案例教学法在GIS软件应用教学中的探索与实践

夏元平， 许亚男， 刘 波

(东华理工大学测绘工程学院，江西南昌330013)

我国正处于地理信息产业的快速发展阶段，目前地理信息技术应用和地理信息服务已经渗透到各行各业以及人们的日常生活中，并形成了极大的市场需求，用人单位招聘地理信息专业学生的数量也在随之增加。当被问到对招聘GIS专业学生的要求时，用人单位认为实践能力强和能吃苦耐劳是决定大学生是否被录用的重要因素，比重分别达到87．9%和84．6%，且所有用人单位都把学生的实际操作能力差作为造成当前大学生就业难的首选原因［1］，《GIS软件应用》课程就是为了弥补这一问题而引入的专业课程。因此，如何提高学生的GIS软件应用能力以适应市场的需求，是现阶段必须解决的关键问题。

GIS软件应用是一门实践性强、工具型GIS软件众多、版本更新快、综合实验设置难，集理论分析与工程应用于一体的课程。尽管诸多学者从教学实践模式、教学体系等方面对GIS软件应用课程教学中存在的问题进行了探讨，但关于改进GIS软件应用课程的教学方法和手段的研究甚少。本文提出了一种以案例为导向的GIS软件应用教学方法，通过选取和设计一个个真实、完整、系统的工程项目案例，将课程的各个知识点连贯起来，形成一个完善的、综合的课程教学体系。能因地制宜，因材施教，在很大程度上保证教学效果，培养学生的动手动脑能力，激发学生学习GIS软件应用的兴趣，调动学生的学习主动性，提高学生分析与解决问题的能力。

1 GIS软件应用教学中存在的问题及案例教学法的特点

1．1 GIS软件应用教学中存在的问题

GIS软件应用教学是提高学生实践动手能力的重要课程环节之一，具有实践性、直观性、设计性、综合性与创新性特点，同时在加强对学生的培养创新能力方面有着重要的作用。尽管目前 GIS软件应用课程开设了多个实验项目，但这些实验项目更多的是属于验证性实验，且实验是相对独立的，并没有真正将本课程的各个知识点连贯起来，存在的问题主要体现在以下几个方面:①课程开设的随意性较大。在GIS软件应用教学过程中，由于实验条件的限制，或教师个人的教学态度不够端正，在教学实验项目设置时往往具有一定的随意性。②课程体系的设置不合理。在学习GIS的过程当中，如果一开始就只学习GIS相关理论知识，而后在较长一段时间内都没有学习相关的软件应用技术，则会削弱学生对理论知识的掌握，并且打击学生学习的积极性。③实验教学缺乏真实的案例和相关的实验数据。GIS软件应用属于一门实用技术，它必须针对特定的服务对象才能体现出它的潜力及价值，现有的实验课程教学过程融入的真实工程应用数据很少，也没有相对应的工程项目应用背景，根据假设的数据进行的实验缺乏真实感和逻辑性。④教学缺乏关联性和系统性。GIS软件应用的主要目的是掌握应用GIS软件和相关标准来解决实际的工程应用，但目前普遍的教学方法都是就事论事，做某个实验只是为了去验证软件的某项功能，而实验与实验之间毫无关联，也没有完整的系统性。

1．2 GIS软件应用案例教学法的特点

真实性。案例教学强调真实性，就绝对不可对所选取的案例进行虚构［2］。一方面所选取的案例应符合地理信息系统的理论知识。案例教学要解决在理论教学过程中学生不能完全理解的知识要点，并且学会在实践中如何去操作应用。因此，案例教学应该要跟理论教学进程相匹配，并能体现地理信息系统理论知识的要求，而不能将课程当中学生未接触的理论知识点渗人到案例之中，以防将学生引人盲区。另一方面所选取的案例应接近实际，要能准确地反映生产实践活动。

典型性。GIS软件应用实践性强，涉及的行业也非常广，故GIS软件应用课堂案例教学的信度和效果取决于所选案例是否具有代表性。典型案例应是学生在学习实践当中能够“伸手就摸得着”，并且对其理论知识也是能理解的，这样就便于对学习的要点进行设计探究，从而起到举一反三的作用。

系统性。根据案例学习的目的，对一个具体的GIS案例进行详细的分析和设计，把软件的某一项功能的学习分解成一个个独立小案例，最后把分解的各个知识点串联起来，集成一个完整的工程，使学生在进行系统性学习的同时，体会到所学的知识在服务社会中能有用武之地。

2 GIS软件应用教学案例的选取及设计

相对于一般的理论课堂讲授，操作应用性的案例教学要求教师在知识点的策划、课堂的组织、教学过程的控制上倾注更多的时间和精力。如果想要使案例教学的运用达到较好的教学目的，需事先做好周密的计划和安排，否则将不能取得案例教学应有的教学效果。

