[出处] 教育教学论坛_2022年第11期

朱凌一　丁园圆　王勇

[关键词] 虚拟仿真;GIS算法课程实习;Visual C#;系统

[基金项目] 2019年度国家重点研发计划“城市多尺度大气污染物扩散监测模拟技术研究”（2019YFB2102003-1）

[作者简介] 朱凌一（2000—），男，江苏泰兴人，南京信息工程大学长望学院2018级地理信息科学专业本科生，研究方向为GIS技术与应用;丁园圆（1982—），女，江苏泰兴人，理学博士，南京信息工程大学地理科学学院讲师（通信作者），主要从事GIS技术与应用研究;王 勇（1979—），男，江苏海安人，理学博士，南京信息工程大学应用气象学院副教授，主要从事3S技术与气象应用研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）11-0033-04 [收稿日期] 2021-08-25

引言

随着计算机技术的发展，计算机虚拟仿真、可视化显示、网络等技术的兴起，为社会中的各行各业带来了极大的便利。教育部在2018年发布了《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》，这为高校实验室的建设带来了新的发展机遇[1，2]。虚拟仿真对客观上存在的或抽象的事物，采用计算机技术构建出虚拟的环境，给人一种身临其境的感觉。地理信息系统（GIS）算法是解决地理信息问题的计算方法和步骤，课程兼顾原理与上机实践，内容抽象，依赖于计算机技术;而虚拟仿真教学系统是将专业理论知识与计算机技术结合的产物，所以GIS算法课程实习教学非常适合建立虚拟仿真教学系统，通过计算机的交互操作、可视化显示和数据处理等功能，对实习内容进行可视化的虚拟仿真，以完成算法原理、操作、代码查阅、评价及结果显示，从而可进行各种GIS算法实验，将抽象的原理变得具体，通过人机交互的方式，为学生展现一个友好的学习界面，使学生更容易掌握抽象的知识，为实验室教学带来了方便，并深受学生的喜爱。因此，把虚拟仿真技术引入地学类课程实习教学已成为一种趋势[3-5]。

20世纪80年代末，美国弗吉尼亚大学的William Wolf教授首先提出了将虚拟仿真技术应用于虚拟仿真实验平台，1998年美国麻省理工学院的Web Lab远程实验室使用了虚拟仿真技术;美国俄勒冈大学主办的VLAB物理实验网站涵盖了天体物理、力学、热学等几十种虚拟实验;美国休斯敦大学和NASA联合建立了一个具有高度交互性的VETL实验室;美国密歇根大学创建了在化学工程领域应用虚拟仿真技术的VRCEL实验室。其他发达国家也取得了不错的进展，如澳大利亚皇家墨尔本理工大学设计热传递过程的虚拟仿真实验;加拿大维多利亚大学开发了电子电路虚拟仿真实验室;德国波鸿鲁尔大学建立了一个具有三维实验场景的网络虚拟实验室。由此可见，虚拟实验室在发达国家已十分普及。

在国内，各大高校也非常重视虚拟实验室的建设。中国科学技术大学研制出我国第一套虚拟仿真实验平台软件“几何光学设计平台”;清华大学成立了“电力系统及大型发电设备安全控制和仿真”国家重点实验室;中国农业大学建立了土壤—作物系统虚拟实验室。此外，南京大学、上海交通大学、河海大学、南京信息工程大学[6]等一批高校，也相继开发了一批虚拟实验教学系统，在物理、电子、医学、建筑、生化、气象等学科中发挥了重要作用。

目前虚拟仿真教学系统已经广泛应用于高校的各类实验室中，因此要加大对地理信息科学专业学生实践能力的培养，摆脱高校实验室受经费与硬件设备频繁更新等因素的限制，使实习条件跟上最新技术的发展，滿足学生实习的需求。同时，为了改善高校地学类GIS算法课程实习教学条件、改革课程实习教学方法、提高课程实习教学水平，本文基于GIS算法课程实习中的案例原理，利用虚拟仿真技术开发GIS算法课程实习虚拟仿真教学系统，使学生更为直观地掌握GIS算法的原理，同时此平台的建设也为地理信息科学专业等相关课程开展虚拟仿真实验提供了有益的参考。

一、课程目标和虚拟仿真教学的优势

（一）课程目标

GIS算法课程是一门实践性、综合性、应用性较强的地理信息系统基础课程，对学生动手能力要求很高。上机实验是该课程的必要实习环节。通过上机实验，学生将学到的算法运用于实际操作，一方面可以更为深刻地掌握算法的基本原理;另一方面可以提高学生的计算机实际应用动手能力，让学生有成就感，激发学生对本课程的学习兴趣。课程包括原理与上机实践。虚拟仿真教学系统是高新技术反哺教育，将GIS算法课程实习内容与虚拟仿真相结合，以完成算法原理、操作、代码查阅、评价及结果显示。通过各种GIS算法实验，虚拟仿真教学系统为课程实习教学带来了便捷。

（二）虚拟仿真教学的优势

采用虚拟仿真技术在课程实习教学中具有以下几点优势：（1）突破时间空间限制，不局限于实验室，使用电子设备就可以随时随地开展实习，实现线上教学，师生在线研讨;（2）解决了实验耗材搭建难的问题，通过虚拟技术模拟抽象问题，让学生可以体验各种实习，可以更好地获取知识，既真实直观又不损耗仪器，激发了学习热情;（3）易开展综合性实习，有利于培养学生的创新能力;（4）提高课堂效率，可以展示抽象的原理，提高教学效率;（5）安全教学，可以任意进行探索性操作，没有安全隐患。

