葛小平，王鑫浩，楊勝飛，丁賢榮

1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315192

實(shí)踐教學(xué)

基于Google Maps API的野外地理綜合實(shí)習(xí)平臺

葛小平1，王鑫浩1，楊勝飛2，丁賢榮1

1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315192

以Flex結(jié)合Google Maps API構(gòu)建野外地理綜合實(shí)習(xí)平臺，旨在引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)習(xí)區(qū)域主動探索、豐富教師的網(wǎng)頁端學(xué)生管理，完善教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置，拓展地學(xué)實(shí)習(xí)資源的共享。該平臺通過Android手機(jī)客戶端和網(wǎng)頁端，結(jié)合數(shù)字通信技術(shù)與后臺服務(wù)器雙向集成，手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)了實(shí)習(xí)資源下載接收，地質(zhì)、地形、遙感地圖匹配使用，實(shí)習(xí)線路與觀測點(diǎn)導(dǎo)航，觀測點(diǎn)教學(xué)要求查詢等功能；網(wǎng)頁端則結(jié)合實(shí)習(xí)區(qū)域的典型現(xiàn)象等，根據(jù)各教學(xué)環(huán)節(jié)對實(shí)習(xí)要求掌握的基本知識、基本理論、基本技能進(jìn)行組織、定制和共享；通過兩者的組合應(yīng)用，學(xué)生在課時(shí)緊張的野外教學(xué)中，“三基”掌握效果優(yōu)良。平臺通過共享和定制功能，推廣價(jià)值極大。

研究型教學(xué)；野外地理實(shí)習(xí)；Android系統(tǒng)；地理信息系統(tǒng)

一、引 言

“自然地理學(xué)”作為闡述地球表層系統(tǒng)相互作用的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，其實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)在課程教學(xué)中占有重要地位，是對課堂教學(xué)內(nèi)容的升華。當(dāng)前自然地理實(shí)習(xí)很大程度還是依托傳統(tǒng)模式，存在著諸多問題：分類局部地區(qū)實(shí)習(xí)多、區(qū)域綜合性實(shí)習(xí)少，主要講解驗(yàn)證模式，認(rèn)知考察性實(shí)習(xí)多、探索應(yīng)用性實(shí)習(xí)少等［1］。這種以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式，對于學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)而言，效果短暫、收獲有限，學(xué)生很難真正將地學(xué)野外工作思路和方法扎實(shí)地掌握。如何解決這一難題，教師由主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)，學(xué)生由被動為主動的探究式教學(xué)模式值得深入探討［2-7］。

移動GIS平臺的發(fā)展極大地方便人們的生活，設(shè)計(jì)開發(fā)智能手機(jī)地理信息應(yīng)用是其中重要的一部分［8-10］。與此同時(shí)，一部分學(xué)者在3S技術(shù)（遙感RS、地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS）和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，設(shè)計(jì)開發(fā)用以野外地理實(shí)習(xí)的專業(yè)系統(tǒng)［11-13］，但是在移動設(shè)備快速發(fā)展的情勢下，LBS（基于位置服務(wù)）［14］和共享性有待進(jìn)一步提升。因此，本文提出將野外地理實(shí)習(xí)系統(tǒng)移動端與服務(wù)器端結(jié)合，將自然地理學(xué)野外實(shí)習(xí)的目標(biāo)、內(nèi)容、任務(wù)要求按照研究性教學(xué)認(rèn)知規(guī)律整合，設(shè)計(jì)具有教師學(xué)生間互動到各高校教師間互動以至于區(qū)域性、全國性的地理野外實(shí)習(xí)綜合平臺，真正做到師生互動、案例共享、區(qū)域綜合，豐富地理野外教學(xué)內(nèi)容，以期達(dá)到最佳教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)了Android版本的移動客戶端和WebGIS網(wǎng)絡(luò)客戶端開發(fā)。

