基于地方特色的GIS课程实践教学改革

石 云， 贾科利， 李建华， 白林波

(宁夏大学 资源环境学院，宁夏 银川 750021)



基于地方特色的GIS课程实践教学改革

石 云， 贾科利， 李建华， 白林波

(宁夏大学 资源环境学院，宁夏 银川 750021)

根据地理信息系统(GIS)课程的特点和培养GIS专业技术人才的需要，在宁夏大学GIS专业中少数民族学生、民族预科学生比例较大的情况下，提出基于地方特色专题应用的GIS课程实践教学模式。在GIS专业选修课ArcGIS软件应用课程中应用该方法组织课程的实践教学内容，对教学组织，考核等进行教学实践环节探索研究，设计凸显地方特色的退耕还林还草规划、黄土高原丘陵沟壑区侵蚀沟道分析等综合专题，强调实例对GIS空间分析功能的整合，连贯性。通过GIS专业2009级、2010级、2011级三个班级ArcGIS软件应用课程的的实践教学改革，学生在专题中学习ArcGIS的应用模块，理解GIS原理；通过综合实例的环节，设计分析有趣的空间问题，调动学生学习兴趣、提高学生创新能力和参与性，取得良好的教学效果，为本专业学生成长为专业技术人才起到积极作用。

GIS； ArcGIS； 地方特色； 综合专题

0 引 言

地理信息系统(GIS)是在计算机软硬件支持下，对整个或者部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统[1]。GIS自20世纪60年代产生以来，已经被广泛应用于测绘、资源管理、城市规划、灾害防治、商业策划、军事等相关领域。目前，全国有近200所高校开设GIS专业，各个学校的专业发展背景和师资、生源等大不相同，对GIS专业的教学和发展提供机遇和挑战。

宁夏回族自治区是中国五大自治区之一，地处中国西部的黄河上游地区，回族人口超过30%。宁夏大学是宁夏回族自治区唯一一所211高校，资源环境学院GIS本科专业自2002年开始招生，主要生源来自宁夏区内。针对宁夏大学地处民族地区，GIS专业生源的特点，教学实践需要，提出基于地方特色专题应用的实践教学模式，以专业选修课ArcGIS软件应用课程为例，在该课程的教学实践环节设计凸显地方特色的综合专题应用，同时进行考核考试等环节的教学改革，激发学生的内在潜力，培养学生的创新能力[2]。教学改革取得良好的教学效果。

1 GIS课程实践教学改革教学背景

1.1 教师队伍

宁夏大学资源环境学院GIS专业自2002年招生，GIS专业教师中70%有博士学位，每位老师都主持或参与的国家级、省部级课题的课题。在地处西部少数民族地区，本专业教师队伍较年轻情况下，通过参加校内外教学质量工程，组织青年教师参加全国性的GIS比赛，教学研讨班等，不断提升教师的业务能力。

在GIS专业教师的努力下，专业整体教学水平、能力得到很大的提高，培养的学生都能够很快适应单位的要求，但和全国先进水平还有较大的差距，有待继续提高。

1.2 生源情况

2010年招生数据(见表1)显示，学生90%是调剂生或者少数民族预科班学生，少数民民族学生占一半以上。多数同学对GIS不了解，自主学习意愿较差，学习能力也各有不同，因此调动学生的学习积极性，结合学校情况、加强地方特色的实践内容成为当务之急。

表1 地理信息科学专业学生结构表 人

1.3 GIS相关公司要求

2011年以来，北京舜土机构、广东南方数码科技有限公司、星球数码(集团)等公司宁夏银川分公司相继成立，业务范围涉及国土部门的土地确权、地理国情普查、开发区土地集约评价、土地复垦、智慧城市等工作，对本专业学生需求量逐年增加，也对GIS教学改革提出要求，尤其是数据库建设和专题地图制作，在ArcGIS软件应用课程实践环节需要针对相关公司的工作增加相应环节的内容。

