地理空間信息技術國家級虛擬仿真實驗教學中心建設實踐

袁磊+楊昆

摘要：虛擬仿真實驗教學是學科專業與信息技術深度融合的產物?；谠颇蠋煼洞髮W地理空間信息技術國家級虛擬仿真實驗教學中心建設實踐，闡述了中心建設的理念與思路，重點探討了虛擬仿真實驗教學資源建設、教學管理與共享服務平臺建設、師資隊伍建設等方面的做法與實踐成效，以期對相關類型虛擬仿真實驗教學中心建設提供借鑒。

Abstract： Virtual simulation experiment teaching is a depth fusion product of discipline and information technology. Based on construction and practice of national center for virtual simulation experimental teaching of geospatial information technology of Yunnan Normal University， this paper elaborates the idea and the thought of the center construction， and describes the method and practice of constructions for teaching resources， teaching management and sharing service platform， teaching staff and so on. It is expected that this research can provide reference for the construction of the related virtual simulation experiment teaching center.

關鍵詞：地理空間信息；虛擬仿真；實驗教學中心；實驗室建設

Key words： geospatial information；virtual simulation；experimental teaching center；construction of laboratory

中圖分類號：G482 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）07-0191-03

0 引言

人類進入20世紀90年代以來，隨著計算機技術、網絡技術、通信技術的發展，以地理信息系統、遙感、衛星導航定位等高新技術為核心的地理空間信息技術迅速發展，并與云計算、物聯網、大數據、移動互聯網等新一代信息技術深度融合[1]，已廣泛應用于資源環境管理、地理環境模擬、生態環境監測、災害應急評估、地理位置服務、城市規劃、民族文化、電子商務、智能物流、智能交通、智慧旅游、智慧教育、公共衛生、智慧城市、資源共享等國民經濟和社會發展的各個方面[2-5]，成為人類合理有效地利用資源、解決經濟和社會可持續發展重大問題的核心支撐技術之一[6]。顯然，這種背景下對我國未來地理空間信息人才的培養也提出了新的、更高的要求。

針對地理空間信息科學研究的對象具有“涉及面廣”、“高?；驑O端環境”、“投資大、成本高”、“結果不確定性”、“驗證周期長且過程不可逆”等特點，學校整合信息科學、地理科學和民族文化三個優勢學科的教學與科研資源，依托擁有的西部資源環境地理信息技術教育部工程研究中心、民族教育信息化教育部重點實驗室、教育部科技發展中心互聯網應用創新開放平臺示范基地三個國家級科研平臺，并在原有的省級智慧社區虛擬仿真實驗教學中心、國家級地理科學實驗教學示范中心、云南省計算機實驗教學示范中心、云南省教育技術實驗教學示范中心的基礎上，堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則[7-8]，以云計算、物聯網、大數據、移動互聯網、地理信息技術等新一代信息技術為支撐，適時將科研成果轉換為教學資源，組建了地理空間信息技術虛擬仿真實驗教學中心，并于2015年12月被教育部批準為國家級地理空間信息技術虛擬仿真實驗教學中心，開展具有云南特色的地理空間信息技術綜合應用研究與人才培養工作。

1 建設理念與思路

中心本著“實驗教學為抓手、虛擬互動增實效、人才培養為中心、開放共享促應用”的建設理念，以服務于國家智慧城市戰略建設及地理空間信息產業發展對新一代空間信息技術人才需求的培養為宗旨，立足云南，服務西南，輻射東南亞，建設具有國際先進水平的虛擬仿真實驗教學、研發與技術交流中心、地理空間信息產業人才培養基地。

建設主要圍繞以下思路開展：①發揮信息科學、地理科學、民族文化三個學科的專業優勢，整合學科優勢教學資源，以信息學院、旅游與地理科學學院、體育學院實驗教學平臺支撐仿真實驗教學中心的建設和運行。同時，虛擬仿真實驗教學中心反哺實驗教學平臺及各部門的需求和發展；②以學生為本，致力于培養學生綜合實踐能力和創新能力的虛擬仿真實驗教學模式探索和建設[9]；③結合地理空間信息化建設中，對資源環境的合理利用、基礎設施的智能化管理及與社會經濟可持續發展的需要，開展虛擬仿真實驗教學體系與項目庫建設；④軟、硬件與高新技術結合，建設易管理、可共享的虛擬、仿真實驗教學環境和豐富的教學資源[10]；⑤產、學、研協同發展，建設地理空間信息技術虛擬仿真實驗教學中心和教學隊伍。

