间比较的实践活动

2019年8月南京大学与美国西雅图华盛顿大学联合组织中美“人类活动—全球变化”交叉学科国际科考与科研训练的本科生项目，共同考察美国华盛顿州奥林匹亚国家公园温带雨林的生物多样性、植被地带性等内容，对比国内温带森林与温带雨林的群落差异性；学生还在两国学者的指导下利用卫星光谱和雷达等多源数据，重构了中美两国中高纬地区三十年来森林扰动的历史。以上活动极大地促进了学生对区域间地理要素差异性的认识。然而，由于经费、考察周期、行程安排、疫情影响等方面的制约，跨国性的本科生交流实践机会难以在全国范围内推广。在实际教学中，师生对区域地理的认识还是基于教材内容、影像资料、数字地图等，很难直观地体会和认知。随着虚拟仿真平台建设的不断深入，将不同区域的地理要素三维可视化，建立虚拟三维的各区域实习场所，可为高校学生区域间比较的实践活动提供便捷、高效的模拟平台。

（2）增强学生对自然地理过程的预测模拟能力

在教学过程中，自然地理过程比较抽象，如云梦泽的历史变迁对湖南湖北两省的影响，若仅利用文字资料、图片等展示时，学生的理解难以透彻，通过虚拟仿真将复杂的区域变化过程直观化、形象化，辅以解说系统，利用视听触觉的感官刺激，通过电脑、手机等载体，融合线上教学与线下教学，建立多元化的教学平台，提高学生的学习积极性与对事物发展的预测判断能力，从而建立唯物辩证式的地理知识体系。

（3）促进教学资料的更新、换代

区域地理涉及范围广、内容多，区域政策、空间结构、发展战略、资源分布等随科技发展而不断改变，造成地理环境的认识需不断更新、换代，教学资料也应随之扩充增容。具体而言，利用大数据与人工智能技术将报纸、网络、文献数据库、会议等实时性的教学资料通过平台存储库的形式，实时更新仿真平台的信息资源，从而达到教师保持与时俱进、学生拓宽知识面和理解程度的教学资料更新目的。

（4）完成响应信息革新的教学模式改革

传统地理教学中以讲解—演示—辅导—引导为最基本的教学模式[12]，学生的主动参与性不强，有害怕错误的心理负担，运用理论知识准确判断并预测地理过程的能力有待提高。虚拟仿真课堂教学为学生提供自主设置变化条件的虚拟平台，学生可模拟各种条件的地理过程演变趋势，容错率高，可重复性强，进而提高学生的动手能力与逻辑判断能力，提升课程的教学效果，达到理论知识与实际运用随时结合的教学目的。

3 区域分析与区域地理虚拟仿真建设的环境要素与框架

前人研究得出，虚拟仿真地理环境包含数据环境、建模及模拟环境、交互环境和协同环境4个子环境[13-16]。每个子环境中包含多个环境要素，对区域分析与区域地理虚拟仿真平台建设过程中，所需关注的子环境要素组成问题进行论述，提出子环境建设的建议，并给出基本的建设框架。

数据环境是虚拟仿真平台的根本，其主要负责平台的数据获取、组织、管理与发布。由于虚拟仿真平台涉及海量数据和信息（包括区域地理坐标、形态特征、时段变化、空间格局等），需对异构性的数据源进行整合，从而实现平台正常运行的目的。然而，高精度/高分辨率的栅格和矢量数据需要占用大量的存储空间，运行效率也将随着数据量的增大而降低，通过数据的无损压缩、转换、网络共享，建立统一的数据模型，准确描述不同维度、不同坐标系统下的地理空间及对象的时空变化关系[16]，进而支持虚拟仿真地理时空分析的运算需求。

建模及模拟环境则是虚拟仿真平台的核心，其包含概念场景模型、概念建模、机理模型、数学模型四个模块，关键在于将文字或图片形式的地理空间、地理现象转换为数据格式，再进行建模形象化。因此，建模时需要综合考虑不同背景人员的数据认知习惯，以普适性、可理解性为标准，建立虚拟仿真平台使用人员的协作关系，集成网络中分布的多源地理模型，探索异构性的多种模型集成应用的途径，提高学生虚拟建模和地理过程预测的能力。

交互环境则提供仿真平台设计和使用者的访问通道。通过三维几何建模与数码图像、视频、VR虚拟现实等的集成表达与互动[14]，为设计使用者提供真实的时空感，但交互环境专用设备（如感知头套、立体眼镜等）因费用高昂无法普及，高校教师、学生只能借助鼠标、键盘等进行追随指令式的操作，无法实现交互环境身随意动的简洁操作。因此，低廉、操作简单、真实性强的交互环境是虚拟仿真平台使用时急需解决的问题之一。

