田宜平,翁正平,何珍文,張志庭

摘要：空間信息與數(shù)字技術(shù)專(zhuān)業(yè)是一個(gè)新興專(zhuān)業(yè)，結(jié)合中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的優(yōu)勢(shì)學(xué)科，以培養(yǎng)地質(zhì)信息復(fù)合創(chuàng)新型人才為目標(biāo)。地學(xué)三維可視化與過(guò)程模擬是本專(zhuān)業(yè)的主干專(zhuān)業(yè)課之一，本文就該課程在課程體系中的地位、教材編寫(xiě)內(nèi)容選定、課程教學(xué)方法、一體化實(shí)踐教學(xué)以及大賽與科研結(jié)合的專(zhuān)業(yè)課教學(xué)模式等方面做了相應(yīng)的探討和實(shí)踐。相關(guān)工作將對(duì)同類(lèi)專(zhuān)業(yè)的課程建設(shè)有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：空間信息與數(shù)字技術(shù)；一體化實(shí)踐教學(xué)；課程教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）45-0148-03

空間信息與數(shù)字技術(shù)本科作為新專(zhuān)業(yè)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)武漢大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）、西安電子科技大學(xué)、廈門(mén)理工大學(xué)等多所院校開(kāi)設(shè)了該專(zhuān)業(yè)，各校依托優(yōu)勢(shì)學(xué)科，分別側(cè)重于測(cè)繪、地質(zhì)信息技術(shù)、深空探測(cè)等領(lǐng)域的空間信息機(jī)理研究及應(yīng)用，人才培養(yǎng)各具特色[1，2]。

我校開(kāi)辦的空間信息與數(shù)字技術(shù)專(zhuān)業(yè)依托地質(zhì)資源與地質(zhì)工程、地質(zhì)學(xué)等國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，以培養(yǎng)地質(zhì)信息技術(shù)復(fù)合創(chuàng)新型人才為目標(biāo)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)于2005年提出了“地質(zhì)信息科學(xué)”的理論框架與方法技術(shù)體系，為本專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)明確了學(xué)科基礎(chǔ)，為地質(zhì)信息技術(shù)復(fù)合型人才培養(yǎng)明確了指導(dǎo)思想[3，4]。本專(zhuān)業(yè)將立足服務(wù)于國(guó)家信息化建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的需要，為國(guó)家培養(yǎng)系統(tǒng)掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)、地質(zhì)學(xué)、資源勘查學(xué)、地礦勘查（察）計(jì)算機(jī)應(yīng)用、地質(zhì)信息系統(tǒng)工程等方面的基本理論、基本方法和基本技能，能適應(yīng)新時(shí)期地礦工作信息化建設(shè)發(fā)展需要，掌握科學(xué)的思維方法，愛(ài)崗敬業(yè)，能在地質(zhì)調(diào)查、地礦勘查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋勘查、黃金工業(yè)、礦山企業(yè)、建材勘查、水利水電、工程地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害勘查、城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)部門(mén)、交通、國(guó)防軍事、航空航天等行業(yè)或部門(mén)從事各類(lèi)地質(zhì)信息系統(tǒng)的管理、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和科學(xué)研究工作，具有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力和素質(zhì)，并且在德、智、體、美諸方面全面發(fā)展的復(fù)合型人才。本專(zhuān)業(yè)的課程體系建設(shè)近幾年來(lái)進(jìn)行了一系列深入地研究與探討，圍繞專(zhuān)業(yè)主干課進(jìn)行了課程設(shè)置，地學(xué)三維可視化與過(guò)程模擬為其專(zhuān)業(yè)主干課之一。