2 教學資源建設

中心注重學生實踐動手能力培養與訓練。教學資源建設主要針對高危的，真實實驗無法開展的，大型、綜合的，或者教學成本較高、資源消耗大的實驗項目，例如，滇池流域土地利用變化虛擬仿真實驗（真實實驗無法開展）、山地城鎮規劃虛擬仿真實驗（綜合性）、滇池藍藻水華監測預警虛擬仿真實驗（真實實驗無法開展）、地鐵人群疏散虛擬仿真實驗（成本高、資源消耗大）等，并著重考慮教學資源建設的必要性、適用性，突出創新性，根據專業人才培養方案對學生知識結構和能力培養的要求，制定實驗教學大綱，遵循應用型人才培養實驗教學的基本要求，不斷豐富虛擬仿真實驗教學資源。

此外，中心教學資源建設的另一大特色在于最大程度地將多年積累的科研成果轉換為教學資源。已將部門承擔的國家973計劃前期研究專項“GIS環境下基于用地變化的洱海流域非點源污染情景模擬研究”、國家863計劃主題項目“時空過程模擬與實時GIS系統-滇池流域非點源污染事件應急響應示范系統”、國家科技型中小企業技術創新基金項目“污染源管理及突發污染事件應急處理地理信息平臺軟件研究與開發”、教育部高等學校博士學科點專項科研基金“盤龍江子流域城市非點源污染的地理空間模擬模型研究”、教育部科技項目“基于民族文化基礎教育課程資源構建與有效應用研究”、國家自然科學基金“云南少數民族服飾數據庫、元素庫構建與智能檢索技術研究”、云南省社會發展重大研究項目“基于多學科高技術的云南‘城鎮上山研究與典型示范-城鎮上山的綜合決策空間信息平臺”等42項科研項目的成果，先后轉化為地鐵人群疏散仿真模擬實驗、三維GIS的城市規劃建模與仿真實驗、地震災害損失快速評估仿真模擬實驗、民族文化數字化虛擬仿真實驗、滇池流域藍藻水華監測預警與評價仿真實驗等一批反映云南邊疆自然與人文綜合過程的創新性實驗項目。目前，中心教學資源建設已經形成基礎性、綜合性和創新性三大實驗層，合計19個實驗模塊的仿真實驗教學資源，已經覆蓋虛擬仿真實驗課程53門，面向11個專業開設虛擬仿真實驗項目439個。其中，涉及基礎性實驗層項目317個，綜合性實驗層項目115個，創新性實驗層項目7個。如圖1所示。

3 教學管理與共享服務平臺建設

中心教學管理與共享服務平臺以地理空間信息技術、物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術為支撐，基于已有的基礎設施、軟件平臺和Web服務的基礎上構建，實現教務管理、教學管理、實驗資源共享管理等功能；并通過基于云平臺架構的地理空間信息技術虛擬仿真實驗教學門戶網站，達到對地理信息技術、遙感技術、GIS軟件工程、虛擬地理環境、智能信息處理、移動位置信息服務、地理過程與環境模擬、空間數據挖掘與分析、民族文化數字化等應用性實驗教學資源的校內、校外、面向東南亞合作院校的在線教學管理與實驗資源共享服務。如圖2所示。

同時，為了保障系統在開放環境下大規模學生的使用安全，平臺設計了一系列的身份管理、認證與計費系統及網絡防病毒、信息過濾與入侵檢測系統。身份管理由系統管理員對系統用戶賬號與學生班級進行分組管理，保障一人一號，確保沒有“一人多號”、冒名頂替的情況發生[11]；系統認證功能主要是對每個賬號進行嚴格把關，要求賬號必須具有至少8個字符的大小寫字母、數字、符號，如sPo0kyh@ll0w3En；系統計費功能主要對每個賬號的上網時間嚴格把關，確保學生上網時間不會過長，保障學生健康上網；網絡防毒分別從網絡層防毒、郵件網關防毒、Web網關防毒、群件防毒、應用服務器防毒、客戶端防毒，構建了多層次病毒防線，實現病毒的全面布控；信息過濾則根據國家要求對敏感詞條進行過濾，避免“信息超載”以及“不良信息”和垃圾信息的侵害，大大提高信息使用效率，起到信息共享流通目的；加入入侵檢測系統則可以極大的提升平臺的安防體系，更好的掌握系統情況，甚至可以達到追蹤攻擊者路線、抓住肇事者的優勢。

