蔣海兵

(鹽城師范學(xué)院 城市與規(guī)劃學(xué)院，江蘇 鹽城 224005)

虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化的重要內(nèi)容。近年來，在教育部的國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目帶動下，虛擬仿真教學(xué)迎來高速增長期，虛擬仿真實驗呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢，它有效破解了高校實驗實習(xí)實踐教學(xué)的難點，拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容，改善了實驗教學(xué)模式，創(chuàng)新了學(xué)生實驗方法，提高了實驗教學(xué)效果[1]。國外高校加快了新興信息技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，整合教育資源于在線學(xué)習(xí)、混合式學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)之中，注重建設(shè)具有完備數(shù)字化學(xué)習(xí)條件和虛擬實驗環(huán)境的未來教學(xué)實驗室[2]。國內(nèi)地球科學(xué)、測量學(xué)、植物學(xué)、建筑學(xué)等多個學(xué)科也嘗試采用虛擬仿真技術(shù)手段來提高實踐教學(xué)效果。海洋地球科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)拓展彌補了真實實驗經(jīng)費不足等問題[3]，攝影測量學(xué)采用虛擬仿真可視化技術(shù)降低學(xué)生理論學(xué)習(xí)的難度[4]，植物學(xué)野外實習(xí)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)減少了物候、天氣、師資等對植物學(xué)教學(xué)實習(xí)的束縛[5]，土木建筑虛擬仿真實驗教學(xué)資源體系增強了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力[6]，線上線下虛實結(jié)合使虛擬仿真實驗效果顯著。

有鑒于此，本文力圖探討國外大都市地理野外實習(xí)虛擬仿真教學(xué)平臺的設(shè)計方案，模擬國外大都市地理環(huán)境實驗教學(xué)場景，增強學(xué)生對國外城市地理的感性認識，為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供必要條件。

一、國外大都市地理野外實習(xí)虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)的必要性

大都市地理野外實習(xí)是人文地理學(xué)野外實習(xí)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)地理科學(xué)綜合創(chuàng)新型人才不可或缺的重要組成部分。由于實踐經(jīng)費有限、教學(xué)時間短、實踐龐雜等多重因素的影響，國外大都市地理野外實習(xí)的很多內(nèi)容難以通過具體的實踐過程來實現(xiàn)。據(jù)此，本項目擬開發(fā)一套國外大都市地理野外實習(xí)的虛擬仿真實驗，試圖通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)和移動學(xué)習(xí)，突破時間與空間限制，搭建世界地理學(xué)、人文地理學(xué)、經(jīng)濟地理學(xué)、城市地理學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)等課程的綜合實踐教學(xué)平臺，生動形象地展示國外大都市面貌、街道、功能區(qū)的空間格局與特征，讓學(xué)生對國外大都市有一個全面的認識，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計城市地理學(xué)野外實驗的能力，提高學(xué)生中外城市地理比較能力。

學(xué)生通過電腦、手機等設(shè)備應(yīng)用本項目，提前體驗實習(xí)線路，了解實習(xí)大都市的城市地理環(huán)境，觀察和探索國外大都市區(qū)地域格局、土地利用特征、城市職能分布、區(qū)域城市體系、城市市場空間、城市社會空間等，鞏固和加深對城市化、城市群、城市空間結(jié)構(gòu)、城市感應(yīng)空間等基本概念、基本理論的認識和理解，熟練地掌握城市地理特征調(diào)查的方法和技術(shù)。

在人文地理學(xué)野外實習(xí)中開展基于虛擬仿真項目的移動學(xué)習(xí)，具有靈活性、交互性、沉浸感、共享性等特點，虛實結(jié)合的教學(xué)方法可以顯著提高實踐教學(xué)效果，有利于開展研究型綜合型實習(xí)，提高學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力，為人文地理學(xué)野外實習(xí)提供重要的教學(xué)輔助功能。