一、本課程在課程體系中的位置

本專(zhuān)業(yè)提出了基于知識(shí)結(jié)構(gòu)樹(shù)的課程體系研究與配置方法，構(gòu)建了學(xué)科基礎(chǔ)課—專(zhuān)業(yè)主干課—專(zhuān)業(yè)核心課的課程體系和專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案，編寫(xiě)出版了全新的專(zhuān)業(yè)核心課程教材，搭建了面向跨學(xué)科知識(shí)有機(jī)融合的教學(xué)體系，見(jiàn)圖1。圍繞《地質(zhì)信息系統(tǒng)》和《地學(xué)三維可視化與過(guò)程模擬》兩門(mén)核心課程配備專(zhuān)業(yè)主干課程，開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)技術(shù)類(lèi)、空間信息技術(shù)類(lèi)、地質(zhì)學(xué)與資源勘查學(xué)類(lèi)的系列課程，從地質(zhì)數(shù)據(jù)采集、管理、處理、建模、可視化及評(píng)價(jià)等不同角度構(gòu)建地質(zhì)信息處理專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系。在夯實(shí)地學(xué)基礎(chǔ)的同時(shí)強(qiáng)化計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)能力培養(yǎng)，并突出地質(zhì)信息技術(shù)的應(yīng)用特色。

二、教材編寫(xiě)內(nèi)容選定

本課程主要從地質(zhì)、地理兩個(gè)方面出發(fā)，全面介紹了地學(xué)三維可視化的理論、方法和技術(shù)手段。在數(shù)據(jù)模型、三維建模、可視化技術(shù)手段、空間可視化分析等方面都綜合考慮了地質(zhì)空間與地理空間的特點(diǎn)，將兩者完全統(tǒng)一起來(lái)，彌補(bǔ)了目前空間信息可視化的教材沒(méi)有考慮地質(zhì)空間特點(diǎn)的不足。針對(duì)地質(zhì)對(duì)象的建模不確定性與地質(zhì)過(guò)程模擬的復(fù)雜性，本課程在綜合介紹地學(xué)數(shù)據(jù)模型和可視化方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了三維地質(zhì)體建模和地質(zhì)過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬，突出了地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化的特色和難點(diǎn)。

針對(duì)本課程的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)小組在大量已有教材的基礎(chǔ)上自編并出版教材。教材的內(nèi)容章節(jié)如下：第1章 緒論，包括：（1）地學(xué)信息的科學(xué)概念及七多特性；（2）可視化的科學(xué)概念與地學(xué)可視化；（3）地學(xué)可視化的研究?jī)?nèi)容；（4）地學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及其可視化方法簡(jiǎn)介；（5）地學(xué)可視化與過(guò)程模擬的研究?jī)?nèi)容。第2章 地學(xué)信息可視化的理論基礎(chǔ)，包括：（1）地圖可視化理論；（2）地圖（學(xué)）信息傳輸理論；（3）空間認(rèn)知科學(xué)理論；（4）數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)理論；（5）地學(xué)圖解/圖譜理論；（6）虛擬現(xiàn)實(shí)理論。第3章 地學(xué)信息的數(shù)據(jù)模型，包括：（1）地學(xué)信息的空間數(shù)據(jù)模型；（2）地學(xué)信息的屬性數(shù)據(jù)模型。第4章 三維地質(zhì)體建模，包括：（1）三維地質(zhì)體建?，F(xiàn)狀；（2）三維地質(zhì)體建模難點(diǎn)分析；（3）三維地質(zhì)建模方法。第5章 典型的地學(xué)數(shù)據(jù)及其可視化方法，包括：（1）數(shù)據(jù)類(lèi)型；（2）點(diǎn)數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化；（3）標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)的可視化；（4）矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)的可視化；（5）張量場(chǎng)數(shù)據(jù)的可視化；（6）其他可視化方法。第6章 地學(xué)三維可視化分析，包括：（1）數(shù)字地形顯示與簡(jiǎn)化技術(shù)；（2）地理空間分析可視化技術(shù)；（3）地質(zhì)體三維可視化技術(shù)。第7章 地學(xué)三維可視化實(shí)現(xiàn)工具，包括：（1）OpenGL；（2）Direct3D；（3）OSG；（4）Java3D；（5）VRML；（6）QuantyView。第8章 地質(zhì)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，包括：（1）盆地模擬概述；（2）構(gòu)造—地層格架演化的平衡剖面法模擬；（3）構(gòu)造—地層格架演化的平衡體法模擬；（4）盆地古地?zé)釄?chǎng)與有機(jī)質(zhì)熱演化模擬；（5）生烴模擬；（6）排烴模擬；（7）運(yùn)聚模擬。