二、實(shí)習(xí)教學(xué)目標(biāo)與平臺需求分析

當(dāng)前學(xué)生在“自然地理學(xué)”課程學(xué)習(xí)中存在的各種問題，如：地學(xué)基礎(chǔ)薄弱，地學(xué)感性認(rèn)識欠缺；缺乏自然地理理論與實(shí)際地理現(xiàn)象緊密聯(lián)系的能力；學(xué)習(xí)興趣與積極性不強(qiáng)，只為學(xué)分；對自然地理現(xiàn)象感性認(rèn)識少，死記硬背多的狀況。針對上述問題，實(shí)習(xí)內(nèi)容組織及實(shí)習(xí)平臺構(gòu)建以地貌學(xué)為主線，從地質(zhì)內(nèi)動力造貌，地貌外動力塑造，生態(tài)環(huán)境形成，到自然地理規(guī)律等，通過解析地質(zhì)學(xué)、地貌學(xué)、氣候?qū)W、環(huán)境生態(tài)學(xué)和自然綜合等自然地理現(xiàn)象與過程，強(qiáng)化自然地理學(xué)基本知識、理論和方法的“三基”培訓(xùn)，幫助學(xué)生構(gòu)建自然地理知識體系（表1），培養(yǎng)其現(xiàn)象和規(guī)律、局部和整體、實(shí)際和理論的時(shí)空地學(xué)素養(yǎng)。

表1 實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)基本知識、理論和方法培訓(xùn)內(nèi)容

三、系統(tǒng)架構(gòu)

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)平臺總體結(jié)構(gòu)由前端（移動端、桌面端）和后端（服務(wù)器端）的雙層B/S結(jié)構(gòu)構(gòu)成。桌面端以Google Maps數(shù)據(jù)讀取、自定義地圖數(shù)據(jù)匹配、實(shí)習(xí)路線查詢、實(shí)習(xí)內(nèi)容查詢、師生互動、地理位置查詢、當(dāng)前氣象信息、地圖截圖、資料下載為主。移動端以在線地圖瀏覽、數(shù)據(jù)共享、地理定位、資料查詢?yōu)橹?。兩層?nèi)容均依托后臺服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)雙向通信。后臺服務(wù)器模塊由Tomcat7.0輕量級Web服務(wù)器和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理平臺組成，提供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取功能（圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

Android OS以Linux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，自下而上 由 Linux Kernel，Android Runtime，Libraries，Application Framework，Applications構(gòu)成［15］，并對多種傳感器有良好的支持［16］?？紤]到眾多GIS格式數(shù)據(jù)間互不訪問易產(chǎn)生信息孤島［17］， Google Maps API對OGC WMS、KML和Shape File有 著良好的支持性［18］，因此在Flex Builder 4.6平臺下結(jié)合Google Maps API 1.22對系統(tǒng)移動客戶端和桌面端開發(fā)。移動端運(yùn)行在搭載Google Android系統(tǒng)的手機(jī)上，借助Flex Builder 4.6的Android手機(jī)開發(fā)框架開發(fā)富客戶端的手機(jī)應(yīng)用，提供給用戶接近原生效果的手機(jī)應(yīng)用體驗(yàn)。系統(tǒng)后臺在MyEclipse平臺下結(jié)合Flex的RemoteObject組件和BlazeDS第三方插件、Tomcat輕量級服務(wù)器，采用java語言實(shí)現(xiàn)Flex與后臺數(shù)據(jù)庫交互。

3.數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

服務(wù)端選用SQL Server 2008作為系統(tǒng)的后臺屬性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理平臺，根據(jù)系統(tǒng)的建設(shè)需求，數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為用戶管理模塊和業(yè)務(wù)管理模塊。用戶管理模塊由用戶注冊、用戶登陸、系統(tǒng)登陸日志表構(gòu)成，業(yè)務(wù)管理模塊由實(shí)習(xí)位置信息、實(shí)習(xí)內(nèi)容、圖片信息表構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4.服務(wù)器后臺交互

