《地理信息系统原理》课程教学方法探索与实践

摘要：针对传统GIS教学中直观性、互动性不足的问题，提出基于Cesium三维仿真平台的教学改革方案。通过分析传统教学局限，结合Cesium的虚拟地球构建与空间分析功能，设计了融合三维可视化、交互操作的教学实践体系。案例研究表明，该方法能有效提升学生对GIS原理的理解深度和实践操作能力，同时激发学习兴趣，为GIS课程创新提供了虚实融合的实践路径，教学效果显著优于传统模式。

关键词：Cesium；地理信息系统；虚拟地球；实践教学

一、引言

随着信息技术的飞速发展，地理信息系统（GIS）在各行业的应用日益深入。《地理信息系统原理》作为地理信息科学、地理科学等学科的核心课程，在夯实学生理论基础和培养实践能力方面发挥着至关重要的作用。然而，传统教学模式以理论讲授为主，内容抽象、缺乏直观呈现，导致学生在理解关键知识点、构建知识体系时面临较大挑战，难以深入掌握GIS的核心概念和技术，限制了其应用能力的提升[1]。

为应对这一挑战，将虚拟现实（VR）技术引入课程教学已成为教育信息化和教学改革的重要趋势。国家教育部在《教育信息化2.0行动计划》和《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022-2026年）》中明确提出，要推动虚拟现实、增强现实（AR）等新一代信息技术与教育领域的深度融合，构建智能化、沉浸式的教学环境，以提升教学质量和学生学习体验。这些政策为VR技术在教育中的应用提供了强有力的支持，也为GIS课程的教学改革指明了方向[2-3]。

因此，本文将Cesium虚拟仿真平台引入《地理信息系统原理》课程教学，旨在构建一种更加直观、交互性强且富有沉浸感的教学模式。通过虚拟现实技术的应用，学生可以在三维虚拟环境中直观地理解GIS的空间数据模型和分析方法，从而突破传统教学的局限性，提升教学质量，激发学生的学习兴趣，并进一步增强其实践能力和综合素养。

二、课程教学现状分析

《地理信息系统原理》课程主要涵盖GIS的基本概念、数据模型、空间分析方法等核心内容。这些内容具有较强的抽象性，学生在学习过程中难以直观理解。目前，课程教学主要依赖课堂PPT讲授方式，学生普遍反映难以将抽象的理论知识与实际应用场景相结合。传统教学方法的主要问题可以归纳为以下三个方面：

（1）缺乏对地球真实形状的直观认识：学生难以理解地理空间坐标系和投影坐标系的概念，导致对空间数据的基础认知存在偏差；

（2）地理实体多尺度表达与数据模型概念脱节：教学中未能清晰阐述地理实体的多尺度表达与数据模型之间的内在联系，学生无法建立系统的知识框架；

（3）空间分析过程展示不足：传统教学方式难以生动展示GIS空间分析的具体过程，学生无法直观理解空间分析的原理 。

三、基于Cesium虚拟地球平台的教学方法设计

针对传统教学方法的不足，本文将Cesium虚拟地球平台引入《地理信息系统原理》课程教学。Cesium作为一款开源的虚拟地球平台，能够为学生提供沉浸式的学习体验，有效弥补传统教学在直观性、互动性和实践性方面的不足。基于Cesium的教学内容设计涵盖多个关键环节，以提升学生对GIS核心概念的理解和实践能力。

（一）地球形状与坐标系的直观展示

现实中的地球表面凹凸不平，借助Cesium虚拟地球平台支持的高精度地球模型，教师可以通过缩放、旋转等交互操作，从不同角度观察地球的椭球形状，并结合实际地形数据，直观呈现地球的椭球形状和地形的起伏变化。从而帮助学生直观理解空间参考系统的核心概念，并深入掌握地理坐标与投影坐标之间的转换方法及其应用场景。

（二）虚拟地理环境下的空间分析演示

借助Cesium提供的空间分析工具，教师可以在虚拟地理环境中动态演示空间分析的全过程，开展路径规划、可视域分析等实践案例。

以GIS中的网络分析为例，如图1所示，可在Cesium平台展示安徽师范大学花津校区的高精度模型，为学生构建了一个逼真的虚拟校园环境（图1a）。在该环境中，教师可以在路口或感兴趣的位置设置节点，并通过沿道路的矢量线将节点连接起来，从而构建出路网模型（图1b）。基于该模型，可以执行网络分析中的经典任务，如网络上任意两点之间的最短路径。通过这种方式，学生能够直观感受网络建模的全过程，理解节点、边、权重等网络要素的实际意义，并掌握网络分析的核心算法与应用场景。

四、教学实践与效果评估

为验证基于Cesium平台教学方法的有效性，在安徽师范大学2020级-2024级地理科学、地理信息科学等相关专业进行教学实践。将Cesium平台应用于《地理信息系统原理》课程的理论教学和实践环节。通过问卷和座谈调查评估了该教学方法的效果，实践结果表明，基于Cesium的教学方法显著提高了学生的学习兴趣和实践能力。调查显示，80%的学生认为Cesium平台使课程内容更加直观易懂，90%的学生表示对GIS课程的兴趣明显提高。采用新教学方法后，学生在实践操作和综合应用方面的表现尤为突出。

五、结论

本研究探讨了基于Cesium仿真平台的《地理信息系统原理》课程教学方法。通过理论分析和教学实践，得出以下结论：首先，Cesium仿真平台能够有效提高GIS课程教学的直观性和互动性，有助于学生更好地理解GIS原理和技术；其次，基于Cesium真实场景驱动的教学方法能够显著提升学生的实践能力和创新意识；最后，该教学方法在提高学生学习兴趣和能力方面效果显著，为GIS课程教学改革提供了新的思路。然而，本研究仍存在一些局限性。例如，教学实践的样本量较小，结果的普适性有待进一步验证；另外，Cesium平台在教学中的应用深度还有待进一步挖掘。未来的研究可以扩大实践范围，探索更多基于Cesium的创新教学方法，并与其他GIS教学工具进行对比分析，以进一步完善GIS课程教学体系。

参考文献：

[1]闾国年，袁林旺，陈旻，等.地理信息学科发展的思考[J].地球信息科学学报，2024，26（04）：767-778.

[2]田兵伟，赵一燃，李文秋，等.基于具身认知理论和VR技术的滑坡灾害应急科普教育模式[J].灾害学，2024，39（02）：178-184.

[3]徐英睿.OBE理念下地理信息系统原理课程混合式教学改革研究[J].长春师范大学学报，2024，43（08）：164-167.

作者简介：王楠（1989-），安徽师范大学，讲师，博士