4 師資隊伍建設

中心重視教師隊伍建設及其可持續發展，堅持專業理論教師和虛擬仿真技術研發教師并重，專職與兼職教師結合，校內與校外教師互補的原則，構建了一支科研教學水平高、技術研發能力強、教學經驗豐富的師資隊伍[12-13]。目前，中心現有人員共79人，平均年齡41.99歲。其中，高級職稱人員45人，占56.96%；博士學歷人員35人，碩士學歷人員35人，碩士及以上學歷的占88.61%；研發、技術支持與維護人員15人，占18.99%，均長期從事實驗教學、研發與管理工作。其中，管理團隊以有多年教學、管理經驗的教授、副教授組成；教師團隊以博士、海外留學歸國碩士及國內碩士人員為主體，包括教授、副教授、博士等骨干教師。研發團隊則以一批年青的博士、碩士教師、信息技術研發人員組成；技術支持與運行維護團隊則以中心專職實驗師及專事虛擬仿真實驗教學資源研發的企業骨干力量組成。

此外，學校還專門為中心增設了實踐教學指導委員會，聘請武漢大學、清華大學、中科院資源環境信息系統國家重點實驗室、香港中文大學、加拿大新布倫瑞克大學、南京大學、中山大學、南京師范大學等高校與科研院所的地理空間信息領域的院士和知名科學家組成教學指導委員會，負責中心仿真實驗教學的發展規劃，并對仿真實驗教學工作成效開展評價和監督。

5 結語

中心在多年的建設過程中，已經將擁有的科研平臺、科研成果最大程度地轉化為數字化的、在線共享的仿真實驗教學資源，形成了教學與科研相得益彰的資源共建的良性循環發展機制，集中體現在三個方面：①多學科互動一體化建設。通過整合信息、地理、民族文化學科的科研團隊、教學團隊和教學資源，實現多學科交叉融合、相互促進、協同發展。②體現云南多樣性的自然與人文過程的綜合模擬。充分考慮云南獨特多樣的自然與人文資源，以豐富、獨特、多樣的區域自然、人文資源為實驗教學素材，將其融合于信息科學、地理科學和民族文化學科的實踐教學之中，構建了基礎、綜合和創新三個層次實驗教學體系。通過實驗虛實結合的教學環節，讓學生認識到基于云南自然與人文多樣性的特征、分布規律以及相互關系，獲得對資源環境實驗分析的操作方法和基本技能，培養學生綜合創新能力和綜合素養。③基于云平臺實現面向東南亞的在線教學資源共享。依托學校和仿真中心搭建的教學資源云服務平臺，立足云南、服務西南、面向東南亞，與多所國內高校開展了教學科研合作及資源共享。同時，還進一步加強了與東南亞、南亞高校間在實驗教學方面的緊密合作與交流，其中與仰光大學共建的空間信息技術中緬聯合實驗也在積極籌建之中。

參考文獻：

[1]周宏仁，徐愈.中國信息化形勢分析與預測（2013版）（精）[M].北京：社會科學文獻出版社，2013，25-46.

[2]祖剛.地理空間信息技術在我區資源環境管理中的應用[J].內蒙古環境保護，2006，18（6）：3-8.

[3]許泉立，楊昆，李建，等.洱海流域用地變化的智能體建模與非點源污染響應模擬[J].水利學報，2014，45（11）：1272-1283.

[4]朱彥輝，楊昆.昆明城市擴張遙感監測及空間特征研究[J].數字技術與應用，2013，（1）：98-99.

[5]葉燎原，彭雙云，楊昆.GIS環境下開發城鎮地震災害快速評估系統[J].云南師范大學學報：哲學社會科學版，2014，46（3）：59-64.

[6]徐德明.中國地理信息產業發展報告（2011）[M].北京：社會科學文獻出版社，2011，145-146.

[7]教育部辦公廳.教育部辦公廳關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].http：//moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201506/t20150618_190671.html.

[8]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[9]沈建華，李飛，程崇虎，等.通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2015，34（1）：161-164.

[10]張增明，王中平，張憲鋒.國家級物理虛擬仿真實驗教學中心的建設實踐[J].實驗技術與管理，2015，32（12）：146-149.

[11]藺智挺.基于虛擬仿真實驗的模擬集成電路實驗教學[J].實驗技術與管理，2016，33（1）：122-126.

[12]劉財，杜曉娟，高淑貞，等.地質資源立體探測虛擬仿真實驗教學中心建設的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2014，31（10）：1-4.

[13]宋榮昌，蘭山，隋麗.高校多學科/多物理場仿真中心建設探討[J].實驗技術與管理，2013，30（3）：187-189.