山东省新汶地区野外地质实习辅助教学系统构建

宋 璠， 苏妮娜

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东 青岛 266071)

山东省新汶地区野外地质实习辅助教学系统构建

宋 璠1, 2， 苏妮娜1, 2

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东 青岛 266071)

在当今网络信息技术飞速发展与智能移动设备性能不断提升的形势下，利用移动设备进行空间信息查询已成为了一种重要手段，这为从事野外工作的人员提供了新的技术支持。针对中国石油大学(华东)开设的山东省新汶地区野外地质实习过程中存在的实际问题，构建了一套基于谷歌地图的手机版辅助教学系统，实现了野外地质实习路线设计与管理、地图浏览与导航、地质教学点定位与信息预览、野外教学过程记录等功能，对于提高野外地质教学效率和质量、优化传统实践教学模式具有重要作用。通过将该系统应用于近两年野外实习教学之中，合理避免了由于实习环境改变等因素造成的实习教学点缺失或遗漏的问题，同时有效激发了学生的学习兴趣，并帮助其建立直观、系统的地质认识。

野外地质实习； 谷歌地图； 辅助教学系统； 实践教学; 新汶地区

0 引 言

地质学是一门实践性很强的科学。地质实习对于学生巩固和深化所学理论知识、增强感性认识以及培养野外工作能力等有着特别重要的意义，是整个地质学教学中十分重要的实践环节[1-2]。新汶盆地位于山东省新泰市境内，是鲁西南一个小型的中新生代陆相断陷盆地，形态上为一箕状的、不对称向斜盆地，基底为太古界的变质岩系，在其漫长的演化历史中保留了完整的地质记录[3]。新汶地区露头岩石类型丰富、构造现象典型、交通极为便利，是进行野外地质实习的良好场所。中国石油大学(华东)地质学、资源勘查工程、勘查技术与工程以及石油工程等多个专业均开设了为期两周的暑期新汶地区野外地质实习，目的在于加强学生对地质学基础理论的理解，培养分析基础地质问题的实践技能，为后续专业课的学习奠定基础。然而，随着新汶地区近年来不断发展，开山采石、修路、种植树木等均对野外地层露头造成了一定程度的破坏。在每年的实习教学过程中，实习队都不得不就近寻找一些新的教学点。另外，在天气、地形地貌、外界干扰等因素影响下，带队老师尤其是新教师常会出现迷路或遗漏教学点等情况而影响教学效果[4-5]。随着先进的智能移动设备、网络技术以及GPS定位技术的普及，当今高校师生基本人手一部具有高级定位功能的智能手机。鉴于此，针对野外地质实习中存在的实际问题，本文构建了一套基于谷歌地图的手机版新汶地质实习辅助教学系统，实现了野外卫星地图浏览、地质教学点记录、实习知识点提示、地质现象预览等功能，为提高地质实习效率及教学效果提供有力的支持。

1 系统构建基础

谷歌地图是美国Google公司提供的电子地图服务，是其空间信息产业最重要的产品之一。谷歌地图除了提供矢量地图、卫星照片、地形视图等功能外，还为用户提供了丰富的应用程序接口(API接口)，使用者可以利用JavaScript语言对该程序进行扩展，根据需求搭建平台[6-7]。并且，该接口同样适用于移动设备Android系统开发应用，辅以GPS定位功能及图像遥感技术，能够为身处野外的用户提供所需的空间环境资料[8]。本系统基于Android操作系统构建，内容丰富、操作简便，以APP程序的方式分发给实习师生安装即可使用。

本系统以谷歌地图作为背景，利用其丰富的卫星遥感图像数据在地形图上叠加地质露头图层，并且将实地观察与描述的地质实习教学点作为关键位置突出显示。由于野外地质实习路径、现象等信息数据以及相应教学资源等更新并不频繁，通常每年实习前更新一次即可，因此系统需求的数据库管理功能较为简单，主要为数据的简单读取，在目前智能手机上易于实现。使用者只需通过点选访问浏览地图，对地图进行缩放、移动、叠加图层、标记等操作，即可完成对数据的读取与管理。此外，实习教学点定位通过移动通信网络与GPS混合定位模式实现，定位精度高，且受环境因素干扰小。