协同环境提供仿真平台设计使用者相互交流、协同操作的空间，其为虚拟仿真平台的使用感受提供了信息归纳渠道，提高使用者模拟、预测与决策结果的合理性与精确性。然而，在现有虚拟地理环境中用户之间的协作需求却很少促进平台的突破性发展[14]，一方面是因为虚拟地理环境体系尚不成熟，使用者的协同需求无统一标准；另一方面对地理过程的认识，不同用户之间出发点存在差异，无法形成对事物发展的一致认识。因此，协同环境如何围绕虚拟地理环境的学习内涵进行协同会商、协同操作，这方面的研究还有待于加强。

基于上述虚拟仿真建设中子环境存在的问题，作者提出关于区域分析与区域地理虚拟仿真建设的基本框架（图1），以期为课程虚拟环境建设及平台研制与开发提供参考依据。

图1 区域分析与区域地理课程虚拟仿真建设的基本框架Fig.1 The basic framework of virtual simulation construction in the class of region analysis and region geography

（1）地理环境数据的归一化处理

前人已运用各种算法[17-18]、多维空间数据集成模型[19]、通用空间数据表达模型[20-21]等，建立地上、地下、地表附着物的实体三维转化模型，构建空间数据定制的映射和集成体系，实现点、线、面、体等多源异构空间数据的一体化表达。上述研究进展为区域分析与区域地理虚拟仿真平台提供高效的数据存储、压缩、传送、分析的数据环境，促进课程教学素材的收集与保存，在教学过程中可按虚拟仿真的精度要求选择。

（2）操作引导式的建模环境

以地理分析模型元数据标准（草案）为建模结构解析和可重用粒度分析的基础[1]，提取现有地理模型的适配性结构，进行建模模式的重组和粒度分割，实现建模环境的并行操作；根据课程中的地理问题、区域时空范围，利用引导式图标建立赋值指令，确定地理要素之间的关联性，创建适用于课程的地理概念模型。通过设定读取参数，建立地理概念模型的输入/输出及流程控制的封装命令，剔除网络上异构性地理模型的不兼容成分，在网络环境下形成支持分布式模型计算的运行环境，实现资源共享调用和模型分散处理的协同操作。

（3）接近真实感知的交互环境

国内外已开发多种虚拟地理环境的可视化系统，如ArcGlobe、Google Earth、Virtual Earth、Ev-Globe、SuperMap、Geo-Globe等，这些系统均支持高精度地形、影像、图片等数据格式，支持分布式模型运行，实现了三维场景的快速浏览及漫游的功能，且具备了空间属性的各种基本网格，有效支撑虚拟仿真建模和模拟的需求[22]。然而，目前真实感知需借助于专业设备，低廉、操作简单的感知技术限制大众化真三维发展的主要瓶颈。因此，在各种可视化系统中采用植入式真三维立体渲染方法[23]，利用视觉场景变化、视点位置转换、多层要素的透视转化等技术，实现单通道透视平面伪三维立体向双目视觉真三维立体的转变，从而构建细节丰满、尺度多样、动态可视化的三维场景表达区域地理模型。

（4）多线程、多用户、实时保存的协同环境

协同环境追求多人以电话网络或IP网络为媒介，针对虚拟地理环境中的问题开展协同讨论、交互工作。网络化的协同会商系统具有丰富的交互手段和信息共享方式[24]，为地理教学在虚拟仿真平台上的协同合作、决策提供有效途径。针对地理建模具有计算复杂性、组织多方性、尺度多样性、模型异构性等特点，设计多个计算机进行处理的分布式协同建模系统，将协同地理建模过程进行流程分解，提供区域地理建模团队的对话、文字信息、影像交流等多种实时通讯渠道，讨论建模过程中模块构成、规划方案、进度安排等。建模任务执行完成后，由建模团队授权给用户，用户可在协同环境内向建模团队反馈模型使用过程中的问题，并提出相应的建议，建模团队根据用户的反馈，优化虚拟仿真平台，从而达到学生掌握知识而教师完善平台的最终目的。

4 基于虚拟仿真平台的区域分析与区域地理课程教学模式探讨

4.1 虚拟仿真平台的PBL教学模式

区域分析与区域地理课程融合理论与实践为一体，要求学生具有良好的基础理论知识与动手能力。然而，现有的教学模式存在着一些弊端，如：1）教材未配备影像、图片等资料；2）区域尺度大，学生难以形成直观认识；3）实验实习尚无统一指导书；4）缺乏课程讨论与在线实时交流[7]。以上弊端，造成学生在传统的课堂讲解后，难以在课后复习时加深知识点的掌握，无法形成发现区域发展变化的问题——分析问题的主体组成——提出解决方案的逻辑判断能力，急需改善。因此，虚拟仿真平台应基于网络技术，引入以问题为导向的PBL教学方法[25]，在教师的引导下，以学生为中心，提供学生共享其他学校相关课程的学习资源，围绕课程中的问题，创建学生、教师及课外人员的交流平台，在教师辅助下学生自主解决问题，最终提高学生的自主学习能力和创新能力的教学模式。

