数学建模数据可视化范文

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篇1

【摘 要】“慕课+翻转课堂”是线上教育和线下教育完美结合的教学模式，它旨在促进优质教育资源全民共享，助推教育公平。为了实现提高教育质量，让学生学习更加自主、让教育从知识本位走向综合素质本位、让学生远离家教等价值追求，华师慕课探索了诸多路径，如持续探讨“慕课+翻转课堂”的本土化实践、建设与完善在线学习平台、微视频资源结构化、招募师范生志愿者提供在线答疑等。

关键词 翻转课堂；慕课；微视频

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2014）11-0010-04

慕课（MOOCs），即大规模开放在线课程英文Massive Open Online Courses简称的音译。翻转课堂（Flipped Classroom），是相对于传统的课堂上以教师讲授、学生听讲，课后学生完成作业为主的教学模式而言的；它是指课前学生在家观看教学微视频，完成知识的理解与把握，课堂上完成作业，深化讨论，动手操作，探究创新的课堂教学模式。“慕课+翻转课堂”是线上教育和线下教育的完美结合，因为慕课教学可以高效地传递知识，而课堂上面对面的讨论式教学则更有利于思维的深化与拓展、情感的沟通、体验的丰富等，二者优势互补。

华师慕课：从初步建立到茁壮成长

中国基础教育取得的成就让全世界瞩目，这一点毋庸置疑。但是在就学人口多、资源相对有限的条件下，大班额的班级授课制带来的弊端也显而易见，学生的个性化学习需求得不到满足，兴趣、爱好等很难得到激发和发展。课堂上以教师讲、学生听为主的教学模式，使得学生的学习较为被动，问题和困惑很难得到及时解决。如何解决这些难题，让学生的学习更为主动，让教学更能满足学生个性化的学习需求，始终是让我们困惑的问题。

2012年，一场由哈佛、斯坦福、麻省理工等世界顶尖名校掀起的教育风暴——慕课，震动了整个高等教育界。无独有偶，在基础教育界，借助于数字化技术，一场以“翻转课堂”为手段的变革也迅速地到来。华东师范大学陈玉琨教授敏锐地意识到，信息技术催生的这些实践对于满足学生的个性化学习需求、激发学生的学习主动性等会有重要帮助。

与此同时，随着第三次信息技术浪潮的到来，不得不承认，我们的社会也已经从工业文明时代开始步入信息文明时代，信息化已经改变了人们的生产、生活与交流方式，教育不可能不受这一趋势的影响，否则教育就是自甘落后于时代潮流。为顺应这一时代的要求，华东师范大学于2013年8月专门成立了慕课中心，探索与研究新时期慕课的发展。华东师大慕课中心牵头，联合清华大学附中、华东师大二附中等全国20余所知名高中，北京三十五中初中部、上海育才中学等20余所知名初中，上海一师附小、成都泡桐路小学等20余所知名小学，分别组建了C20慕课联盟（高中）、C20慕课联盟（初中）与C20慕课联盟（小学）。华东师大慕课中心和慕课联盟学校一起，共同探索开发基础教育阶段各学科的教学微视频，推动全国各地“慕课”的建设；借助于“慕课”平台，促进学校“翻转课堂”的实施；积极探索个别化、自主性与互动式的创新型人才培养模式，革新传统课堂教学模式，推动我国基础教育的改革。

从2013年8月至今，华东师范大学慕课中心与C20慕课联盟分别在广东省深圳南山实验教育集团、上海市七宝中学、浙江省杭州市学军中学、江苏省镇江外国语学校、江苏省苏州国际外国语学校、青岛二中、青岛经济开发区实验初中、常州北郊初中、上海金山第二实验小学、上海大宁国际小学等地先后召开了19场“慕课与翻转课堂现场观摩与研讨会”，逾6000名中小学教师与会。这些活动受到联盟校教师极大的欢迎。

2014年6月，鉴于更多的学校有志于从事慕课与翻转课堂的教学改革实践，上海市静安区教育局、广州市教育局、苏州市教育局与华东师范大学慕课中心协商，联合发起成立C20慕课联盟（地市教育局）。该联盟旨在共同探讨“慕课+翻转课堂”的教学模式，以实现我国基础教育从知识本位向综合素质本位的转化，推动教育公平，实现优质教育资源的共享，全面提升我国基础教育质量。该倡议很快得到了众多地区教育部门的响应，目前已有20家地市教育局加盟，共同参与慕课与翻转课堂教学模式的改革实验。

基于一年的实践，联盟学校发现“慕课+翻转课堂”教学模式对改变特殊儿童具有显著的效果，无论是学生的学业成绩，还是人际交流方面的表现，都非常令人惊喜。为此，华东师大慕课中心正酝酿成立C20慕课联盟（特殊学校），共同探索“慕课+翻转课堂”的教学模式对特殊儿童的教育影响。

华师慕课的价值追求开发高质量在线课程，使优质教育资源为全社会共享；改善人才培养模式，提高教育质量，这是华师慕课永恒的追求。

1. 优质教育资源全民共享

华师慕课具有“分享”的情怀，华师慕课网站（c20mooc.cn）上无论是 “名师名课”“名校名栏”，还是“获奖佳作”“翻转课堂精选”等，一律都可以无障碍免费观看；凡是华师慕课中心举办的活动，无论是慕课与翻转课堂教学观摩研讨会、专家讲座，都会免费对外开放。“审视今日，慕课带来的是超时空的变革。不仅在全球各个角落我们都能学到优质的教育资源，而且还是移动的，可以走到哪学到哪，甚至可以反复学，十年、二十年后再学。这就是一个巨大的变革，是‘继班级授课制以后最大的一次革命’，它使教育超越了时空的界限，使得优质教育资源全球共享、全民共享。”