二、GIS算法课程实习虚拟仿真教学系统的构建

（一）主要GIS算法原理

GIS算法课程实习虚拟仿真教学系统的主要内容有点与线段位置关系判断、两线段位置关系判断等算法，本文以矢量（点与线段、两线段）位置关系判断算法为例，介绍其原理[7]。

点与线段的位置关系判断，使用矢量叉乘，设点为Q，线段为PP，主要依据是：（Q-P）×（P-P）=0，同时满足Q在以P、P为对角顶点的矩形内。前者说明Q点在线段PP所在的直线上，后者说明Q点不在线段PP或者线段PP的延长线上。

两线段的位置关系判断，可确定两条线段是否相交，分两步：（1）快速排斥试验。设以线段PP为对角线的矩形为R和以线段QQ为对角线的矩形为T，若R和T不相交，表明两线段不会相交。（2）跨立试验。若两线段相交，则两线段必须相互跨立对方。使用矢量叉乘，若线段PP跨立线段QQ，则矢量（P-Q）和（P-Q）位于矢量（Q-Q）的两侧，即（P-Q）×（P-Q）*（P-Q）×（Q-Q）<0。上式改写为（P-Q）×（Q-Q）*（Q-Q）×（P-Q）>0。當（P-Q）×（Q-Q）=0时，说明（P-Q）和（Q-Q）共线，但是因为已经通过快速排斥试验，所以P1一定在线段Q1Q2上;同理，（Q-Q）×（P-Q）=0说明P2一定在线段QQ上。故判断线段PP跨立线段QQ的依据是：（P-Q）×（Q-Q）*（Q-Q）×（P-Q）≥0。同理，判断线段Q1Q2跨立线段P1P2的依据是：（Q-P）×（P-P）*（P-P）×（Q-P）≥0。

（二）系统的功能

根据GIS算法课程实习教学内容，以GIS矢量（点与线段、两线段）位置关系判断算法为例，设计了GIS算法课程实习虚拟仿真教学系统，其操作界面见图1。系统由登录界面功能、系统设置功能、系统判断方式设置、要素绘制和要素绘制选项等五个模块组成。本系统实现矢量要素的判断功能，能够方便地计算矢量与矢量之间的关系，实现矢量点、矢量边的可视化。

1.登录界面功能。在用户初次加载此程序的时候，在GIS矢量数据位置关系判断可视化系统加载登录界面时，系统会完成自检，并从后台读取本地的帮助文档文件以检测帮助文档是否存在。若不存在，系统会提示检测本地的帮助文档;若存在，则完成对系统的载入。

2.系统设置功能。在系统加载完备的情况下，用户通过点击左上角的设置按钮，对GIS矢量数据位置关系判断可视化系统进行个性化设置，包括判断方式的设置、系统是否可窗口化（缩放）、系统默认绘制方式、绘制颜色与绘制尺寸的设置。

3.系统判断方式设置。在系统设置界面，用户通过点击单选按钮进行判断方式的选择。自动判断方式系统会在绘制完成后自动给出判断的结果。手动判断的方式，系统会提供手动判断按钮，在绘制完成后，用户可以通过点击判断按钮，完成对绘制要素间关系的判断。

4.要素绘制。在完成绘制模式的选择后，用户通过点击鼠标左键可以绘制相对应的要素，并完成可视化显示。

5.要素绘制选项设置。可以通过系统设置以绘制不同颜色和大小的要素。

（三）系统的软件开发平台和技术

矢量作为GIS勾勒世界的主要手段，近年来在GIS系统乃至制图系统中得到了越来越广泛的应用。当前有很多的矢量算法，但是实现相关算法，并且实现其可视化的软件却很少。该系统的开发平台为微软推出的Visual Studio 2012.NET，是开发Windows平台产品的利器。基于GIS算法理论与C#相关的编程基础，利用C#代码实现相关矢量算法及其可视化，实现了GIS算法课程实习虚拟仿真教学系统的开发。

三、虚拟仿真教学系统的实际应用效果

以地理信息科学专业2018级本科生的课程实习教学情况为例，共有80位学生作为研究对象，通过问卷调查的形式，调查了这80位学生，回收率为100%。调查结果显示，学生认为虚拟仿真教学网站操作简单，能够提高学生的自学能力，加深对知识的理解程度，对于虚拟仿真实验教学平台的满意度较高（见表1）。在实习过程中，系统运行稳定，无报错情况出现。绝大多数学生提交了合格的实习报告，达到了课程设计的预期目标。

結语

本文将GIS算法原理与虚拟现实等技术结合，采用Visual C#语言建构了GIS算法课程实习虚拟仿真教学系统，建立了登录界面、系统设置、系统判断方式设置、要素绘制和要素绘制选项设置等功能模块，完成了算法原理查询、操作、代码查阅、评价及结果显示，将抽象的原理变得具体，有效提高了学生对GIS算法知识的理解，也是高新技术反哺教育的典型案例，给新时代教育事业的发展增添了色彩，为各类课程的实践教学平台建设提供了新案例。