2 模块设计与主要功能

2.1系统模块划分

根据新汶地区野外地质实习的实际需求，本系统共设计了4个应用模块与1个帮助模块，如图1所示。其中，实习路线地图模块是以谷歌地图为背景，在地形图基础上叠加地质露头的一个图像展示模块，使用者可以通过点选预览某一实习路线的整体地形、地层特征，建立直观印象；地图偏移设置模块主要用于校正地质教学点实际坐标位置与谷歌地图之间的系统误差，通过调节地理南北位置与东西位置的偏移校正量，使实习路线的预习更加精确，便于实习过程中通过GPS准确定位教学点；实习路线管理与教学地点管理是本系统的两个核心模块，在实习路线管理模块中，用户可根据不同的实习目标、教学安排合理设计观测路线，例如新汶地区实习可选择地层-构造-沉积观测路线，或者构造-地层-沉积路线等多种方案，用户还可根据路线情况及时修订实习方案，有助于大批实习队有效协调完成实习任务；教学地点管理模块主要包括实习教学点的位置信息、地质特征以及录入的关键知识点，使用者可提前对知识点进行预习，实习过程中也可进入系统查询实习要点，避免漏记笔记、未听清讲解等情况，另外在模块中还设置了教学点提示功能，防止新教师遗漏教学点等情况。

图1 系统模块划分及主要操作示意图

2.2系统特点与主要功能

为了确保教学点位置及属性信息显示准确，在系统中专门设计了地质教学点数据库，结构如表1所示。本系统采用谷歌地图API进行开发，采用Java语言编写。由于Android版谷歌地图提供的电子地图服务都是免费的，故系统API接口使用不限次数[9-10]，便于师生随时使用。此外，本系统包含地图显示层、数据操作层和任务逻辑层等多层体系结构，实现了模块化运行，增强了系统的稳定性。系统构建完成后，经华为P8、小米4S、三星Galaxy A7、魅族MX5等学生常用机型的Android平台运行测试效果良好，系统定位准确，反应速度较快，系统整体运行稳定，运行界面如图2所示。

表1 实习教学点数据库结构

本系统主要依据近年来新汶地区野外地质实习带队老师及学生所反应的实际问题及需求进行功能设计，主要包括以下4个方面：

(1) 地图浏览与导航。目前市面上常用的电子地图有谷歌地图、百度地图、高德地图等，其中谷歌地图在地图信息量、细致程度等方面具有突出优势，特别是谷歌的卫星视图是独步全球的，国内所有地图软件的卫星视图都源于谷歌[11]。因此，以谷歌地形图或卫星遥感影像为底图，能够帮助用户及时了解实习地点及其周边地区的状况。在系统的实习路线地图与管理模块中，包含强大的地图浏览与导航功能。教师可按照系统设定好路线，跟随系统导航信息提示，按顺序依次前往指定的教学点。例如新汶地质实习中的马头崖路线，在进行寒武系馒头组地层观察时必须经过一片村庄，岔路、弯路很多，实习队很容易找不准路而在村里转圈，借助本系统的地图查看与导航功能可以避免走冤枉路，节约宝贵的野外实习时间。

(2) 教学点定位及信息查询。教学点定位无疑是该系统在野外实习中使用最多的功能。实习教师在每年备课时可将教学点录入本系统，特别是将环境改变后新开辟的教学点及时输入，在后续带队实习时便能够顺利的找到该位置。谷歌地图提供的遥感影像空间分辨率最高可达0.5 m[12]，为野外地质实习教学点准确定位提供了技术保障。利用实习路线与教学点管理模块，将教学点信息与关键内容直接叠加在谷歌地图之上，实习者可通过交互式操作实时查询相关信息，如地质描述文字、照片、图件等资料。图3所示为新汶地质实习中汶南路线新生代河流相地层的教学点及相关信息。

图3 新汶野外地质实习教学点相关信息

(3) 野外教学过程记录。在进行野外地质实习时，常会出现由于某种原因在一个教学点停留时间过长，导致另一个地点时间不够的现象，这依赖于教师的经验与实习教学设计[13]。本系统在实习路线与教学点管理模块内，设定了实习过程记录与提示的功能，即随着实习进程记录并分析一个完整的实习路径，借此可以掌握在每一个教学点的时间，包括讲解时间与学生观察、实测剖面等所需的时间。依据每条路线的教学内容与实习时间的关系，可以对整体教学效果加以分析，从而调整教学计划或重新组织实习教学内容，使野外地质教学更加合理。

(4) 数据编辑。由于本系统主要应用于移动设备Android系统，数据库结构及管理都较为简单。用户进行数据编辑主要是根据实习需要增减、修改野外地质实习路线或教学点内容等，操作简便。受城市建设、天气、环境变化等客观因素影响，每年的实习路线以及野外教学点可能会发生一些变化，因此带队教师需要及时对系统数据更新编辑，完善已有资料，同时增加新的实习路线或教学点信息，确保该辅助系统与实习教学紧密同步。

3 野外教学应用效果

野外地质实习是一门对学生专业知识、实践技能以及综合素质全面训练的实践课程，课程中的“教”与“学”主要是在野外完成，因此如何提高野外的教学效率、改善教学效果十分重要[14-15]。近两年通过将本系统应用于地质学、资源勘查工程以及石油工程专业新汶地区暑期野外实习中，系统在酷热、暴雨等恶劣的天气下运行稳定，受到带队老师的好评，一致认为该辅助教学系统能够帮助实习队设计合理的实习路线、准确定位野外教学点、提供知识点学习帮助、减小环境干扰等，极大地改善了野外教学效果。