区域分析与区域地理虚拟仿真教学平台在运行过程中，首先教师帮助学生在平台中构建学习框架，给出区域分析与发展过程的关键问题，学生按照兴趣划分学习小组，并贯穿课程的整个教学过程。学生在教学平台中进行用户登录，使用课程相关信息抓取软件、课程网络数据库、课程资源数据库等提取问题相关信息，并基于平台开展团队讨论，培养学生团队合作、分析与解决问题、自主创新的能力。平台在运行过程中涉及数据库、3S技术等的运用，促进学生对知识的复习和新知识的掌握，提高学生的知识储备水平；同时，学生在亲自参与学习环境的使用与提升中，更加关注学习过程，为学生创造了真实的学习情境，符合PBL开放情境的教学要求。

4.2 虚拟仿真教学平台的课程参与方式

PBL教学模式的三大要素——教师、学生、问题情境[26]，在虚拟仿真教学平台中具有互相促进、共同进步的巨大潜力：平台在提供课程学习的过程中，教师与学生需要通力配合，在互动中达到讲授与学习同行、平台与参与者共进步的局面（图2），最终促进问题情境进一步优化。

图2 区域分析与区域地理虚拟仿真教学平台的课程参与方式Fig.2 Course participation mode in virtual simulation teaching platform of region analysis and region geography class

具体而言，教师在教学平台上构建课程资源数据库，为学生提供登录学习界面；在课程资源数据库中添加课程相关的PPT课件、文献、疑难点、实验素材、视频资料等，供学生读取查阅；设置关键词/关键问题，利用抓取软件获取网络上与课程内容密切相关的数据，供学生甄别使用；平台提供在线交流界面，教师引导学生进行讨论、提问、回答等课程知识加深环节；利用平台的三维场景表达区域地理模型，创造出接近现实的问题情境，在线实时监督学生模拟实验区域的地理过程演变过程，激发学生的潜能，并提高学生的动手能力与逻辑判断能力。

学生在虚拟仿真教学平台的主要工作包括：注册登录账号，根据课程安排，在数据库系统及网络上下载课程相关的资料；主动学习抓取软件，从网络上获取与课程相关的辅助材料；积极参与在线界面的讨论、提问、回答环节；协助完成微信公众号、微博账号等平台展示空间的建设和完善；利用平台完成区域地理过程的建模模拟和平台优化，及时完成课程作业，提高知识的掌握程度。

问题情境则随着虚拟仿真教学平台两大参与者的配合下，以此为契机，带动学生主动的学习，设计的问题应该是没有具体的答案、结构不良、不和谐或问题之间是相互矛盾的，这样可以调动学生的学习积极性，激发学生的好奇心，使学生能够认真思考，努力探索，积极寻求解决问题的方法，问题的情景是真实的，与现实生活息息相关，学生能够从中体会到学习的乐趣，从而激发学生的潜能，提高学生理论和实际相结合的能力，促进他们自主学习的意识不断提高。

5 结论与展望

虚拟地理环境平台改变传统地理教学的空间认知方式与模拟分析形式，但现有平台以展示为主，缺乏对地理过程与现象的模拟分析，平台结构与框架仍有待完善。以区域分析与区域地理课程为切入点，着重论述了以下几个方面：

（1）分析地理学虚拟仿真教学平台建设的研究现状与问题，提出在教学时应实现数据存储共享，加快现实地理环境向虚拟地理环境的转换过程，提升虚拟地理环境的模拟和验证准确性。

（2）归纳总结课堂虚拟仿真建设的4个意义，即可通过课堂虚拟仿真教学活动，探索区域间比较的实践活动；增强学生对自然地理过程的预测模拟能力；促进教学资料的更新、换代；完成响应信息革新的教学模式改革。

（3）探讨区域分析与区域地理虚拟仿真建设的环境要素与框架，提出虚拟仿真教学平台的建设框架应包括归一化处理的地理数据环境；操作引导式的建模环境；接近真实感知的交互环境；多线程、多用户、实时保存的协同环境4个子环境。

（4）给出虚拟仿真平台的PBL课程教学模式，提出教师、学生、问题情境3个PBL基本要素互相促进、共同进步的虚拟区域地理环境教学平台，为学生学习表达地理环境、发现区域问题、总结区域规律、再现和模拟区域现象提供平台支撑。

面对区域分析的虚拟仿真教学平台建设，最终目标是形成教学并举、学以促进的教学平台，未来还有很多方面值得探索：

（1）建设虚拟仿真教学平台的同时，关注其他学科仿真教学平台的发展，借鉴其他平台的模块，避免重复建设；发展网络共参与式的地理建模技术，实现多源异构地理模型的解析重组，服务于本课程虚拟仿真教学平台的优化过程。

（2）运用空间数据引擎技术，整合网络上可用的有效资源，实现数据实时共享，完善网络环境的数据共享调用机制，扩充仿真教学平台的数据库容量，增加学生实例操作的机会。

（3）加强地理信息系统、地理可视化、虚拟现实等技术的有机融合，建立虚拟仿真教学平台的系统方法论，并拓宽其应用领域，为地理学理论与方法发展提供新的视角。