陶夏新（全国政协委员、黑龙江省政协副主席）在全国两会上提出，教育不公平主要是优质教育资源分配的不平衡，其核心还是优质教师资源的不平衡。他建议转换发展思路，借助慕课促进教育公平。

2. 让学生的学习更加自主

每个孩子都是不同的，其学习的方式、学习节奏、对学习材料的要求等都是不同的。教育应尽可能提供适应每个孩子需要的教育，激发和发展个体的最大潜能。在班级授课制的背景下，一个班几十人甚至上百人，教师无法满足学生个性化学习的需求。“慕课+翻转课堂”的教学模式为改善这一状况提供了可能。课前学生一个人在家里或是学校内，学会了可以快进，学不会可以反复学，在线或当面求助教师或同学，自主性大大提高。课堂上，基于学习程度学生分组学习，教师的指导也会更具针对性和实效性。

3. 让教育从知识本位走向综合素质本位

“让教育从知识本位走向综合素质本位”是指，教育要从以往只注重知识的掌握走向既注重学生知识的掌握又注重学生能力发展，其中主要是学生高级思维能力的发展；更注重学生情感态度价值观的形成；还有注重学生身体与心理的健康。重视学生综合素质的培养，尤其是价值观的养成，是基础教育阶段自始至终的重要任务，当前越来越受到世界各国的重视。2012年9月，联合国总部启动了《教育第一》的全球倡议行动，倡议指出：教育应充分发挥其培育为人之道的核心作用，培养全球公民意识，帮助人们构建更公平、和谐和包容的社会。在教育内容上更加强调价值观的培养。

有不少人一直在质疑：慕课是否适合于中小学教育。在他们看来，中小学是孩子们人生观、世界观与价值观形成的主要阶段，虚拟的网络世界阻断了师生之间，甚至阻断了生生之间面对面的交往，这种交往的缺失，必然地导致学生在情感态度价值观方面的教育缺失。事实上，在中小学，慕课一开始就是以“微视频+翻转课堂”为基本模式的，这一模式为师生与生生之间的更深入交流提供了充分的时间，为他们之间更深刻地相互影响提供了难得的机会。

4. 让学生远离家教

在中国，慕课还有着特殊重要的意义：让学生远离家教。网上或者下载下来的视频材料，可以方便地将世界上最优秀的教师、最生动的课程带回家给学生学习。有便捷网络的家庭，学生学习或者做练习遇到困难时，可以随时请教老师或者寻找其他同学的帮助。如此，则可以免去家教带来的高昂成本和由各种原因（比如遥远的路途、滥竽充数的教师，甚至还有商业欺诈）产生的低效学习，切实减轻学生的学业负担，促进学生身心的健康发展。

“慕课+翻转课堂”：华师慕课的实践探索

慕课，起源于国外的高等学校，学习主体往往是大学生或成年人，学员主要是在网上学习，网上观看视频、完成作业、讨论交流等，课程学完后，学员获得学分或讲课教师的认可。显然，单纯慕课的学习形式不适合中小学生，中小学生需要在课堂上和同伴、教师共同交流、研讨等。如何利用慕课学习的优势，弥补课堂教学的不足，将慕课学习与课堂学习有机结合，就成了主要的课题。我们认为，在中小学比较理想的实施方案，就是“慕课+翻转课堂”的教学形式。学生在课余时间，自主学习教学微视频和其他学习资料，达到对知识点的基本理解，完成进阶作业。课堂上师生、生生一起解决没有学会的内容，完成作业，进行更深入和有针对性的讨论等。

华师慕课从成立之初起，就认为基础教育阶段学生的慕课学习不能代替课堂内学习，视频教学不能替代师生交流。慕课学习和课堂内学习是两种重要的学习形式，各有优势与不足，“慕课+翻转课堂”的教学形式旨在充分发挥两种学习的优势，做到优势互补。当然，国内基础教育和国外的基础教育在教学制度、学生管理等方面有着很多不同，国外的翻转课堂教学模式也不能完全照搬到国内的学校中来，探索适应我们本土实践需求的“慕课+翻转课堂”教学形式，是华师慕课的重要使命。

从现有的实践来看，通过微视频学习和实施翻转课堂，学生的变化主要表现在以下几个方面。

1. 学生学习兴趣的提高

通过学习微视频和实施翻转课堂，提高了学生学习的兴趣，这是师生反映最多的一个方面。教学微视频知识讲解清楚，富有条理，呈现形式生动活泼。学生可在家自主观看，还可以和家人分享。通过微视频和教材等多种形式学习，以及网上的交流和求助，学生基本掌握了知识内容。在这种背景下，课堂学习的形式更加灵活，课堂氛围更活跃，学生参与和表现的机会更多，对学生的帮助更具针对性。“学生当然喜欢这样的课堂”，是教师们普遍的反映。

2. 学生学习参与度的提高

传统的课堂上，由于时间限制，孩子们在课堂上思考问题，难以进入深度思考状态；现在，孩子们有了前期的学习过程，更有基础和条件进行深度思考，学生课堂参与的机会更多了，参与的愿望也更强了。深圳麒麟中学的杨哲老师对此也深有体会：“在翻转课堂的第一节课上，有一个以前从来不肯认真上课的孩子，举手回答对了一个颇有难度的问题，这就是点燃翻转实验热情的星星之火！”

3. 学生学业质量的有效保障

实施微视频学习和翻转课堂，学生的知识学习和作业完成在程序上有了足够的保障。视频教学资源可以反复看；进阶作业完不成，就不能进入下个环节的学习；如果还没有学会，课堂上还可以再请教老师和同学。因而，学生学业质量可以有充分的保障。

青岛二中高一语文老师郝敬宏给自己教的两个班出了一份针对前段知识学习的10道小测查题，一个班18位学生全对，另一个班则有27位。“即使排除两个班的差异，这个结果也可以说明慕课与翻转课堂的魅力。”郝老师说，因为前者沿用着传统的教学模式，后者则采用了慕课与翻转课堂的形式。杭州市第十四中学邱锋校长更是尝到了在高三学段学生进行微视频学习和翻转课堂实验的甜头，在平行班和实验班两个班级的比较中，阶段性学业诊断测试彰显出了实验的积极成效，学生学习的自主性在提升。

