摘 要：近年来，虚拟地理环境的地学分析及地理实验辅助功能逐步得到了重视，虚拟地理环境实践教学成为提高地理学相关专业大学生实验能力、培养科研创新能力的重要课程。本文结合虚拟地理环境教学实践，分析了当前虚拟地理环境实践教学的现状和存在的问题，提出了“三维结构”的教学方法，一是涵盖地理学复杂系统及子领域的教学内容，二是立足自身以研促教、立足成果重现创新、立足全网资源共享的多样化教学环节，三是独立实践与小组合作相结合的教学模式。将该方法应用于教学实践中，提高了教学效果，提升了学生实践动手和创新能力。
关键词：虚拟地理环境;实践教学;教学环节;教学模式
地理系统是一个开放的复杂世系统，内容涉及多学科子领域的知识。地理教学重视学生对地理系统的体验、认知、分析，这使得地理实验教学成为地理学教育的重要组成部分。实验教学一直是高校本科人才培养工作。地理实验不同于物理、化学等学科的实验，由于其规模大、成本高，地理实验一般难以在实验室进行实验条件的构建、实验过程重现等。同时，缩小地理实验的规模，其原理和发生过程都会受到影响。因此，有必要借助基于计算机的虚拟空间，应用科学的地理过程和分析模型，来开展地理实验;同时，通过设计地理实验方案、干预措施等来进行设计性实验和综合性实验，加强对地理问题的认知以及科学决策的支持。
虚拟地理环境自1998年提出以来已有20余年[1-2]，先后经过了多次国际会议、七届国内虚拟地理环境会议的讨论与交流，于2017年成立了虚拟地理环境专业委员会，也是国家自然科学基金申请中研究方向之一。虚拟地理环境具有地学科学计算和虚拟表达特征，采用地理模型的知识交流与共享工作模式，支持对地理系统的发展规律表达和变化机理分析。特别是随着研究的深入，虚拟地理环境以其数据库和模型库的“双核”特征，成为新一代的地学分析平台和工具[3]，有效推动了实验地理学方向的发展[4]。因此，近年来，很多高校和研究所开设了虚拟地理环境课程[5]，如南京师范大学、中科院对地观测和遥感所等。鉴于虚拟地理环境方向特征和地理实验特色，针对本科生教学，本文尝试对虚拟地理环境实践教学方法开展研究，以期提升地理学相关专业学生动手实践能力，同时推动虚拟地理环境的发展。
一、虚拟地理环境实践教学现状
近年来，“虚拟地理环境”已作为地理信息科学相关专业的专业课程走入了大学课堂，一般设置在本科生第三学年进行讲授，以便学生在已有专业基础上更好地理解和认知地理环境。课程多是理论与实践结合，理论与实践并重。例如，福建师范大学的虚拟地理环境课时共48个，其中实验课学时20个，内容主要有：虚拟系统硬件操作、VRML开发平台的使用、系统设计等。
虚拟地理环境实践教学对学生能力的培养是多方面的，一是注重时空GIS的场景构建，偏向虚拟地理环境的开发平台、程序设计软件研发能力的培养;二是已有时空地理过程模型的应用，偏向对已有模型的使用能力的培养，加强对地理过程的认知;三是基于地理知识对时空地理过程模型的开发创新，这是虚拟地理环境实践教学的最高环节，有利于学生创新研究能力的培养，加强应用地理知识综合求解地理问题的素质。不难发现，当前虚拟地理环境实践教学环节对第一方面考虑较多，而对后两个方面关注有限。而程序开发与地理学专业模型的研发和应用是GIS专业学生能力培养的两个重要方面，不可分离。同时，实践教学内容相对单一，设计性实验内容偏少，实验的综合性和创新性不足，教学内容更新相对较慢[6];整个实践过程，学生完整参与一个项目或解决科学问题的机会较少，实验之间的关联性弱，不利于培养学生运用知识、提出问题、分析问题、解决问题的能力;实验教学与科学研究结合松散，而实验和科学研究是相互依存的关系，实验教学是科研的基础，科研反哺实验教学[7]。因此，有必要对实践教学方法进行研究，以更好地培养学生实践动手和专业创新能力，加强教学与科研的互动，在教学过程中培养创新思维，提高学生的自信心[8]。
二、虚拟地理环境实践教学方法设计
1.“三维结构”的教学方法
基于上述研究现状，综合学科、教师和学生三个方面，本文提出了“三维结构”的教学方法(图1)。
首先是针对地理学学科特征，从水、土、气、生多个子领域开展教学内容的设计。教学内容的系统、全面有助于学生充分认知地理学研究问题，为深入研究某个子领域问题打下基础。
其次，从教师教学角度看，为了实现上述的实践教学内容，需要支持高性能计算的平台资源、地理领域专业模型、支持模型研发和创新的理论和技术支撑等条件和资源。正是上述资源条件的必要性和可获得性，使得各个高校的虚拟地理环境实践教学内容需要灵活设计。为此，本文提出立足自身以研促教、立足成果重现创新、立足虚拟仿真平台共享的三位一体教学环节。
再次，从学生可参与、可完成角度看，地理学教学内容繁多、虚拟地理环境实践教学内容也相应增加;同时，鉴于实践教学学时限制，要求每个同学进行系统研发、文献重现并积极创新，这不太现实。为此，本文提出学生独立实践与小组合作相结合的实践教学模式。
2.教学内容的设计
虚拟地理环境方向的研究特点之一就是注重地理学问题的系统性和整体性。因此，教学内容的设计在顾及水、土、气、生各个子领域问题的基础上，需要关注子领域交叉耦合的实践研究和应用，例如多情景下土地利用变化对气象影响的模拟分析[9]。