Flex與后臺數(shù)據(jù)庫交互通用的有三種方式：RemoteObject、WebSerivce、HTTPService。 其中WebSerivce可通過C#、VB等語言編寫服務(wù)并發(fā)布XML數(shù)據(jù)格式服務(wù)供前臺Flex端調(diào)用解析；RemoteObject可通過LCDS、BlazeDS實(shí)現(xiàn)前臺Flex與后臺Java通信，從而通過Java與數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)交互。BlazeDS是一個(gè)基于服務(wù)器的Java遠(yuǎn)程控制和Web消息傳遞技術(shù)，它能夠使得后端的 Java應(yīng)用程序和運(yùn)行在瀏覽器上的Adobe Flex應(yīng)用程序相互通信?？紤]到BlazeDS的免費(fèi)性，本系統(tǒng)后臺服務(wù)器采用Flex 的RemoteObject組件和BlazeDS第三方插件以及Tomcat7.0輕量級Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)Flex與后臺數(shù)據(jù)庫交互。一方面服務(wù)器后臺根據(jù)前端的數(shù)據(jù)請求返回相應(yīng)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，如地圖數(shù)據(jù)、實(shí)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)化表格內(nèi)容、掃描地形地質(zhì)圖等；另一方面服務(wù)器后臺接收、集成管理前臺發(fā)送的實(shí)習(xí)點(diǎn)位置信息、共享資料等。前臺（桌面端、移動手機(jī)客戶端）與后臺（服務(wù)器端）的數(shù)據(jù)交互格式統(tǒng)一為ArrayCollection數(shù)據(jù)格式。

四、系統(tǒng)主要模塊實(shí)現(xiàn)

（一）移動端模塊實(shí)現(xiàn)

該野外實(shí)習(xí)平臺移動端采用GPS、GPRS、Google Maps API、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，部署在安裝Android系統(tǒng)的手機(jī)中，通過手機(jī)客戶端操作界面，即可實(shí)現(xiàn)觀測區(qū)域遙感圖和地形圖以及地質(zhì)圖的顯示、定位、導(dǎo)航和路線記錄功能，實(shí)現(xiàn)對實(shí)習(xí)目標(biāo)、內(nèi)容、要點(diǎn)、路線以及基礎(chǔ)知識和基本理論的管理、顯示和查詢功能。觀測記錄以電子表單形式標(biāo)準(zhǔn)化，便于對野外實(shí)習(xí)過程中理論與實(shí)際的訓(xùn)練進(jìn)行強(qiáng)化，利于增強(qiáng)學(xué)生基本知識、基本理論和基本技能的實(shí)際應(yīng)用。針對上述需求和功能，構(gòu)建系統(tǒng)子模塊包括：實(shí)習(xí)資源加載模塊、實(shí)習(xí)區(qū)切換模塊、實(shí)習(xí)要點(diǎn)顯示查詢模塊、觀測記錄登記模塊、定位導(dǎo)航和監(jiān)控模塊。

1.實(shí)習(xí)資源加載模塊

通過選擇自定義實(shí)習(xí)內(nèi)容或者共享實(shí)習(xí)資源，初始化加載Google Maps矢量地圖和衛(wèi)星地圖（圖2），作為基礎(chǔ)底圖。文本、圖像、視頻以及其他多媒體資料，以KML數(shù)據(jù)形式下載到手機(jī)客戶端，選擇性加載使用。

2.實(shí)習(xí)區(qū)切換模塊

選擇性增加實(shí)習(xí)區(qū)域掃描的地形圖和地質(zhì)圖并通過鷹眼模式分屏動態(tài)顯示實(shí)習(xí)區(qū)域的高清遙感、地形和地質(zhì)圖形等基礎(chǔ)地理信息，學(xué)生在熟練判讀使用三種圖件后，能夠同時(shí)對于地表、地形、地質(zhì)和地貌的相互影響及作用關(guān)系深入了解。疊加地形圖和地質(zhì)圖如圖3、圖4所示。

3.實(shí)習(xí)要點(diǎn)顯示查詢模塊

采用點(diǎn)—線—面的組織形式將實(shí)習(xí)點(diǎn)、觀測路線和實(shí)習(xí)區(qū)域在地圖顯示平臺上發(fā)布顯示；對各實(shí)習(xí)點(diǎn)、路線和區(qū)域的要點(diǎn)知識和背景資料等屬性，以文字、剖面示意圖、典型照片、解說音視頻等形式進(jìn)行整理入庫，供學(xué)生預(yù)習(xí)和實(shí)習(xí)中查詢，同時(shí)也可減輕學(xué)生攜帶大量紙質(zhì)資料的壓力。