教材的編寫(xiě)思路是按照“可視化理論—數(shù)據(jù)模型—建模—可視化方法—可視化分析技術(shù)—可視化工具—過(guò)程動(dòng)態(tài)可視化”的流程，先總結(jié)目前可視化研究領(lǐng)域的一些理論，詳細(xì)闡述如何用各種數(shù)據(jù)模型來(lái)表達(dá)存儲(chǔ)地學(xué)三維數(shù)據(jù)，探討各種三維模型的建模方法，建立起模型后研究用什么可視化方法來(lái)表征各種三維模型，進(jìn)一步對(duì)三維模型進(jìn)行可視化分析技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，最后介紹實(shí)現(xiàn)上述可視化的編程工具（三維引擎）。在教材的第8章給出了一個(gè)典型的地質(zhì)過(guò)程可視化模擬的案例，綜合應(yīng)用前面章節(jié)的手段實(shí)現(xiàn)盆地模擬過(guò)程可視化，可為其他地學(xué)過(guò)程可視化提供借鑒手段。

三、課程教學(xué)方法——一體化實(shí)踐教學(xué)

在強(qiáng)化課堂教學(xué)，加強(qiáng)課程間融會(huì)貫通的基礎(chǔ)上，在前導(dǎo)課程的支持下，本課程采取實(shí)際科研項(xiàng)目引導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，采用科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的大型三維地學(xué)可視化軟件平臺(tái)Quanty View進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)的內(nèi)容是實(shí)際科研項(xiàng)目中常用的三維建模與可視化功能的開(kāi)發(fā)。與前導(dǎo)課程一起構(gòu)筑由課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、綜合設(shè)計(jì)、專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)等組成的一體化實(shí)踐教學(xué)體系，見(jiàn)圖2，培養(yǎng)學(xué)生工程思維和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手開(kāi)發(fā)能力。endprint

本課程的上機(jī)實(shí)踐是從實(shí)際科研項(xiàng)目中提煉出來(lái)的實(shí)習(xí)內(nèi)容，緊緊圍繞常用的三維建模與可視化功能的開(kāi)發(fā)，針對(duì)性強(qiáng)，讓學(xué)生從上機(jī)實(shí)踐中理解貫通課堂的教學(xué)內(nèi)容?？偣舶才潘拇紊蠙C(jī)實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)一：地質(zhì)災(zāi)害三維可視化建模實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆誈eoHazard三維可視化軟件，了解三維可視化概念及其原理。使用地學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)，使用三維可視化軟件和鉆孔數(shù)據(jù)，建立地質(zhì)三維模型。實(shí)驗(yàn)二：三維可視化分析。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模杭由顚?duì)三維建模軟件的使用，掌握軟件三維可視化分析操作和原理，特別是矢量剪切分析；了解三維可視化分析其他各個(gè)功能的編程原理和基本算法。實(shí)驗(yàn)三：基于QuantyView的二次開(kāi)發(fā)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏煜せ赒uantyView的二次開(kāi)發(fā)，掌握地學(xué)三維可視化軟件基本框架的搭建；通過(guò)QuantyView平臺(tái)軟件的二次開(kāi)發(fā)，熟悉地學(xué)三維可視化技術(shù)的編程實(shí)現(xiàn)，完成專(zhuān)題動(dòng)態(tài)庫(kù)創(chuàng)建及配置、專(zhuān)題EXE的創(chuàng)建及界面配置以及控制線(xiàn)建模實(shí)例開(kāi)發(fā)。實(shí)驗(yàn)四：基于QuantyView的二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)三維可視化功能，實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)具體的可視化功能二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)來(lái)完成進(jìn)一步熟悉基于QuantyView的二次開(kāi)發(fā)，掌握地學(xué)三維可視化功能模塊的開(kāi)發(fā)，完成搭建基于QuantyView的三維可視化軟件框架、在當(dāng)前圖層中創(chuàng)建一個(gè)多邊形對(duì)象、實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)漫游、實(shí)現(xiàn)路線(xiàn)飛行漫游、實(shí)現(xiàn)多邊形對(duì)象的分層設(shè)色、實(shí)現(xiàn)兩個(gè)多面體合并等開(kāi)發(fā)內(nèi)容。