2．1 案例教学的选取

作为贯穿整个教学过程所使用的案例，一定要有针对性。首先，要能覆盖整个专业相关知识的内容和形式，在通过案例学习的同时要掌握GIS的基本理论和相关应用的操作方法。其次，要有助于激发学生的创造性和主动性，提升学生思考的深度，认识到实际案例的复杂性，提高其全面思维的能力。最后，选取的案例要针对某个热门行业，增强学生应用知识的实效性。笔者根据教学目的的要求及对全国地理信息项目行业类别比例进行的分析(见图1)，主要选取了全国第二次土地详查项目案例作为软件基础应用的学习，并选取了对应的面向专题应用案例来讲解GIS软件在相关行业的应用。

图1 地理信息项目行业类别比例分析

2．2 案例教学的设计

按照学校专业教学计划的安排，本课程是在第二学年上学期开设，这时，学生对专业课程的学习还不够全面和深入，因此，在对案例进行设计时，将采取循序渐进的方式，采用MAPGIS软件，从基础的数据采集、输入、管理、处理和查询的功能学习开始，在学生掌握了软件的基本操作功能之后，再选取专题应用案例来进行空间分析和应用方面的讲解。

2．2．1 基础应用案例设计

武汉中地信息工程有限公司研制的大型基础地理信息系统软件平台(以下简称“MAPGIS”)作为中国具有完全自主知识版权的地理信息系统，是全球唯一的搭建式GIS数据中心集成开发平台［3］，在全国第二次土地详查项目中发挥了重要作用。以全国第二次土地详查项目案例为中心的MAPGIS软件应用教学法，其主要目的是让学生跟着实际工程项目，培养学生理论联系实际、独立思考，逐步解决问题的能力，而这其中的重点就是通过实际的工程项目，培养学生的学习兴趣，要让学生明白自己所学的知识的实效性以及成果的显著性，而不是盲目地去学习某一个功能模式。因此案例设计的指标主要参考全国第二次土地详查相关技术流程，整个案例的分解项目以及对应的知识内容设计如表1。

表1 基于MapGIS的全国第二次土地详查教学案例分解设计

2．2．2 GIS专题应用教学案例设计

基于MAPGIS面向专题应用案例教学包含了统计分析、DEM的建立与应用分析、空间分析、三维立体模拟以及GIS综合分析与应用等基本内容模块［4］，在案例教学中，要了解各行业应用发展的主要趋势，结合热点问题来设计各种应用专题案例(表2)，同时，根据问题的提出和数据分析，培养学生独立思考和解决问题的能力。

表2 面向专题应用的GIS软件应用教学案例

3 案例教学在GIS软件应用教学中的组织实施

3．1 问题的提出

以2010年江西抚河唱凯堤发生决堤，数万灾民被安置东华理工大学为切入点，提出洪水灾害为我国发生频率较高，危害范围比较广的一种自然灾害，将对国家和社会造成大量的经济损失和人员伤亡，洪水灾害一旦出现，如何结合自己所掌握的GIS知识，来精确评估洪水灾害所造成的损失。这时，可以采取提问、解答等多种形式的互动方式，分析洪水灾害的各项特征指标，来提高学生进行抽象思维和逻辑推理的理性思维能力。比如:洪水灾害发生的位置、洪水灾害影响的范围、洪水淹没的深度等自然特征指标，人口、淹没土地利用类型、房屋等社会特征指标，财产损失率、面上综合经济损失等经济指标［5］。

3．2 数据分析

为了锻炼学生综合运用GIS软件的知识和方法进行分析和解决问题的能力，可以给定一个分析目标:要求估计出受灾地区住宅用地被洪水淹没而造成的损失，让学生结合目标，分析要获取和准备的数据，同时，可以根据分析目标中“住宅用地”、“淹没”和“损失”等关键字来引导学生积极思考，对“住宅用地”进行分类需准备土地利用现状数字化地图;计算“淹没”的范围要求掌握洪水水位的相对高程(设计为600 m)，即等高线图形数据;估算“损失”的大小则和居民的财产、地基稳定性有关。并归纳出属性数据和图形数据。

3．3 思路分析和数据准备

在对具体问题和数据进行分析之后，便可让学生设计出一个问题解决思路:①考虑到洪水淹没不能确定一个最高水位，故可以根据等高线数据，按照等高距造区，生成一个等高线区文件(见图2)，并给该文件添加一个“高程值”属性字段，并编辑所对应的高程值。②利用MAPGIS输入编辑功能对土地利用现状线文件进行拓扑造区(见图3)，然后再通过属性管理系统来添加“土地利用类型”、“估计财产”、“地基类型”、“损失系数”、“地基财产”等属性地段，并编辑所对应的属性(见表3)。③经过对土地利用现状和等高线数据进行预处理后，将编辑好的等高线区文件和土地利用现状区文件进行叠加分析，再通过MAPGIS条件检索功能求出水位在600m之内被洪水淹没的住宅用地，并根据住宅用地的估计财产及损失系数等属性字段计算财产损失。