4.實(shí)習(xí)觀測記錄模塊

根據(jù)實(shí)際觀測點(diǎn)位置以標(biāo)準(zhǔn)電子表單的形式添加標(biāo)注，供學(xué)生將實(shí)習(xí)過程中觀測記錄數(shù)據(jù)（觀測點(diǎn)編號、位置、觀測目的、巖性、地層、地貌、標(biāo)本、照片編號等）進(jìn)行登記，強(qiáng)化學(xué)生對野外觀測和記錄方法的訓(xùn)練。同時(shí)平臺還可以供學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中的典型現(xiàn)象、新發(fā)現(xiàn)或新問題進(jìn)行標(biāo)注和提問。

5.實(shí)習(xí)路線定位、導(dǎo)航和監(jiān)控模塊

通過接收GPS衛(wèi)星信號，獲得學(xué)生實(shí)時(shí)地理位置信息，結(jié)合地圖顯示平臺和實(shí)習(xí)要點(diǎn)顯示查詢平臺發(fā)布的實(shí)習(xí)點(diǎn)、觀測路線和實(shí)習(xí)區(qū)域位置信息，進(jìn)行手動目的地導(dǎo)航或?qū)嵙?xí)路線自動任務(wù)導(dǎo)航，并可根據(jù)一定的時(shí)間間隔將實(shí)際實(shí)習(xí)路線軌跡進(jìn)行繪制、記錄、存儲和導(dǎo)出，強(qiáng)化學(xué)生在野外工作的方向和方位感，此外教師還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生實(shí)習(xí)位置，增強(qiáng)安全管理。GPS定位功能和實(shí)習(xí)點(diǎn)查詢功能如圖5、圖6所示。

（二）網(wǎng)頁端模塊實(shí)現(xiàn)

1.虛擬實(shí)習(xí)模塊

瀏覽器直接調(diào)用Google Maps API瀏覽在線地圖，根據(jù)用戶需要，自定義添加地質(zhì)圖、地貌圖、遙感圖。通過查詢實(shí)習(xí)地點(diǎn)，定位到實(shí)習(xí)區(qū)域，可以自定義觀測點(diǎn)、實(shí)習(xí)路線、實(shí)習(xí)區(qū)域并獲取詳細(xì)的空間信息。實(shí)時(shí)顯示實(shí)習(xí)點(diǎn)坐標(biāo)、實(shí)習(xí)路線長度、實(shí)習(xí)區(qū)域面積等基礎(chǔ)地理空間信息，并定制觀測要點(diǎn)。

2.自主學(xué)習(xí)模塊

在選擇實(shí)習(xí)地點(diǎn)以后，實(shí)習(xí)內(nèi)容以電子手冊的形式將觀測區(qū)域的基本知識、基本理論、基本方法展現(xiàn)給學(xué)生。知識體系以礦物、巖石、地層、地貌現(xiàn)象、植被土壤等基礎(chǔ)知識與沉積相、內(nèi)外動力作用、植被分布等理論相結(jié)合，配合視頻圖像等多媒體資料構(gòu)成，通過線上學(xué)習(xí)，以加強(qiáng)學(xué)生對現(xiàn)象和規(guī)律、局部和整體、實(shí)際和理論的認(rèn)知，為野外實(shí)習(xí)基本技能打好基礎(chǔ)（圖7）。

3.實(shí)習(xí)內(nèi)容定制與共享

在網(wǎng)頁平臺注冊后，根據(jù)指導(dǎo)教師的學(xué)校、姓名、版本號、實(shí)習(xí)地點(diǎn)，以Google Earth通用的KML等通用文件格式，生成新的案例，通過幾何服務(wù)，自定義觀測路線，并對實(shí)習(xí)區(qū)域，觀測線路、觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯后，共享至服務(wù)器，供用戶下載。