四、大賽與科研相結(jié)合的專(zhuān)業(yè)課教學(xué)模式

本課程的教學(xué)對(duì)象是高年級(jí)的本科生，有著一定的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課知識(shí)的儲(chǔ)備，具有參與實(shí)際科研或挑戰(zhàn)杯、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等大賽的能力。在專(zhuān)業(yè)課程教師指導(dǎo)下參加科研或大賽是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維，提高動(dòng)手能力有著重要的作用。本課程組的教師圍繞本專(zhuān)業(yè)課的研究?jī)?nèi)容提出一些前沿的研究小課題，指導(dǎo)學(xué)生參賽，讓學(xué)生自己獨(dú)立思考如何完成小課題的研究。同時(shí)，專(zhuān)業(yè)課的教師都承擔(dān)著一定的實(shí)際科研項(xiàng)目，也可以從科研項(xiàng)目中抽取相關(guān)的小功能提供給學(xué)生開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手解決問(wèn)題的能力。為此構(gòu)筑了大賽與科研相結(jié)合的專(zhuān)業(yè)課教學(xué)模式，促進(jìn)了多層次、多渠道的導(dǎo)師制和產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。多層次是指針對(duì)不同年級(jí)的學(xué)生開(kāi)展不同類(lèi)型的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。通過(guò)導(dǎo)師與學(xué)生雙向選擇，低年級(jí)參與以興趣引導(dǎo)、基本技能訓(xùn)練為主的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)型實(shí)踐，高年級(jí)參與項(xiàng)目或競(jìng)賽的綜合型和研究型實(shí)踐。多渠道指產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，打破單一的課內(nèi)教學(xué)模式，將課外實(shí)踐納入人才培養(yǎng)體系。通過(guò)與企業(yè)合作建設(shè)實(shí)習(xí)基地，派遣學(xué)生參加實(shí)習(xí)，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力[5]。大賽與科研相結(jié)合的專(zhuān)業(yè)課教學(xué)模式有利于課程理論、實(shí)際科研與實(shí)戰(zhàn)能力的全方位培養(yǎng)。

五、結(jié)語(yǔ)

地學(xué)三維可視化與過(guò)程模擬課程以地質(zhì)信息科學(xué)為學(xué)科基礎(chǔ)，依據(jù)教學(xué)實(shí)際情況，按照“理論—模型—建?！梢暬椒ā梢暬治黾夹g(shù)—可視化實(shí)現(xiàn)工具—過(guò)程動(dòng)態(tài)可視化”逐漸由理論走向?qū)嵺`的思路，完成了教材編寫(xiě)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)科學(xué)知識(shí)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)融合，為專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案起到承上啟下的作用，可操作性強(qiáng)。專(zhuān)業(yè)主干課程結(jié)合實(shí)際運(yùn)行的應(yīng)用軟件進(jìn)行案例講解，上機(jī)實(shí)習(xí)采取高仿真的“模擬項(xiàng)目”的教學(xué)方式。學(xué)生自主實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，組成項(xiàng)目研發(fā)小組，完成整個(gè)項(xiàng)目的研發(fā)，并取得了較好的效果。本課程為“空間信息與數(shù)字技術(shù)”專(zhuān)業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了應(yīng)有的作用，所選取的教學(xué)內(nèi)容和采取的教學(xué)方式對(duì)促進(jìn)相似專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的教育教學(xué)思想完善起到了很好的示范和借鑒作用。

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