本項目嘗試設(shè)計一款覆蓋國外大都市地理野外實習(xí)的虛擬仿真實驗教學(xué)項目，讓學(xué)生突破國界的限制，更加感性地了解國外大都市的地理特征和空間差異，幫助學(xué)生構(gòu)建更加完善的城市地理學(xué)知識體系，提高學(xué)生對國外大都市城市化機制的認識水平，增強學(xué)生對國內(nèi)大都市建設(shè)的民族自豪感，力圖克服目前學(xué)生普遍缺乏國外大城市地理野外實習(xí)實踐能力的問題，加深對課堂知識點、中外城市發(fā)展問題的感性認識和深入思考，拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)造能力和學(xué)習(xí)能力，推動國內(nèi)人文地理學(xué)野外實習(xí)教學(xué)資源共享，提升人文地理學(xué)實習(xí)效果，共同提高人文地理學(xué)野外實習(xí)的教學(xué)水平與學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

二、虛擬仿真教學(xué)平臺實習(xí)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

(一)知識點

通過全景VR/AR從宏觀視野了解：(1)國外大都市城市景觀、城市自然地理概況和城市土地利用結(jié)構(gòu)。(2)國外大都市城市職能分類、城市規(guī)模分布、城市空間分布體系。(3)國外大都市城市內(nèi)部地域空間結(jié)構(gòu)、城市資源環(huán)境與社會問題等。(4)國外大都市城市化形成機制。(5)國外大都市市場空間、社會空間和感應(yīng)空間。

(二)實驗原理說明

本虛擬仿真實驗項目讓學(xué)生通過對以上國外大都市城市問題的學(xué)習(xí)和調(diào)查，掌握城市地理學(xué)調(diào)查方法，以達到以下教學(xué)效果：(1)掌握城鎮(zhèn)人口集聚規(guī)律，熟練地應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法預(yù)測城市人口規(guī)模增長趨勢，運用空間分析技術(shù)與數(shù)據(jù)模擬城市空間擴展過程與空間關(guān)系。(2)采用行為科學(xué)方法分析城市居民對城市環(huán)境的感知、評價、直至決策的空間行為過程。(3)能夠熟練地掌握城市信息系統(tǒng)方法、城市空間抽樣調(diào)查方法、城市系統(tǒng)分析方法等。(4)深入理解與掌握地域城鎮(zhèn)綜合體的分布特征、功能、規(guī)模和結(jié)構(gòu)。

(三)實驗材料

為實現(xiàn)虛擬仿真實驗?zāi)康暮蛯嶒炘?，我們?gòu)建了大都市城市地理數(shù)據(jù)庫、城市建筑和街道3D模型、城市街區(qū)格局二維影像、城市景觀照片以及實習(xí)地點全景素材庫(建筑3D素材庫、城市面貌素材庫、城市居住區(qū)3D素材庫、城市功能區(qū)3D素材庫、全景VR和影像素材庫)。

三、虛擬仿真實驗教學(xué)過程與教學(xué)效果

(一)教學(xué)方法

本項目試圖通過優(yōu)勢學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合，改革實踐教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，實行問題導(dǎo)向式、研究式教學(xué)，開展自主式、小組探究式學(xué)習(xí)。通過文字、圖片、3D模型、全景VR、視頻等多種新媒體開展教學(xué)，通過線上線下混合式學(xué)習(xí)，突破時間和空間約束，讓學(xué)生對國外大都市地理有一個感性的認識，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計城市地理學(xué)實習(xí)專題的能力。

(二)實施過程

實習(xí)前，教師收集課外實習(xí)方法、實習(xí)城市文獻、視頻資料，明確虛擬仿真系統(tǒng)實習(xí)線路，包括紐約、華盛頓、芝加哥、倫敦、巴黎、東京等城市，將相關(guān)資料放置于平臺，讓學(xué)生在實習(xí)前充分掌握實習(xí)方法，對城市有感性的認識。同時，開展實習(xí)前期指導(dǎo)，讓學(xué)生熟悉實習(xí)地點的地理知識，引導(dǎo)學(xué)生思考存在的地理問題，并分組討論，提出預(yù)設(shè)問題。

實習(xí)中，現(xiàn)場指導(dǎo)演示虛擬仿真系統(tǒng)的操作，引導(dǎo)學(xué)生思考前期準備的知識點和問題，結(jié)合實習(xí)線路情況，互相探討，深入思考，發(fā)現(xiàn)新問題。