4. 学生创造力的发展

在深圳南山实验教育集团八年级的科学课“流体流速与压强的关系”课堂上，如何通过应用所学知识，使用通气软管把桌上的碎屑清除掉？学生们又是往软管里面吹气，又是用力吸气，又是使用电吹风，效果不甚理想。在学生们困惑与苦恼之际，教师提醒一句：“别忘了我们学过的‘物体的运动是相对的’”。学生们深受启发，开始稍稍用力晃动软管，碎屑开始陆续被摇出。紧接着的一个实验“如何解决深圳滨海大道地下通道不通风的问题”，学生在iPad上画出了各种方案，在展示研讨中，有的方案很有想象力，有的方案和专家设计出来的基本一样，这大大增加了孩子们的信心和成就感。在此过程中，我们看到的是学生创造意识和创造能力的发展。

除了上述学生的变化，学生自主学习能力的增强、自我管理能力的提升，也被不少教师所提及。深圳南山实验教育集团进行慕课建设与翻转课堂的实施已经将近一年，该校校长程显栋说：翻转课堂实验不到一年，学校已实现了教学方式的深刻变革，课堂显现出减负增效、快乐激增的新变化。“翻转课堂”真正做到了“以人为本，以生为本”，尊重孩子的差异，努力实现每位学生获得课堂学习机会的均等和有效。

实验的初步成功让我们兴奋不已，也让部分C20盟校尝到了甜头，慕课和翻转课堂实践的学科从最初的数学、物理、化学等学科延伸到了语文、英语、政治、历史、地理等。

华师慕课发展展望

为期一年的实践，为追求优质教育资源为全社会共享、推进教育公平的教育理想，华师慕课付出了很多，也取得了一定的成效。展望未来，我们将持续开展几个方面的工作。

1. 持续研讨“慕课+翻转课堂”的本土化实践

华师慕课每月在联盟学校组织1~2次“慕课+翻转课堂”的课例观摩研讨会，将全国各地有志于教学改革的教师聚到一起，相互交流，把问题呈现出来，听取专家有针对性的建议，促使其更加成熟、更加完善。研讨的问题多种多样，如教学微视频如何制作与完善、课前学习的成效、在线交流如何有效实施、翻转后的课堂如何上、教师角色如何转变、哪些学科的哪些主题便于实施该教学模式等。

2. 建设与完善在线学习平台

在线学习平台是“慕课+翻转课堂”教学模式的载体，载体是否完善直接决定“慕课+翻转课堂”教学的成功与否。“华师慕课”学习平台（c20.org.cn/portal/login）的开通意味着更广范围的学生将有机会享受更多的优质教育资源，目前已有不少学校开始使用。当然，对平台逐步进行完善，让它更适合中小学师生的需要，更好地服务于中小学教学，是我们一直以来的追求。

华师慕课学习平台以“孩子身边的名师”与“师生交流平台”为己任，旨在更好地服务更多孩子的成长，满足教师实现自身价值的需要，更好地促进教育公平，实现优质资源的全民共享。

3. 微视频资源结构化

没有微视频资源的学习平台只是一个空壳，缺乏内在逻辑的微视频资源库就像缺乏设计的高楼大厦，经不起岁月的推敲。眼下，我们的C20慕课联盟正紧锣密鼓地厘清知识图谱，制作高质量的微视频，为翻转课堂的实施提供必要的优质教学资源。在基础教育领域，我们的慕课与西方并不完全相同，我们的慕课课程是有体系的，是建立在学校教育的逻辑性、系统性之上的，它呈现出的不是零散的知识片段，而是有逻辑层次的知识体系。因此我们的课程设置将以知识单元来划分，让有需要的学生按照知识图谱学习。

另外，我们举办的全国中小学教师/高等院校师范生大奖赛也越来越趋向于征集模块化的教学微视频，即以一个知识模块为基础，由一组微视频组成，每个微视频一般不超过10分钟。微视频资源库的充实和结构化，为学习平台的优化，为更多孩子更好地学习奠定了基础。

4. 招募师范生志愿者，提供在线答疑

华师慕课平台上的慕课将每一个知识单元分解为若干个知识点，并按知识点制作微视频，每一个微视频大约在7~10分钟。学生在看完后必须完成几道测试题，只有全部答对通过了，才能进入下一个微视频的学习；如果答错没有通过，那么需要重新学习。如果视频学习和进阶作业遇到困难，学生除了咨询自己的同学或教师，还可以咨询我们强大的师范生志愿者团队。师范生志愿者团队是我们的一大特色，他们都是来自各个学校不同学科的佼佼者，具备学科知识最基本的素养，可以为学生提供及时、有效的现场反馈，完成为学生答疑解惑的工作。师范生志愿者的招募，可以帮助全国各地的中小学生更有效地学习，能够最大程度地发挥优质教育资源的作用。

“让优质教育全民共享，促进教育公平；让教学更具个性，提升教育质量”是华师慕课的永恒追求，我们将为此不懈努力！

参考文献

1于天贞.从“督者”到“学者”——基础教育翻转课堂背景下家长角色重新定位及其路径[J].中小学信息技术教育,2014(5).

2田爱丽,吴志鋐.翻转课堂的特征及其有效实施——以理科教学为例[J].中国教育学刊,2014(8).

3陈玉琨,田爱丽.慕课与翻转课堂导论[M].上海:华东师范大学出版社,2014.6.

4慕课与翻转课堂:数字化时代中小学教学模式的变革——华东师范大学慕课中心主任陈玉琨教授专访[J].教学月刊（中学版），2014（9）.

