GIS类课程基于任务的分步骤教学模式研究

吴秀芹 毕华兴

（北京林业大学水土保持学院，北京 100083）

地理信息系统（GIS）为信息的展示与管理提供了一种新的方法，是在计算机硬件、软件系统支持下研究现实世界（资源与环境），并对变迁的各类空间数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统［1－3］。地理信息系统作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科，迅速地兴起和发展起来，并广泛地应用于地学、农业、林业和环保等领域。随着人们对空间信息认识的逐步深入以及数字城市和数字行业的发展，GIS的应用范围将越来越深入、越来越宽广，从而成为国民经济发展中不可或缺的技术工具［4］。

从当前的应用情况看，林业对地理信息系统及其相关人才的需要会越来越多，林业生产技术和人才需求的变化要求林业院校必须顺应这一实际情况，及时调整GIS教育的课程体系［5］。因此，北京林业大学水土保持学院自然地理学科自2004年起为研究生开设了“地理信息系统原理与应用”学位课，主要的教学对象是刚入学的、有一定地学和GIS基础的、在未来的研究或论文写作过程中将以GIS为工具的研究生。经过6年的教学实践与探索，以及通过对其他同类院校相关课程的了解，笔者认为当前GIS类课程普遍存在重理论轻实践、学生很难将理论与实际结合起来等问题［6－7］。为此，笔者提出 GIS类课程教学应尝试实施基于任务的分步骤教学模式，以期为开展更优良的GIS教育提供借鉴。

一、GIS类课程教学存在的问题

北京林业大学水土保持学院自然地理学科地图学与地理信息系统专业为研究生开设了“GIS原理与应用”学位课程，开课伊始即由笔者主讲。6年来，该课程深受学生喜爱，选课人数曾多达90人，并一直居高不下。通过几年来的授课经历，笔者发现，无论是本科教学还是研究生教学，GIS类课程教学都存在以下问题。

（一）课堂讲授的效果不佳

GIS的操作对象是空间数据，空间数据又分为矢量数据的点、线、面以及栅格数据。通常，为研究生开设的GIS类课程，主要讲授有关利用GIS强大的空间分析功能应用空间数据进行空间分析的内容。GIS操作对象的抽象性使整个课程讲授过程也非常抽象。因此，对GIS基础较弱的学生而言，常常是老师在课堂上讲得不亦乐乎、学生在底下听得不知所云。这就需要在GIS类课程教学过程中多借助现代教育手段，如多媒体教学手段等，把一些抽象的、难以理解的知识直观化和形象化并与现实的地物和实际应用结合起来。

（二）教学实践环节缺乏针对性

GIS作为计算机应用技术，其应用的展开包括项目的分析、组织和实施等。其中，主要涉及的GIS基本功能，如空间校正、数据采集、数据编辑、数据管理、空间分析、空间数据展示等，都需要通过大量的上机实际操作才能掌握。但是，当前GIS类课程设置的上机实践学时相对较少；再者，上机实践的内容及其顺序多依据理论课程的教材，与研究生当前的应用训练和未来的科研实践脱节。

（三）教学内容的设置难以适应多专业生源的需要

GIS作为一门新兴的交叉学科，其课程体系不仅涉及地理学、测绘学、统计学等基础性学科，而且依托于计算机软硬件技术和遥感技术。而且，林业院校的研究生生源在本科阶段所打下的相关基础各异。因此，研究生阶段开设的GIS类课程的教学内容既要考虑进一步充实GIS广泛的基础知识，又要考虑满足基础较好的学生对GIS高级应用的需要。如果课程内容安排不好，就会导致GIS基础不好的学生听不懂、GIS基础好的学生觉得教学内容过于浅显的局面。这就使教师在有限的教学课时内合理安排所有教学内容的难度加大。

（四）教学体系难以适应GIS的发展更新

随着计算机技术、网络技术和数据库技术的发展及其应用的不断深化，GIS技术的发展也不断呈现出新的特点和趋势。例如，在GIS软件产品方面，Esri公司的ArcGIS系列产品每2年就召开1次用户大会，每次产品都会有一些更新和发展，要么推出新的模块，要么对已有模块进行改进。因此，如果GIS课程教学体系一成不变的话，则难以适应当前GIS不断发展的趋势，也不能满足学生应用相关技术和未来就业的需求。