以新汶地区实习的盘车沟—分水岭—盘古庄路线为例(图3所示实习路线)，该路线起点位于新泰市汶南镇盘车沟村西侧，终点在汶南镇盘古庄村西。在实习基地上车后，一直沿路向东南方向行进，过汶南镇政府驻地后向北转向继续前行至盘车沟村西，即可到达终点。由于2013年汶南镇道路建设，对公路两边地层露头破坏严重，致使原路线第1教学点(三台组河流相沉积)、第3教学点(水南组湖相沉积)缺失，无法建立起系统的地层沉积序列。2014年暑期实习前，带队教师花费大量时间在路南村庄内步行开辟了几处新的教学点，并及时将信息录入了辅助教学系统之中，见图3所示实习路线中从左向右第1、第3个教学点位。在后续实习过程中，教师利用辅助系统带领学生顺利完成了各教学点的实习任务，帮助学生建立了系统的沉积演化序列，并至少节约了1 h的野外行进时间。除了路线设计与教学点定位之外，辅助教学系统为学生提供了丰富的教学点图片与相关信息预览，帮助学生建立了直观、系统的认识。

通过对2014、2015年参加暑期实习的320名学生的调研反馈统计，80%以上的学生使用了该辅助教学系统，并且认为该系统实用的功能与流行的操作界面符合当今大学生的使用习惯，有效地激发了学生的野外学习兴趣，有助于更好地理解、消化所学知识；有近20%的学生使用的是苹果手机IOS操作系统，该系统无法正常安装运行，有待于今后进一步开发、完善以便推广至Android以外的其他系统。

4 结 语

本辅助教学系统功能丰富、操作简便，在新汶地区野外地质实习过程中可以大大减轻教师备课特别是预习路线的压力，提高野外教学的效率，受到实习队师生一致好评，具有较强的实用性和推广价值。通过对该系统的架构及功能设计不断完善，结合其他实习地点如秦皇岛地区、巢湖地区等相关数据，可以将该系统成功应用于其他年级的野外地质实习指导中。此外，还可考虑推广至旅游景区路线设计、景点文化介绍等领域之中。

当今大学生是我国智能手机使用的主力军，是名副其实的手机一族，因此基于移动智能手机平台的教学系统深受大学生喜爱。然而值得强调的是，尽管该系统在野外实习中能够为教师和学生提供诸多便利，但在整个地质实习过程中主要是起辅助作用，在路线设计与教学点预习时可协助使用，不可过度依赖虚拟系统而忽略了地质实践基本功的锻炼。野外地质实习中，野外记录簿、罗盘、地质锤、放大镜等传统工具的使用应作为重点技能进行传授，地质现象素描、手绘剖面、地质填图等应作为主要任务进行训练。实习带队教师应该在智能教学系统的辅助下，更加充分地向学生传授地质工作者严谨求实的工作理念、工作态度以及不畏艰苦的工作精神。

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ConstructionofFieldGeologicalPracticeTeachingAssistantSystemofXinwenAreainShandongProvince

SONGFan1, 2,SUNina1, 2

(1. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China;2. Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, Shandong, China)

At present, network information technologies rapidly develop and intelligent mobile equipment performances constantly improve, the use of mobile devices for spatial information query has become an important method, which provides new technical support for personnel engaged in field work. Aiming at the actual problems existed in field geological practice of Xinwen, Shandong Province, offered by China University of Petroleum (East China), a teaching assistant system based on Google Map was constructed, which can run on Android OS mobile phones. Users can design and manage the field geological practice route, view the digital maps and navigate route, mark the geology place and preview the related information, record field teaching process with this system. These functions play an important role to improve field geological teaching efficiency and quality, and optimize the traditional practice teaching mode. Practice in the recent two years has proved that the system can reasonably avoid teaching place absent or missing problem due to environment change, etc. At the same time, it can effectively inspire the students’ interest in learning and then help them to build visualized and systematic geological knowledge.

field geology practice; google map; teaching assistant system; practical teaching; xinwen area

P 622

A

1006-7167(2017)09-0211-05

2016-12-19

山东省教学改革重点基金项目(2012019)；山东省教学改革面上基金项目(2015M018)；中国石油大学(华东)教学改革重点项目(JY-A201419)；中国石油大学(华东)青年教师教学改革项目(QN201501,QN201601)。

宋 璠(1982-)，男，山东青岛人，博士，讲师，现从事基础地质、开发地质的教学与研究工作。Tel.：15192595160；E-mail：songfan0026@163.com