5陈玉琨.慕课：一场正在到来的教育变革[J].上海教育,2013(10).

篇2

关键词：数字城市 三维建模 信息化

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（a）-0041-02

“数字城市”的概念来源于“数字地球”，它是“数字地球”的理念在城市的引用、延伸和拓展。由于在理解层面和切入角度上的差异，目前仍很难对“数字城市”内涵作确切的定义。但随着对“数字城市”理论与技术的研究及应用探索的不断深入，人们对它的认识将会逐渐趋向统一，并形成对它的标准定义。

三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息，成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。

三维地理信息系统的建立，可以和现有的二维地籍数据、规划数据、土地利用数据等结合，分别形成三维地籍系统、三维规划系统、三维土地利用系统等。这些三维系统具有快速的三维漫游、查询、定位、统计、分析、打印输出等功能，将更好地为“数字国土”服务。三维模型的快速建立与更新，对维护三维地理信息系统数据的现势性、直观性、更好地为国土资源利用提供更好的决策，具有十分重要的作用和意义。

1 三维建模技术现状

三维城市模型（3DCityModel，3ocM）是地理信息系统、数字摄影测量及其相关学科的研究热点之一。尽管3DCM的研究历史非常短暂，但人们针对不同的应用目的，构建了各种具有不同功能的3DCM，具体分为以下几类。

1.1 遥感影像与DEM结合方式

即直接利用DEM生成地形三维透视图，遥感影像作为纹理映射到地形表面。这种方式只是一种地形景观，无法对地表实体对象进行三维显示、空间信息查询和分层管理。大多数成熟的商品化GIS系统（如ArcView、MapGuide）己经具有这种2.5维的地形显示功能。

1.2 基于2DIGS的构建方式

即利用现有2DGIS数据及其三维属性信息建立3DCM。该方式包括以下具有代表性的构建方法：

在二维GIS的基础上，直接添加一些信息（如房屋高度、墙面纹理等），使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象。这种方法的缺点在于模型真实感差，对城市景观信息的表达少，另外没有考虑DEM。DEM和二维GIS结合的方式，这种方式用DEM作为建筑物的承载体，表达地表的起伏，然后使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象，比上一种方式更具真实感。部分2DGIS系统（Arc/Info）发展了构建3DCM的功能模块，具有初步的量测功能，但缺乏对建筑物纹理的提取与处理，景观表达的真实感程度不够。

1.3 纯三维的构建方式

针对数据获取方式的差异，纯三维构建3DCM方式分以下不同方法：

利用地面摄影影像与地面激光扫描仪来构建，这种方法每次采集数据范围受通视条件所限，在建筑群密集地区难以应用；利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建，该方法采集数据快，但获取的DEM精度不高；利用航空立体像对的方法，利用目标提取技术，实现航空影像房屋三维数据的半自动量测，进而在地面与建筑物表面二维半不规则三角网和原始数字影像的基础上，实现建筑物可见表面纹理恢复，重建城市三维景观。

2 数字城市三维建模的关键内容

目前建筑物三维建模的一般流程如图1所示。三维空间数据的获取，实质是空间定位数据的采集。三维模型的建立与编辑，三维几何模型是纹理数据和属性数据的载体，也是数码城市GIS提供各种定量空间解析分析能力的基础。建筑物表面纹理数据主要用于提供逼真的视觉标识，增强对建筑物本身及其相互之间空间关系的感知和识别。可视化技术的运用，用于增强用户与数据模型之间的交互操作性能，尤其是与虚拟现实技术的结合，使得用户沉浸于三维的场景中与模型数据直接进行交互操作。

2.1 三维建模数据的获取

三维建模的首要任务就是要收集建模的数据。在城市中存在着众多的数据源，这些数据源包括：（1）规划建筑物的设计图纸及文档资料。（2）城市数字地图（地形图、地籍图等）和2DGIS数据库。（3）摄影测量数据。数字摄影测量不仅可以提供丰富的几何和纹理数据，而且还可以提供丰富的拓扑和语义信息。（4）遥感数据。高分辨率遥感影像可以为城市3D城市模型的建立提供详细、丰富的几何和语义信息数据，是生成正射影像数据和DTM的重要数据源。合成孔径雷达（SAR）是一种全天时、全天候的微波成像雷达，不仅可以详细准确地观测地形地貌，获取地球表面的信息，还可以透过地表收集地表下面的信息。（5）混合测量系统。混合测量系统中一个典型就是CCD相机和全站仪组合系统。此系统可用于建筑物立面的扫描及建筑场地的地形表示。此系统适合于建筑物外部和内部数据的几何和纹理数据的获取，解决了3D城市模型中内部数据获取困难的问题。

就当前的应用需求来说，场景三维建模需要的数据主要有：二维图形、地形数据、地表图像、三维观测数据和模型表面纹理等。

2.2 建模方式

目前在数字城市的三维建模中有很多种建立模型的方式。现介绍如下：

（1）使用CAD软件建模。AutoCAD软件具有强大的二维图形绘制功能及编辑功能，是当今二维图形绘制软件的主流工具，这是它的优点。但是它在三维图形建模、渲染处理及动画制作方面功能较弱，不适合于复杂三维模型的建造和动画的制作。AutoCAD模型表达精细、精确，有精确尺寸定义，但数据结构复杂、数据量大，不支持与地形的叠加，不支持属性定义，主要用于工业零部件建模和单独的桥梁等建筑物建模。（2）常用动画软件建模。如3D MAX等，模型表达精细，建模工具丰富，但是数据结构复杂，数据量大，不支持与地形叠加，且不能交互编辑查询，仅限于动画浏览。（3）专业软件建模。如MutiGen Creator软件功能强大，支持大面积地形建模，支持建筑物建模。模型数据结构简洁，可以在运行过程中进行交互操作，实时计算动画场景，通过开发，可以与影像、矢量数据、DEM数据等叠加。但表达不精细，数据交互编辑、查询能力较弱。（4）OpenGL开发。使用OpenGL+VC模式，通过编程的方式建立模型。此方式能大量使用数学曲线、曲面表达三维模型、自定义数据结构、数据显示算法等。一般用于开发三维基础软件。