二、GIS类课程改革的建设目标

要解决GIS类课程教学存在的问题，笔者认为，首先要明确GIS类课程改革的建设目标：①通过课堂讲授并结合课堂演示和上机实践，使学生真正理解并掌握GIS的理论体系以及了解GIS的发展前沿和趋势。②不仅要求学生掌握一种GIS软件的核心功能，并具备进一步运用该软件的能力；还要求学生通过该软件的学习能够触类旁通，具备学习使用其他同类软件的能力。③要求学生能够运用ArcGIS技术解决专业领域内的实际问题，并在水土保持与荒漠化防治、城市规划、区域经济、资源环境、交通、人口和物流管理等领域能够胜任与GIS有关的软件工程、GIS应用和管理等工作。④要求学生经过课程学习基本可以独立使用GIS类软件，并能够运用到专业分析中。

三、GIS类课程改革的创新实践

目前，GIS已成为水保学院、林学院和园林学院相关各专业学生开展科研工作和撰写论文所必备的一种技术手段。为了进一步提高GIS类课程教学的效果，笔者根据多年来的教学和实践经验，并借鉴前人的研究成果，尝试在课程教学中实施基于任务的分步骤教学模式。

（一）课程内容的调整

基于任务的分步骤教学模式的特点是：在介绍GIS基本理论的同时，更加注重其在实践中的应用；课程的讲授顺序按照实际应用的步骤来安排；上机实习紧紧围绕着一个典型的项目案例，教师以理论与实践相结合的方式详细讲解GIS的各项功能，寓理论学习于实践过程中。根据基于任务的分步骤教学模式的特点，以及GIS类课程选课学生专业背景多样化、GIS基础和相关地学基础参差不齐、上机实践能力较弱、GIS应用需求较强等情况，笔者认为，在对课程内容进行调整时应充分考虑为没有任何GIS基础的学生补习GIS基本原理等知识，还应考虑满足已有GIS基础的学生对更高层次GIS应用的需要；并且适当安排与授课内容相对应的计算机实验课，确定课程讲授与上机实验的课时比为1∶1。

以北京林业大学水土保持学院自然地理学科为研究生开设的“地理信息系统原理与应用”学位课为例，调整后的课程教学内容主要包括“基础篇”“实习篇”和“应用篇”3部分。①“基础篇”主要针对GIS和地学基础较弱的学生，具体内容包括GIS经典概念和理论的介绍、GIS软件产品的介绍和评述；相关地学背景知识的补充介绍。其中，GIS经典概念和理论介绍部分相对以往的传统教学更为注重深层次的剖析，并通过更多的实例介绍培养学生的理论应用能力；地学基础知识的补充介绍只讲授与GIS课程相关的地图投影等内容，也是结合应用加以讲解。②“实习篇”的具体内容主要包括上机操作以及与其相对应的理论部分（如数据获取、空间分析和制图输出等）的讲授。③“应用篇”的具体内容主要包括GIS在某一领域的应用案例教学和专题讲座。调整后的课程内容更强调教学内容的应用性、先进性和动态性，力求做到教学内容与行业技术在使用上的同步更新。

在课程教学过程中，笔者还对一些相对简单的内容（如容易理解的概念和GIS的基本功能等）进行总结，然后印成学习资料分发给学生，使没有GIS基础的学生通过自学就能够掌握这部分基础知识。这样，在课堂上只要讲授一些较经典又很难理解的章节（如GIS数据结构和GIS空间分析功能等）就可以了。

自开课以来，“地理信息系统原理与应用”学位课还2次邀请北京大学相关领域的专家担任主讲；同时，在外校专家讲座之外，由北京林业大学的任课教师或校内相关教师承担1次GIS应用于地学或水土保持与荒漠化防治方面的讲座。此外，课程还聘请交通行业GIS应用、地学GIS应用、林业GIS应用等领域的知名专家为学生做专题报告；并通过增加专题报告后的讨论时间，为学生与专家之间的充分交流创造条件，从而使学生充分了解当前GIS应用的前沿领域。

（二）目标导向型分步骤教学的实施

以北京林业大学水土保持学院为研究生开设的“地理信息系统原理与应用”学位课为例，笔者在实施目标导向型分步骤教学时，首先选取与水土保持和地学相关的GIS应用案例，并准备与案例相对应的实验数据；然后重新安排教学顺序，按照“数据获取（任务开始）—数据空间分析—制图输出（任务结束）”实际操作步骤安排相关的教学内容。

其次，采取课堂讲授与上机实践交叉进行的做法。在课程教学中，实践课和课堂讲授选用统一的实验数据，并按照GIS任务实施的具体步骤安排上机实践内容，从而使实习内容与每次的课堂讲授内容都相对应。这使学生的每一次上机实践都能进行有目标的练习。同时，将学生能力的培养贯穿于课程教学的全过程，针对GIS功能庞大且灵活、同一目标可运用多种工具实现的特点，鼓励学生通过不同的途径实现相同的目标，从而使学生在学习GIS软件功能的同时提高解决实际问题的能力。