人作为地理环境的重要参与者，不只是环境的使用者，更是环境的影响者。因此，在虚拟地理环境教学内容设计上需要让人参与进来，加强人与地理环境的交互方法、人类活动对地理环境影响等方面方法的研究和实践应用。
3.教学环节的设计
首先，当前高校教师教研并进，基于本单位教师科研成果进行实践教学是最为可行的。因此，整合本单位教师在虚拟地理环境场景构建方面、地理过程模型模拟分析方面等的研究成果，进行实践教学内容的设计。这样一方面教师以研促教，有效统一了科研与教学，降低了教学方面的工作量;另一方面，学生在实践过程中提出的问题和想法，有助于启发教师，反过来促进科研创新。
其次，实践教学中可以基于当前文献数据库开展成果重现与创新。当前，期刊对文章内容的可重现性要求很高，在文章发表的同时会有相关数据、模型、方法等信息的提供。甚至有专门面向数据、模型发表的期刊。例如《EnvironmentalModelling&Software》期刊在录用文章时，对文章中所用到的模型和软件平台代码、可获得性等方面有相应要求。因此，为了顾及地理问题的综合性和全面性，教师在设计教学环节时，可以对文献研读设计基于文献的课堂教学实践环节。在保证模型可使用的同时，鼓励学生开展模型的重现和改进。这样可以有效解决本单位师资和研究方向的有限性以及地理问题的综合性和复杂性问题，同时，高质量文献资源的引入对学生实践动手能力的培养也是很有益处。
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再次，基于虚拟仿真平台，实现教学资源共建共享。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。经过近年来国家虚拟仿真实验教学中心和仿真项目的建设，形成了一批卓有成效的虚拟教学共享平台，为虚拟地理环境实践教学提供了可能[10]。这些平台不只凝聚了各团队最新的研究成果，也提供了数据、方法、评估等方面的材料，为远程网络教学打下基础。例如，中国地质大学(北京)的地学信息工程虚拟仿真实验教学中心(http://47.92.247.97:8080/virexp/jxzy/)，就是无人机航空测量、地质灾害评估等虚拟地理环境的共享教学平台。
上述三个方面的教学环节设计，从教学内容全面性、教学可实现性、学生科研创新能力提升、科研教学相长等方面，有助于推动虚拟地理环境实践教学效果的提高。
4.独立实践与小组合作相结合的教学模式
结合教师的引导，学生基于前期专业知识和个人发展兴趣，进行地理学子领域的选择和科学问题的选择，进而选择待重现的文章和可能的创新点与教师沟通，再去研究文献重现与创新，最终形成系统、报告和文章。本教学模式充分调动了学生积极性，通过实践教学发现，学生的自学实践能力、团队合作意识、统筹协作能力等，在相互交流和合作中，不断成长。
5.教学效果
上述教学方法，尤其是教学环节均不同程度应用在教学当中。例如有小组参考文献学习结合国家对疫情期间防疫要求，基于NetLogo平台，通过对教室空间结构和人的行为进行建模，在拉开间距的座位安排情况下对不同出口条件和人数的教室内学生疏散过程进行仿真模拟(图2)。有小组参考文献学习，选择新的研究区和相应的数据开展重现研究，首先利用研究区2005、2010年的土地利用结果，获得预测精度可行的CA_Markov模型，然后利用训练好的CA_Markov模型进行城市扩张模拟，获得2030年福建省莆田市的土地利用结果(图3)。目前，有的学生成果已经在科技期刊发表[11-12]，通过问卷调查也得知学生对该教学方法的认可，特别是专业领域知识的实践动手和创新能力的提升有很大帮助。
三、结论与展望
本文针对虚拟地理环境实践教学内容复杂、教师专业领域有限、实践内容系统性较差等问题对教学方法开展研究。面向当前地理学研究的系统性和复杂性要求，本文从教学内容、教学环节和教学模式三个方面进行设计与教学实践。本教学方法基于教师团队研究成果、知识库文献资源重现、虚拟仿真教学平台开展虚拟地理环境实践教学工作，以学生独立完成和小组合作完成模式进行动手实践，教学过程中取得良好效果。从教师角度，本教学方法有助于结合教学与科研，教学相长;利用知识库资源及共享平台，提高知识共享程度，突破了教师专业领域限制。从学生角度，本教学方法丰富了学生动手实践的内容，将学生的个人兴趣和未来研究方向结合到实践学习中来，提高了学生自主参与的积极性;基于教师、文献等资源，将学生的聪明才智与现有知识很好地结合，提高学生对科学问题和研究前沿的把握，提升了实践动手和创新能力。通过笔者两年来的虚拟地理环境实践教学和学生回访，发现本教学方法也取得了良好的教学效果。
虽然方法有其有效性，但是还有进一步值得探讨的地方。由于学生实践内容不再由教师指定，而是从知网等数据库由学生自己选择的，文章的可行性、数据可获取性等需要学生做好前期工作，同时要求任课老师要不断学习，对学科发展有全面认知，才能更好地指导学生。此外，本课程一般是大三下学期开展，那么面向学生毕业后继续深造以及工作的需要，在实践课中积极配合学生职业规划，进行实践教学安排，也是对学生兴趣点和积极性的鼓励，有助于学生动手和实践能力的提升。——论文作者：张春晓
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