目前，在实际应用技术中，较为普遍和实际的模型制作是利用3D MAX制作或者是利用MultiGen Creator制作。

2.3 模型的与应用

采用提供了二次开发功能的数字城市开发平台，使用技术，开发了一套能够实现对矢量数据、影像数据、DEM、三维模型等多源数据集中管理的三维地理信息系统，从而实现三维场景的显示、漫游、定位、查询等功能，为决策部门提供辅助决策。

3 应用

本次实验以“SuperMap”中的三维建模为例。采用3D MAX软件对建筑物进行三维建模，以及能够访问海量数据、具有强大二次开发功能的三维地理信息软件SuperMap Service GIS作为开发平台开发演示系统。（如图2所示）“SuperMap”构建三维数字城市的方案如下：（1）采用正射航空或卫星影像和地表高程数据并利用1∶500地形图在3D MAX中建立数据集。（2）将数据集文件加载到3d MAX中，并用编辑工具利用数据集中各项数据建立三维建筑物模型及利用本地数据库中及网络中加载各类2D信息（如花草，树木，人物等）。（3）保存工程文件或者打包输出（KML格式），使它能够被分配到CD/DVD ROM或到网页上。KML中包含工程中用到的所有的资源，因此，它相对于源文件是独立的。

4 结论

文章对数字城市中的三维建模关键环节进行探讨，总结了当前三维建模过程中的主要技术和方法，并以实例的方式实现了三维建筑物建模和，结果表明在数字城市建设中，主要把握数据获取、三维建模和模型的与应用三个环节，即能较好完成数字城市工作，使其满足实际应用。

参考文献

[1] 朱庆，林珲.数码城市地理信息系统―― 虚拟城市环境中的三维城市模型初探[M].武汉：武汉大学出版社，2004.

篇3

关键词：虚拟现实技术；公路设计；3Dmax

一、引言

随着公路交通事业的发展，对公路的线性设计也提出了新的要求和挑战。加之计算机软硬件技术的快速发展，计算机虚拟现实技术在公路设计中的应用可以促进公路勘测、设计、评价已经变得越为重要和势在必行。

二、公路计算机虚拟现实辅助设计

（一）公路平面线形辅助设计

公路平面是公路在地平面上的投影，公路的平面设计就是确定公路的走向和平面组成要素，以及各要素的参数信息，最后定出公路逐桩坐标。在平面设计中首先要根据地形等高线确定起点、终点和中间的路面控制点。这些点确定了将要设计出来的公路的大致走向和弧度。

在公路设计中如何在等高线上选定控制点，需要考虑很多因素，如：

1.平面线形应连续、与地形、地物相适应，与周围环境相协调。

2.要保持平面线形的均衡与连贯。

3.避免产生连续急弯的线形。

4.要满足公路设计规范对各级公路平面线形设计要求。

选定公路控制点后，要完成公路的组成计算，公路平面线形主要是由直线——缓和曲线——圆曲线——缓和曲线——直线这样的方式组合而成。其相关的参数计算方法。

（二）公路纵断面辅助设计

沿着道路中线竖直剖切然后展开即为路线纵断面，它总是一条有起伏的空间线，公路纵断面设计主要的任务是根据汽车的动力特性、道路等级、当地自然条件以及工程经济等，研究起伏空间线几何构成的大小及长度，以便达到行车安全迅速、运输经济合理及乘客舒适的目的。这些要求必然需要公路要有好的纵断面组成。纵断面图是道路纵断面设计的主要成果，也是道路设计的重要技术文件之一。把道路的纵断面图与平面图结合起来，就能准确的定出道路的空间位置。

在纵断面图上有两条主要的线：一条是地面线，它是根据中线上各桩点的高程而绘制的一条不规则线，反映了沿着中线地面的起伏变化情况；另一条是设计线，它是经过技术上、经济上以及美学上等多方面比较后定出的一条具有规则形状的几何线，反映了道路路线的起伏变化情况。

在系统中纵断面设计线是由直线和竖曲线组成的，直线即均匀坡度线，有上坡和下坡之分，在直线的坡度转折处为平顺过渡的一段缓和曲线，这段曲线就是竖曲线，按坡度转折的形式不同，竖曲线有凹有凸。

三、道路模型的建模

虚拟场景中，实体建模是主要的部分，也是最重要的场景内容。而在虚拟场景中，三维实体包括静态和动态两种。顾名思义，静态模型指那些地形、实物等实体模型，包括建筑物、道路、道路周围附属物、树木花草等；动态模型指处在运动状态的各种实体模型，如运动的汽车等。

道路模型在漫游系统中，道路是静态的场景，又是主要的交互对象，因此，对它的建模采用几何建模的方法。

关于道路实体模型的建立，首先是获得建模数据，道路的高程数据和几何形状以及曲线、拐角、弯度等数据来自平面图、剖面图等建筑图纸，此外还包括具体的尺寸和比例。在基础数据的基础上建模完成后，还要对模型进行相应的纹理映射，纹理数据的来源主要是实体的正向照片，也只有正向拍摄的照片才有纹理利用价值。

其次是模型的建立，根据CAD图纸，在3Dmax中建立三维模型，注意尺寸比例的因素，尽量减少线性的大幅度变化，注意隐藏面的消隐，减少系统内存的占用，提高运行速度和效率。本系统中，模型导入OPenGL前是没有纹理的，所需要做的工作就是将所拍的照片制成纹理图片格式存储起来，在openGL中，由函数make Image（ ）产生调用，并且所有纹理映射的初始化工作都在程序myinit（）中进行。由g1TexImage2d（）说明一个全分辨率的图像，其参数指出了图像的尺寸、图像类型、图像位置和图像的其它特性，接着连续调用函数g1TexParameter* （）说明纹理怎样缠绕物体和当象素与纹理数组中的单个元素不能精确匹配时如何过滤颜色；再接着用函数g1TexEnv*（）设置画图方一式为GL_ DECAL；最后，调用函数glEnable（）启动纹理映射。