（三）GIS学习能力的培养

GIS系列软件的功能极其庞大，GIS更新的速度又非常快，所以仅靠一门课来学习和掌握GIS是远远不够的。这就要求GIS类课程必须培养学生进一步学习GIS的能力，而非仅仅限于学习一门课程。因此，在“地理信息系统原理与应用”课程的课堂讲授和上机实践过程中，笔者坚持将学生GIS学习能力的培养贯穿始终，注重引导学生主动了解GIS及其系列软件、掌握基本的GIS操作要领、了解进一步学习GIS的途径和方法。

（四）增加“GIS软件课内限时操作”的考核内容

“地理信息系统原理与应用”课程的考核除了延续以往通过课后的GIS项目设计对学生进行考核之外，还增加了“GIS软件课内限时操作”的考核内容。经过多轮教学实践，笔者发现，以往仅依据学生课后的GIS项目设计评定课程成绩的方式存在教师评分较费时、学生间GIS项目设计雷同的情况时有发生等不足；而增加“GIS软件课内限时操作”考核内容有利于相对客观地考核学生对课程内容的掌握程度，为公正地评价学生的学习情况提供了有力的依据，同时课内外考核相结合的方式对课程教学效果的提高也产生了积极的推动作用。

四、GIS类课程改革的总结及建议

北京林业大学水土保持学院为研究生开设的“地理信息系统原理与应用”学位课实施目标导向型分步骤教学已1个学期，教学效果较以前明显提高。学生对GIS的学习更有针对性，并且积极性较高；学生的GIS学习能力得到较大的提高，凡选修“地理信息系统原理与应用”课程的学生在课后都基本可以独立应用GIS相关软件解决专业领域的实际问题。经过第1轮的课程教学改革实践，并基于近几年的授课经验，笔者认为今后GIS类课程的教学还应在以下几方面有所突破。

（一）编写具有专业特色的教材

目前，有关GIS理论和实践的教材较多，但针对不同专业领域的GIS教材相对较少。因此，笔者建议，应根据林业院校相关专业的学科特点以及选课学生专业基础的特点，尽快编写针对性较强的适合不同专业领域要求的内部教材或正式教材。这类教材的内容除了应包含一些必要的GIS知识点之外，更为重要的是要具有专业特点，并应包括较多的专业案例。

（二）注重教学与实践的结合

针对研究生的GIS类课程应更多地增加讨论时间和与外界交流的机会，这也是“地理信息系统原理与应用”研究生学位课目前的欠缺之处。由于GIS领域的专家学者科研工作和相关业务繁重，再加上学校的教学经费有限，所以目前还只能通过开设讲座的形式增加学生与处于前沿领域的专家学者进行探讨与交流的机会。但是，笔者建议，今后在条件允许的情况下，还应尽量安排学生去国家基础地理信息中心等相关部门实习参观，并尽量多地安排相关学者与学生进行更为广泛的面对面交流。

（三）进一步提高实验教学的质量

目前，GIS类课程上机实验教学资源的增加赶不上学生人数的增加，这限制了相关实验课的开设和内容的选择，进而影响了课程教学质量的提高。因此，笔者建议，高校要在实验教学方面“做文章”，通过开放中心实验室、网络实验室等，为学生的学习创造更多的机会；同时，要注重改进理论教学、实验教学的方法和手段，以学为中心开展启发式教学，组织兴趣小组鼓励学生开展知识创新活动，利用多媒体手段、网络资源等促进理论教学和实验教学效果的提高。

［1］陈述彭，鲁学军，周成虎.地理信息系统导论［M］.北京：科学出版社，2000：5－12.

［2］邬伦.地理信息系统：原理、方法和应用［M］.北京：科学出版社，2004：7－22.

［3］黄杏元，汤勤.地理信息系统概论［M］.北京：高等教育出版社，1990：3－10.

［4］吴秀芹，张洪岩，李瑞改，等.ArcGIS9地理信息系统应用与实践［M］.北京：清华大学出版社，2007：5－19.

［5］黄庆丰，吴文友.高等林业院校地理信息系统教学问题探讨［J］.中国林业教育，2005，23（6）：51－52.

［6］彭鹏，谢光辉，李满春.21世纪高师地理信息系统教学刍议［J］.湖南师范大学自然科学学报，2000，23（4）：91－94.

［7］陈兵丽.高校地理信息系统教学研究［J］.池州师专学报，2005，19（3）：129－131.