1.4 实践教学模式

GIS课程的学习，首先是理论学习，其中有关大量抽象的地理信息概念的理解;其次是GIS软件的学习[3]。通常GIS的实践教学模式是根据实验按部就班的练习，而且实验、实践内容相对比较独立，实验绝大多数为验证性实验，整个实验体系过于僵化和形式化，缺乏系统性和创新性[4-5]，学生容易出现懒惰情绪，互相抄袭。实践教学改革需要根据GIS相关课程创新实践教学模式，设计符合地区、学生特点的实践教学案例，改革教学环节，提高学生创新能力和实践能力。

根据上述情况，提出基于地方特色专题应用的实践教学模式，以期让学生更好地掌握、应用GIS技术解决专业实际问题的技能，从而达到创新型专业技术人才的培养目标[6-7]。

2 改革实践教学内容

2.1 基于地方特色专题应用的实践教学模式

基于地方特色专题应用的实践教学模式强调结合学生特点、突出区域特色，学生“在地方特色专题应用情境中，在实践中学习”，实现实例对GIS空间分析功能的整合。专题应用分为基础应用专题和系列地方特色的综合专题，根据GIS学习的特点，在实践初期选择基础应用专题，此专题部分强调实践内容的验证性，学生按实验步骤学习相关GIS软件平台；系列地方特色的综合专题强调内容的系统性，将GIS的数据采集、分析、处理、输出贯穿整个学习过程始终，保证学习的连贯性和学生的专业应用技能培养[8]。同时，教学环节增加学生的综合实例环节，因为有用、新颖、有趣对于他们来说很重要，体现为求新、求知、求解、求趣、关己等六种心理[9]，此环节就设计为学生从感兴趣的应用问题出发，运用课程技能知识解决实际问题，增加专业技能实践学习锻炼机会，从而提高自主学习能力，激发学生的求知欲和创新思维[10]。

2.2 教学目标

建立和完善GIS的专业教育，整合教学设备、教学软件环境、教学师资等各种教育资源，为学生提供优越而宽松的学习条件与环境。改革的核心目标是学习方式的转变，提倡自主学习、个性发展的教学新理念，倡导自主、合作与探究[11]，鼓励学生自我设计、自我创造，激发他们的学习兴趣和创新性思维。

2.3 教学组织

ArcGIS软件应用课安排在大学三年级第二学期，完成GIS原理与应用，遥感概论，空间数据分析等课程和部分GIS软件的学习，有较高的专业操作技能基础。基于地方特色专题应用要求对实际应用问题进行深入分析，学习运用课程知识、技能解决实际问题的方法与技巧[12-13]。

课程教学实践分为基础专题应用部分、综合专题、设计展示考核，上机考试。基础专题部分要求大家通过设计的相关专题将GIS原理与ArcGIS软件的相应功能模块的应用掌握，综合专题通过基于地方特色的综合专题,学习GIS空间数据分析的方法，综合专题将ArcGIS软件的应用模块在专题中环环相扣，紧密结合。通过实验练习，学生能掌握ArcGIS软件的基本操作功能，了解GIS技术在宁夏相关领域的应用，可以解决实际问题。

2.4 考 核

根据课程情况，考核成绩分为考勤，专题实践，专题设计，汇报，上机考试等五部分，分别占总成绩的10%，20%，30%，10%，30%，课程成绩分配强调实践部分的重要性。根据考核不同环节，学生主动查找资料，设计空间分析实例。专题设计、汇报成绩根据学生提交的实例设计报告的内容、分析过程、结果，以及汇报答辩的表现包括语言表达、内容、PPT的制作等评分，教师对学生学习和综合专题的成果进行点评。对有进一步开展研究兴趣的学生，组织其完善其综合专题应用，参加学校或者自治区的相关项目，逐步朝着科研的方向迈进[14]。

3 基于ArcGIS软件应用课程的教学实例

3.1 ArcGIS空间分析主要功能模块

ArcGIS是世界上最广泛的GIS软件之一，在诸多领域表现其卓越的地理空间分析和应用功能，包括空间信息科学计算、地理信息工程模拟仿真、决策支持与专家系统等方面[1]。