图2 等高线区文件

图3 土地利用现状区文件

表3 土地利用现状区文件属性表

3．4 损失分析

在正式讲解叠置分析功能模块之前，先跟学生一起回顾下叠置分析的基本原理，以及执行分析功能之后，图形数据和属性数据将会有何变化等问题，等学生有了清楚的认识后，再往下讲解。利用空间分析子系统的【区与区合并分析】功能，完成土地利用现状和等高线区文件的叠置分析，产生一个土地利用现状和等高线叠合的区文件，且叠合每个图斑中都有了“土地利用类型”、“估计财产”、“地基类型”、“损失系数”、“地基财产”和“高程值”等属性(图4)。为了求出高程在600 m之内，且土地使用性质为住宅的数据，可以利用【条件检索】功能，输入分析条件“高程值≤600＆＆(土地利用性质==多层房屋住宅‖土地利用性质==底层房屋住宅)”，将获得满足该项要求的新的区文件，再利用【双属性四则运算】属性分析，得到“估计损失”和“被淹没面积比例”等属性数据项，其中估计损失=面积×地均财产×损失系数。

3．5 结论分析

进行空间分析的目的就是要提取和传输空间信息，能为相关决策部门提供依据。通过以上的分析，可以得出分析结论表，如表4所示，这时，可以让学生思考:如何让分析结果更直观，使人能一目了然地看出哪些地类损失较大，哪一类损失较小。对于分析结果，可按估计损失分成 ＜10 000、10 000～50 000、＞50 000三类，分别用三种不同图例表示，画出洪水淹没损失分布图(如图5)。

表4 分析结论表

图4 土地利用现状和等高线区文件叠合

4 案例教学在GIS软件应用教学中的效果分析

考虑到学生刚开始接触GIS软件，故选用的软件是中文版的MAPGIS，教材是吴信才的《MAPGIS地理信息系统》。在开始两个学年，对软件的讲解方法很单一，很少结合案例来讲解，主要是按照课本的章节，针对软件的某一项功能进行学习，通过调研发现，这种教学方式的效果很不明显。2011年笔者对教学存在的问题进行了分析，以学校制定新的教学计划为契机，采取了以案例教学为中心的教学方法，并围绕该方法开展以下几点工作:①重新制定教学大纲，根据教学要求，对每个知识点进行了案例的选取和设计［6］;②设置合理的教学计划，在制定2011版教学计划时，将GIS原理课程和GIS软件应用课程设置在同一学期开设，GIS原理课程在上半学期开课，GIS软件应用在下半学期开课，且地图学和测量学两门课程在前一学期开设，为学生奠定更加扎实的理论基础。③严格案例应用报告的书写，并通过案例讲解和测评答辩的形式对学生进行考核，熄灭学生想侥幸过关的想法，加深对案例实际应用及所学理论知识的掌握。④掌握MAPGIS软件的应用后，再利用学期末的两周GIS原理教学实习，讲解ARCGIS软件的操作功能，要求学生利用ARCGIS软件独立完成设计的各项案例，达到触类旁通的教学效果。

图5 洪水淹没损失分布图

为了对案例教学法的教学效果进行评价，笔者对近五年来学校GIS专业学生对主讲GIS软件应用教师的网上评教结果及毕业后用人单位反馈的学生工作上手情况和全国GIS应用水平考试通过率进行了跟踪调研，结果见图6。通过调研结果可得出:前两年各项调研指标都很不乐观，用人单位提供的学生工作后的上手情况甚至有了下滑的趋势，但到了2011年，各项指标出现了大幅度的上升，其后的两年也有了稳步的提高，在2013年第二届全国大学生GIS应用技能大赛中，笔者指导的参赛学生获得了一等奖。这说明案例教学法在GIS软件教学中能提高学生的学习积极性，有利于提高学生全面掌握GIS知识的能力。

图6 跟踪调查数据分析

5 总结

通过对造成GIS专业学生就业困难的原因及GIS软件教学过程中存在的问题进行分析，提出了一种以案例教学法为中心的GIS软件应用教学方法。同时，依据全国地理信息项目行业类别比例数据对教学案例进行了精心的选取和设计，并结合洪水灾害损失的分析案例，展现了案例教学在GIS软件应用教学组织中的实施过程。最后，通过近五年来对学生学习情况的调查分析，得出案例教学法能有效地提高学生学习GIS软件的积极性及实际动手操作能力［5］。

［1］程朋根，夏元平，聂运菊，等．地理信息科学专业本科学生需求与能力期望调查结果分析［J］．东华理工大学学报:社会科学版，2013，32(4):472-476．

［2］朱涛，马恒，刘强．专业技术课程案例教学方法研究［J］．高等教育研究学报，2010，1(33):91-95．

［3］吴信才．MAPGIS地信信息系统［M］．北京:电子工业出版社，2004．

［4］田雨，韩作振．基于ARCGIS面向专题应用的GIS课程实践教学［J］．实验室研究与探讨，2008，9(27):46-49．

［5］郑贵洲，晁怡．地理信息系统分析和应用［M］．北京:电子工业出版社，2010．

［6］郭先春，李大军，程朋根．GIS本科专业学生动手能力培养途径探索［J］．东华理工大学学报:社会科学版，2012，31(4):389-392．