五、結(jié)束語

結(jié)合GIS技術(shù)與Google Maps API深度定制的野外地理綜合實(shí)習(xí)平臺不僅完善了實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的互動與教學(xué)資源的共享，更促進(jìn)了移動和PC平臺的地理野外實(shí)訓(xùn)教學(xué)高效集成發(fā)展，短期內(nèi)可以迅速轉(zhuǎn)換教與學(xué)的主導(dǎo)因素，增強(qiáng)學(xué)生能動性，提高教學(xué)成效，更長遠(yuǎn)的可以擴(kuò)充平臺的適用性，是對地理野外教學(xué)平臺設(shè)計(jì)的一種創(chuàng)新理念。本文在對野外地理綜合實(shí)習(xí)平臺需求分析的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)功能模塊的定制進(jìn)行了深入的研究，并率先在宜興張渚盆地的野外綜合實(shí)習(xí)教學(xué)中，對該平臺進(jìn)行了使用驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

圖2 手機(jī)端系統(tǒng)主界面

圖3 地形圖疊加界面

圖4 地質(zhì)圖疊加界面

圖5 GPS設(shè)備檢測

圖6 實(shí)習(xí)點(diǎn)定位

圖7 自主學(xué)習(xí)模塊界面

（1）根據(jù)系統(tǒng)需求定制PC端WEB平臺，包含了學(xué)生補(bǔ)充學(xué)習(xí)和教學(xué)內(nèi)容擴(kuò)展模塊和教學(xué)管理模塊，學(xué)生通過虛擬實(shí)習(xí)，自主實(shí)習(xí)，能夠較好的完成張渚盆地野外綜合實(shí)習(xí)的課前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)。教師管理頁面通過對學(xué)生信息管理、教學(xué)資源發(fā)布共享，在首次測試中易用性體驗(yàn)較好。WEB端擴(kuò)展性強(qiáng)、易定制，是教師帶隊(duì)培養(yǎng)模式的有力補(bǔ)充，也促進(jìn)了跨平臺教學(xué)與管理技術(shù)的升華。

（2）以學(xué)生互動教學(xué)為主的移動客戶端上，學(xué)生通過對目標(biāo)區(qū)域的實(shí)習(xí)要求，獲取實(shí)習(xí)路線，通過GPS定位到實(shí)習(xí)點(diǎn)，通過地質(zhì)、地貌、遙感影像的匹配等教學(xué)媒體優(yōu)化組合，由表及里的對目標(biāo)區(qū)域基本地理概況和基礎(chǔ)知識進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。實(shí)習(xí)結(jié)果表明，野外教學(xué)效果優(yōu)秀，學(xué)生知識掌握情況較好，達(dá)到了本平臺構(gòu)建的實(shí)踐性、探究性等初步要求。

（3）基于Google Maps API的野外地理綜合實(shí)習(xí)平臺采用KML兼容文件格式，導(dǎo)出數(shù)據(jù)可直接加載到谷歌地球上瀏覽，又可將不同來源的實(shí)習(xí)區(qū)KML數(shù)據(jù)納入平臺使用，內(nèi)容的兼容性和擴(kuò)展性強(qiáng)；通過平臺KML數(shù)據(jù)共享，互通有無，豐富了野外優(yōu)良地理實(shí)習(xí)地點(diǎn)信息，滿足各高校地理綜合實(shí)習(xí)需求，可改善當(dāng)前野外實(shí)習(xí)區(qū)因開發(fā)等因素不斷被破壞減少的局面，推廣價(jià)值極大。

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［17］ 黃穎，謝忠.分布式異構(gòu)多級空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.測繪科學(xué)，2007，（4）：150.

［18］ 陳永剛，王義平，張茂震.基于Flex和Google Map API的森林病蟲害網(wǎng)絡(luò)地圖發(fā)布系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，（7）：35-37.

research teaching； field geography practice； Android system； GIS

G642

A

1006-9372（2015）01-0114-05

2014-08-20。

河海大學(xué)研究型教學(xué)示范課程建設(shè)項(xiàng)目。

葛小平，男，講師，主要從事自然地理與水利、海洋信息化研究工作。

Title： Integrated Field Geographic Practice Platform Based on Google Maps API

Author（s）： GE Xiao-ping， WANG Xin-hao， YANG Sheng-fei， DING Xian-rong