ArcGIS软件应用课程实践专题包含常规GIS分析的大部分内容，包含ArcGIS软件的矢量数据分析、栅格数据分析，空间分析功能模块等基本内容模块，如图1所示[1]。

图1 ArcGIS空间分析主要模块图

3.2 基于地方特色的GIS实践教学

3.2.1 ArcGIS软件基础应用专题

ArcGIS软件应用基础，数据管理，市区选址分析、寻找最佳路径专题式基础应用专题，涉及ArcGIS软件平台基本操作，空间分析的矢量数据空间叠加分析、栅格数据距离制图、空间插值等方面，同时结合GIS公司项目的要求，每个专题都要求最终成果为专题地图。通过四个验证性实验专题，学生掌握ArcGIS软件基本操作，为后面基于地方特色的综合实例打下基础。

3.2.2 基于地方特色的综合专题实例

实践教学改革结合宁夏回族自治区生源特点及地方特色，设计农田肥力分析、退耕还林还草规划、黄土丘陵沟壑区侵蚀沟道提取分析等3个综合实践专题。课程实践过程，关注学科前沿研究进展，参考GIS相关的公司的工作内容，及时补充和更新教学内容。应用系列地方特色的综合专题，通过实例对GIS空间分析功能进行整合，确保学习的连贯性。

(1) 退耕还林还草规划专题。专题要求对宁夏固原市彭阳县退耕还林区域选择，根据GIS空间分析的方法，按照退耕坡度、河流两侧水土保持，居民区种植经果林等条件，规划需要退耕还林的区域，并配置经果林或生态林。

研究区选择固原市，该市回族人口占全市44.5%，研究区学生较熟悉，本专题设计学生共同参与空间分析过程的环节。专题包含ArcGIS数据库建设、数据管理、分析模块、空间分析模块的应用。按空间分析的过程进行原始数据采集，遥感影像目视判读，构建彭阳县退耕数据库，包括DEM，河流居、民点等矢量数据。分析过程涉及数据采集、矢量空间分析、栅格空间分析、数据类型转换和空间决策分析。具体空间分析操作包括叠置分析，图层筛选、求交集操作、联合，及缓冲区分析和DEM地形分析等操作。专题同时融合GIS企业对地图编辑的要求，最终生成系列专题图。专题将GIS空间分析过程贯穿整个学习过程。

(2) 黄土丘陵沟壑区侵蚀沟道提取专题。专题源于全国水保普查西北黄土高原区侵蚀沟道普查，根据黄土丘陵沟壑区彭阳县王洼乡的1∶10万DEM数据提取河流网络，进行河网分级，计算流水累积量、流向、水流长度、根据指定的流域面积大小自动划分流域，再根据西北黄土高原区侵蚀沟道普查的要求对侵蚀沟道位置、侵蚀沟道特征进行提取。

专题要求掌握应用ArcGIS提供的水文分析模块提取河网，应用按位置选择、空间连接的分析工具解决数据沟道与汇水面对应关系，数据冗余及属性的连接等；结合遥感影像对数据进行修正，并提取沟头、沟尾、沟道长度、沟道纵比等普查指标。专题结合宁夏南部山区黄土丘陵区的区域特点，涉及水文分析、叠加分析、数据格式转换等操作，专题结合当前水土保持生态建设的主题，有助于学生对以小流域为单元宁南山区水土保持综合治理的理解。

3.2.3 农田肥力分析专题

永宁县是宁夏重要的商品粮基地生产县之一，王太行政村是重要的有机水稻种植区，本专题通过对王太村的土壤化学成分进行地统计分析，以便确定应该施加化肥种类和化肥量。

通过专题熟练掌握并理解ArcGIS地统计模块中提供的六种克里格插值方法，练习每种克里格方法的原理及实现过程，体会在该专题应用中的适应性。专题实践涉及数据采集、地统计分析、叠加分析等操作，应用王太村点测的钾含量的抽样数据，分别应用六种克里格插值方法进行王太村钾含量分布的地统计分析。通过以上不同克里格插值方法的分析对比，确定采用哪种克里格方法进行内插是最合适的。最后从王太村钾含量分布图中创建钾肥分布等值线图，确定哪些区域需要施肥。