四、虚拟漫游系统的设计

场景的导入涉及到的问题首先是导入格式的要求。对于三维模型的存储有obj ， max以及3 ds等格式，.max是3Dmax的专有文件格式，3 ds是通用的3D文件格式，可以导入多种三维软件文件，是一个标准文件格式。本文的三维模型使用的是3Dmax创建，存储的格式为.max，而.max文件格式是符合文档方式，每个插件都可以输出自己的格式到max文件当中，所以直接解析max文件并不是一个可取的方法。若要将三维模型导入到OpenGL中，包括以下几种方法：

（1）首先将.max文件转化为.ads形式，再使用3ds2c这种软件工具，将.ads文件转换成为OpenGL的c语言程序，然后把模型部分复制出来，由OpenGL读取即可，但是转换为C语言程序后，如果出现错误，不容易找出错误并进行改正。并且这时的模型是死的，运行时不宜改变；

（2）可以使用3dwin软件直接将3ds格式转换为OpenGL格式；

（3）可以将模型文件导出成gl.h的形式，导入工程文件头文件中即可；

（4）将.max文件转换为3ds 文件后，在OpenGL中编写调用函数进行模型的读取。

（5）使用3D Exploration软件读入模型的ads文件，通过另存将其转化成能为OpenGL所用的.cpp文件，最终转化后的文件是由大量的浮点数组成，这些浮点数包含了模型面、材质、顶点、法线和纹理等的全部信息，并按照这些属性分类。然后我们在OpenGL程序中专门定义一个读取模型参数的类，在此类中实现读取相应的浮点数的函数的所有功能，再在主程序中调用。这段代码运行后，这些变量中就会存入对应表示相应属性的数据。最后再编程遍历所有的顶点，法线，纹理，从而生成模型。通过这种方法实现ads格式的模型导入，编程简单，但是缺点也很明显，生成的.cpp文件体积较大，无论是存储或传输都很不方便。

基于上述说明，本文采取第四种方法，先在3Dmax里把模型做好，物体间的相互位置排列好，同时注意模型的材质要用贴图的方式，OpenGL里不支持多维材质（OpengGL里贴图丢失一般是这个原因），把模型坍塌成polygon，再导出成.ads格式，把贴图文件jpg格式，ads文件放到VC++工程目录下。

在将模型导入OpenGL中时，需要对模型进行的纹理坐标的提取编程，以读取模型的纹理坐标。对于读取模型的纹理坐标等信息，OpenGL编程中需要用到3中主要的数据结构：顶点，多边形列表和相关三角形列表。顶点集是顶点及其法向量的列表，多边形中的顶点将用在下标表示，OpenGL将这个数组视为一个顶点数组。这里存储的法向量是每一个顶点的法向量，而不是多边形的法向量。多边形列表包括一些列的材质，一个材质由这样一组属性组成：漫反色、光照度、和纹理映射等。与每一种材质相对应的是一组三角形，每一个三角形由一组三元整数组表示，它们分别是三角形每个顶点在顶点集中的下标。相关三角形列表与顶点集具有相同的大小，它是一个指向多边形列表每一个包括该顶点的三角形的链表。相关三角形列表被用来建立每个顶点的法向量。有了模型各种属性的信息，我们就可以在创立显示列表中根据这些指针变量中存入的相应数据来再现模型。在创建新的显示列表（（g1NewList）中，使用glBegin（GL TRIANGLES）和g1End（）函数来绘制模型，所有具体属性的绘制均在这两个函数之间实现。对于每一个面的绘制，都是先赋好材质，再定义法线和渲染纹理，这些工作都完成后，就可以通过绘制顶点来绘制面了。 

四、结论

在公路辅助设计中大量使用虚拟现实技术，为公路的平面设计、纵断面设计和横断面设计提供可视化的平台，使整个设计工作可以随时看到三维仿真结果，保证了公路线形组合设计的合理性。

参考文献：

[1]公路路线三维可视化设计研究进展 廖明军 森林工程 2004/06

篇4

关键词：大数据；大数据时代；大学教学

随着计算机互联网、移动互联网、物联网、车联网的大众化和博客、论坛、微信等网络交流方式的日益红火，数据资料的增长正发生着“秒新分异”的变化。在商业、经济及其他领域，管理者决策越来越依靠数据分析，而不是依靠经验和直觉。毋庸置疑，大数据时代已经到来。

一、大数据与大数据时代

1. 大数据

作为一个较为抽象且新兴的概念，有关大数据的概念众说纷纭。对大数据的理解取决于定义者的态度和学科背景。我们认为，大数据定义之所以众说纷纭，主要是因为大数据如其名一样，所涉内容太“大”，大家看它的角度不一样，于是出现了仁者见仁、智者见智的局面。

大数据的核心是数据，而数据是统计研究的对象，从大数据中寻找有价值信息的关键在于对数据进行正确的统计分析。从统计学与计算机科学出发，我们可以这样来定义“大数据”：大数据指那些超过传统数据系统处理能力、超越经典统计思想研究范围、不借用网络无法用主流软件工具及技术进行单机分析的复杂数据的集合。对于这一数据集合，在一定的条件下和合理的时间内，我们可以通过现代计算机技术和创新统计方法，有目的地进行设计、获取、管理、分析，揭示隐藏在其中的有价值的模式和知识。