實習(xí)后，指導(dǎo)學(xué)生分析實習(xí)過程中的知識點，交流虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用體驗與心得，撰寫高質(zhì)量的實習(xí)報告。

(三)教學(xué)實施效果研判

本項目教學(xué)資源不受時空條件約束，使很難出國開展城市地理野外實習(xí)的活動得以實現(xiàn)，這些城市面貌、城市著名建筑、城市交通、城市街區(qū)、城市自然環(huán)境與景觀等能夠通過虛擬仿真模型進行深入觀察和探究。沉浸式的實習(xí)體驗開拓了學(xué)生視野，增強了學(xué)生主動實習(xí)的積極性，使學(xué)生在實習(xí)過程中更能明確目標，對國外大都市獲得更深刻的感性認識，這樣既可以彌補教材理論教學(xué)的不足，又能使學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)更加健全，綜合能力和創(chuàng)新能力得以進一步提升。

四、虛擬仿真實驗教學(xué)特色及創(chuàng)新

(一)實驗方案設(shè)計創(chuàng)新

國外大都市城市地理野外實習(xí)是人文地理野外實習(xí)的重要環(huán)節(jié)，本項目為野外實習(xí)提供了全方位的輔助教學(xué)，學(xué)生通過虛擬仿真實驗操作，突破時間、空間、經(jīng)費等諸多約束，達到了常規(guī)野外實習(xí)無法達到的教學(xué)效果。本虛擬仿真實驗項目與先進VR/AR技術(shù)深度融合，采用虛擬仿真實驗、全景城市VR/AR、各種城市建筑、街道實物照片、線上實習(xí)教學(xué)、移動自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握國外大都市城市化機制、城市空間結(jié)構(gòu)、城市感應(yīng)空間、城市職能和城市調(diào)查方法等，幫助學(xué)生構(gòu)建更加完整的城市地理學(xué)知識體系。它突破了傳統(tǒng)實踐教學(xué)的局限性，實現(xiàn)了教學(xué)資源的延伸與拓展，增強了學(xué)生對國外大都市地理的感性認識，拓展了學(xué)生的全球視野，提高了學(xué)生的綜合實踐與創(chuàng)新能力。

(二)教學(xué)方法創(chuàng)新

1.融合多學(xué)科理論和知識的實驗項目

國外城市地理野外實習(xí)是多學(xué)科交叉融合的實驗項目，在實習(xí)過程中包含城市地理學(xué)、經(jīng)濟地理學(xué)、世界地理、自然地理學(xué)、地理信息系統(tǒng)、計算機科學(xué)、城市規(guī)劃學(xué)等多個學(xué)科的理論和知識點。在教學(xué)過程中采用“問題式學(xué)習(xí)”的教學(xué)方法，以問題為中心，與課程內(nèi)容相聯(lián)系，學(xué)生參與教學(xué)全過程以加深對國外大都市城市地理的感性認識。

2.激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的開放性實驗項目

每一組學(xué)生需要依據(jù)所學(xué)的知識，在規(guī)定的時間內(nèi)完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取和處理工作，最后進行空間數(shù)據(jù)的集成。從教育理論來看，這樣的實習(xí)內(nèi)容可以培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作創(chuàng)新精神，讓他們形成一種具有專業(yè)精神的工程理念，在數(shù)據(jù)獲取和整理的過程中懂得職業(yè)操守的重要性，從虛擬仿真項目的不同模塊中學(xué)會解決城市規(guī)劃、自然地理、地理信息系統(tǒng)等專業(yè)問題，這是一種開放式的實習(xí)教學(xué)。

(三)評價體系創(chuàng)新

評價體系包括國外大都市地理的測驗?zāi)Ｊ健⒖荚囋u價、小組討論和虛擬仿真實習(xí)報告。虛擬仿真項目具有共享性、互動性、沉浸性等特點，采用多種模式的評價體系，有利于開展研究型、綜合型學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。學(xué)生利用虛擬仿真實驗開展小組研討、GIS空間分析、數(shù)理分析等，結(jié)合調(diào)查結(jié)果，撰寫實習(xí)報告。