大数据具有以下基本特征：（1）大量性。大数据的数据量巨大。随着高度发达的网络技术和承载数据资料的个人电脑、手机、平板电脑等网络工具的普及，数据资料的来源范围在不断拓展。（2）多样性。大数据的类型繁多，不仅包括以文本资料为主的结构化数据，还包括网络日志、音频、视频、图片、地理位置等半结构或非结构化的数据资料。（3）价值性。大数据价值巨大，但价值密度低。由于大数据规模巨大，数据在不断更新变化，这些有价值的信息可能转瞬即逝。因此，如何通过强大的机器算法更迅速地完成数据的价值“提纯”成为目前大数据背景下亟待解决的难题。（4）高速性。由于大数据有价值信息存在时间短，要求能迅速有效地提取大量复杂数据中的有价值信息。

据麦肯锡全球研究中心的数据显示，仅在2009年，美国教育部的某信息系统的数据库存储的数据就达到269PB，直接入选当年全美十大数据生产贡献排名。由此可见，教育已成为大数据产生的源泉之一。

2. 大数据时代

大数据时代是建立在通过互联网、物联网等现代网络渠道广泛大量数据资源收集基础上的数据存储、价值提炼、智能处理和展示的信息时代。在这个时代，人们几乎能够从任何数据中获得可转换为推动人们生活方式变化的有价值的知识。

大数据时代具有以下基本特征：（1）社会性。在大数据时代，世界范围的计算机联网使越来越多的领域以数据流通取代产品流通，将生产演变成服务，将工业劳动演变成信息劳动。信息劳动产品不需要离开它的原始占有者就能够被买卖和交换，这类产品能够通过计算机网络大量复制和分配而不需要额外增加费用，其价值增加是通过知识而不是手工劳动来实现的。（2）广泛性。在大数据时代，计算机技术不仅促进自然科学、人文社会科学各个领域的发展，而且全面融入到了人们的社会生活中。人们在不同领域采集到的数据量之大，达到了前所未有的程度。同时，人们的工作和生活方式已发生了一定程度的改变。（3）公开性。大数据产生于一个开放的、公共的网络环境中。虽然考虑到对用户隐私的保护，但在大数据时代会有越来越多的数据被开放、被交叉使用。这种公开性、公共性的实现以若干个网络开放平台或云计算服务为基础，并受到一系列法律或社会公认的数据标准、规范的约束。（4）动态性。在大数据时代，数据资料可以随时随地产生，不仅数据资料的收集具有动态性，而且数据存储技术、数据处理技术也随时更新，即处理数据的工具也具有动态性。

二、大数据对大学教学的影响

现代信息技术的变革和互联网技术的发展，带动了教育的在线化和网络化。借助于Udacity、Coursera、edX以及爱课程网等在线教育平台，未来全球一流大学的优质课程将会实现免费在线开放，使优质教育资源以低成本的方式提供给全球任何愿意接受并学习的人，进而对学习过程中产生的大规模数据进行收集、整理、分析和归纳，从而进一步对课程资源进行反复检验和改进，提高在线教学资源的优质性。这种基于大数据的大学教育教学发展思路将对传统教育带来巨大的冲击和深远的影响。

1.大数据引发新的教学模式

历史上人类教学经历了两次重大变革。公元前300年，以孔子创立私塾和苏格拉底讲学为标志，开创了教育的先河。16世纪，夸美纽斯将工业化革命引入教学，创立课堂学习体系，教师在固定的场所以一对多的教学模式对学生进行单向灌输式教学，这种教学模式一直沿用至今。如今，伴随着大数据的发展，教学模式又将会有怎样的变革？

在大数据时代，学生获取知识的途径将不再仅限于课堂。互联网技术的快速发展，使得在线学习日益成为学习知识的重要途径。与按部就班、限定时间空间的传统课堂教学模式相比，在线学习将为学生提供更加自主的学习空间，学生可以自由安排学习时间和地点，所学内容也是世界一流大学提供的教学课程。作为未来新的教学模式，在线学习过程并非单向观看冗长的教学录像，而是以10分钟左右的片段式多媒体视频为主体，并配套完成相应的测试题，促进学生回顾和理解之前的学习内容。这种交互式的短视频学习模式，可以有效减少在线学习过程中产生的疲乏，有助于学生集中注意力，提高学习效率。短周期的学习模式会使学生更有成就感，激发其进一步学习的动力。此外，交互式练习克服了传统在线教育单向灌输知识的局限，通过引导学生积极学习与思考，得以更好地构建知识架构。

在线学习也不只是观看视频加以练习这么简单。学生的学习行为会被计算机记录下来，包括：鼠标的点击情况，在视频某处的重复观看和暂停，答错的题目是否会回顾复习等。单个学习者的行为数据似乎并没有规律可循，然而当数据量积累到一定程度，通过挖掘群体的学习行为模式，对数据进行分析、统计、归纳，就会得出学习规律，判定出哪些知识点需要重点强调，并实现对不同的学习者因材施教，有针对性地开展教学和指导。通过大规模教学数据，对课程资源进行反复检验和改进，从而进一步提高在线教学资源的优质性。

同时，在线学习并不是孤立的记忆与练习。开放的网络教学平台为学生和学生、学生和老师之间搭建了良好的交流途径，鼓励学生协同学习、发表观点、交流看法，培养互相学习的氛围，在探讨中提出问题，在相互质疑与论证中得出正确的结论，共同成长。这样的互动过程也有助于老师掌握学生的学习情况，便于老师对学生有针对性地答疑解惑，解决其学习过程中的问题。此外，老师之间也可以通过交流平台对课程的教学重点、难点进行分析探讨，以促进产生新的更好的教学方式，使未来新的教学模式更趋于科学化、合理化。

2. 大数据转变大学教学观念

伴随着信息技术的进步和大数据的不断发展，大规模在线教育平台将给大学教学观念带来深刻影响。当在线学习逐渐成为学生获取知识的主要途径之时，传统课程则起到辅助教学的效果。这种“翻转课堂”的教学组织形式，将改变以往课上老师授课、课下学生练习的教学观念。学生在课下通过网络在线学习，自学全球一流大学高质量的课程内容。课堂上，由老师对学生所学知识进行复习、讨论、答疑解惑。

当全球化在线教育可以为世界任何一个地区的学生免费提供世界一流大学的优质教育资源，大学教学将面临更加激烈的竞争和挑战。当学生可以通过互联网免费获取一流的教学资源，高校教师的角色将会发生怎样的变化？一部分优秀教师可能通过提供优质资源获得更好的发展，而有些教师则可能转变为助教的角色，为学生提供在线教育之外的辅导和帮助。也有一部分教师会从基础教育中脱离出来，全身心从事科学研究的工作，高校的研究职能将会得到强化，更好地促进科学研究的快速发展。

3.大数据促进个性化教育

国际个性化教育协会将个性化教育定义为：为受教育者量身定制教育目标、教育计划、教育培训方法、辅导方案并加以执行，组织相关专业人员为受教育者提供学习管理策略、知识管理技术以及整合有效的教育资源，帮助受教育者突破生存限制，实现自我成长、自我实现和自我超越。

为学生创造个性化教育的环境，依据学生的学习情况和个人特点开展有针对性的教学指导，是教学模式改革发展的必然趋势。个性化教育要求施教者必须了解学生已有的知识储备、学习能力以及兴趣特长等。尽管过去我们也强调因材施教，但真正做到这一点并非易事，而大数据时代为这一切提供了可能。

学生通过在线学习平台进行学习，其学习行为的数据将被不断地记录，系统后台根据不断更新的行为数据评估学生的优缺点，分析学生的思考习惯，创建心理测量图，并根据学生的学习进展不断调整之后的学习内容和重点。这一系列的分析离不开大数据的支撑。面对同样的教学内容，每个学生的表现和反馈内容被传送到后台，系统依据大规模的学习行为数据对学生进行分门别类，归纳各类的特点和相应最优的学习方法。每当一个新的学生数据被输入，系统将其与各类进行比较并归于某一类，给出最适合该学生的学习模式。例如在练习过程中，当一个学生正确完成几道同类型题目时，他则不必再重复练习此类题目，而是自动跳往另一类型的题目。不仅提高学习效率，也减轻了学生的学习负担。

此外，在大数据支撑下的个性化教学还将有助于学生强化对知识点的记忆，依据特定的记忆退化曲线和学生的学习历史记录，在合适的时机提醒学生之前学习的某些内容即将被遗忘，需要及时进行复习巩固，促进学生更加高效地学习。通过对大量教学数据的归纳分析，也可以起到预测效果，哪些学习内容在哪个时间段更容易为学生所接受，什么类型的教学方法更适合当前学习的学生，以何种方式更有效对知识点进行巩固等等，从而形成更为科学的教学模式。

4. 大数据对统计学科的影响

统计学科的研究对象是客观事物的数量特征和数量关系。传统统计学认为，数据主要是来自试验、实验或者调查的数值。在大数据时代，不仅以结构数据度量的数量可以作为统计研究对象，而且不能用数量关系衡量的半结构、非结构化数据都可以作为统计研究的对象。大数据拓展了统计学科研究的对象。

传统统计研究过程包括统计设计、收集数据、整理分析和统计资料的积累、开发与应用等四个基本环节。在大数据时代，由于数据规模巨大、数据结构复杂，以及整理数据可能损坏原有数据中有价值的信息，针对大数据的统计研究过程仅包括数据整理与分析，以及数据的积累、开发、应用两个环节。

传统的统计研究方法，诸如建立回归方程、估计模型参数、参数估计检验等，因为大数据的特点而无法实施。针对大数据的统计分析是以相关关系为基础展开的，更多地包含了非线性以及不明确函数形式的线性关系。

大数据的到来，使传统统计学科作为研究具体问题的方法科学发生了变革，但大数据并不会改变传统统计的性质。对于统计学科而言，大数据时代带来的不仅是变革，更多的是统计学发展壮大的机会。

5. 大数据对相关专业人才培养提出了要求

大数据时代的到来，凸显了大数据相关专业人才培养的紧迫性。作为国内拥有大数据的企业之一，阿里巴巴声称，其各类业务产生的数据已经为大规模数据分析创造了良好的基础，但是缺乏合适的专业数据研究人员。能够把控大数据的数据科学家，必须对数学、统计学、机器学习、计算机工程等多方面专业知识综合掌握，才能对数据进行深入挖掘，作出有价值的分析、判定和预测。

在信息技术快速发展的今天，各国对大数据人才的需求激增。加快培养大数据相关专业人才，应是我国高等学校面临的重要任务。这不仅有助于学生更好地就业与发展，也为我国在大数据领域的开拓奠定人才基础，更好地把握大数据所带来的机遇和挑战。

6. 大数据影响相关专业课程建设

据不完全统计，全球有近170所大学开设了大数据相关专业，其中约有150所大学开设了硕士研究生以上的学位课程。我国大数据相关专业课程体系建设要综合考虑大数据专业人才所应具备的知识和技能，并积极借鉴发达国家对大数据专业人才培养的理念。

作为交叉性极强的学科，大数据相关专业课程应当包含：（1）数学。诸如微积分、线性代数等课程是数据挖掘中涉及矩阵计算等的基本工具。（2）统计学。掌握多元回归分析、相关性分析，培养从不同角度对数据进行规范性建模和预测，并学会使用R、SAS等统计软件。（3）计算机编程语言。熟练掌握编程语言，可以使得算法的实现更加灵活。（4）数据库。包括SQL以及高性能的NewSQL数据库。（5）分布式计算。掌握NoSQL平台，适应并学习新出现的诸如Hadoop、MapReduce等系统。（6）数据挖掘、人工智能、机器学习等。（7）数据可视化工具。

三、结语