3.2.4 实例设计

实例设计要求学生以自己最感兴趣的内容做一个专题进行综合分析，自由选题，内容可以生活的方方面面，购物、旅游、餐饮等，要求标新立异，让学生大胆想象，积极思考，主动探索，才能在整个培养过程中发挥学生的内在潜力[15-16]，实例越有趣基础分数越高。专题以个人为单位，按搜集数据、分析处理数据、空间分析过程、空间分析结果等空间分析步骤，完成一个专题的完整空间分析过程。在安排ArcGIS软件应用课程的学期最后一节课作为成果展示课，要求最后成果完成人进行设计答辩，制作ppt并对项目进行阐述。专题强调学生的个人兴趣爱好，不是呆板的模仿。

4 实践教学改革效果

通过专题的学习，学生掌握ArcGIS软件的应用模块及空间分析过程，在实例设计中充分发挥积极性、创造性，从自己感兴趣角度出发设计分析空间问题。教学改革实施的3个班级，各种有趣的实例设计不断涌现：GIS分析女性化妆品的选择、吴忠市清真寺分布分析、永宁县稻田蟹养殖空间分析等如表3所示。在分析过程中调动同学们集思广益，互相讨论。通过最后的实例设计环节，同学们将GIS理论与实际应用相结合，能够熟练应用ArcGIS软件，基于地方特色专题应用的实践教学改革效果良好。

表3 实例设计分析专题

5 结 论

基于地方特色专题应用的实践教学模式，设计基于地方特色专题应用的实践专题，发挥ArcGIS软件强大的空间分析功能，调动学生自主学习的积极性、创造性，应用于GIS课程的实践教学改革包括以下几点：

(1) 实验体系的改进。本模式改善以往实验基本都是验证性实验的情况，根据课程情况，改进实验体系，分为软件基础专题和综合专题实例，通过软件基础的验证性实验，按步骤学习软件的基本操作；专题实例部分，强调实验的系统性和创新性，学生在连贯的实验中环环相套，实际操作中理解和掌握GIS理论知识和技术平台，在实践中，加深基本知识和概念的掌握。

(2) 基于地方的特色。基于地方特色专题应用的实践教学模式强调从学生出发，考虑学生学习知识的求新、求知、求解、求趣、关己六种心理，结合地方特色，激发学生学习兴趣，培养学生的创新思维，在基于地方特色的专题练习的过程，学生通过学习自己熟悉的专题实例，主动参与专题的分析讨论过程，将GIS理论和地区应用贯穿整个ArcGIS软件学习始终，达到自主学习的目的，提高学生的参与性。

(3) 实例设计及考核的改革。通过实例设计学生不断创新思路优化自己的分析实例，收集数据资料、阅读相关文献，提高自主学习的能力，进一步加深对专题实际应用及所学理论知识的理解，在这过程中也培养学生的的创新思维和动手能力。考核的改革内容增加，项目讲解和答辩成绩成为最终课程成绩的重要部分，学生在实例设计分析过程加强对GIS专业交流的理解和体验，对未来申请科研和创新提供实验平台。

(4) 良好的教学效果。通过基于地方特色专题应用的GIS课程实践教学，学生更好地掌握GIS平台，对空间分析功能做到理解和掌握，在教学模式实施的三年来，多名GIS专业本科学生纷纷踊跃参加学校组织的科技创新立项活动。在参加校内的创新及课外实践活动，取得不同的奖项，极大地鼓舞学生科技创新的热情，更激发对GIS专业的理解与热爱，教学效果良好，为宁夏的GIS专业技术人才的培养起到积极作用。

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Teaching Reform and Practice of GIS Course Based on Local Features

SHIYun,JIAKe-li,LIJian-hua,BAILin-bo

(College of Resources and Environment, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Based on the course characteristics of the geographic information system (GIS) and the needs of GIS professional and technical personnel, in the major of GIS in Ningxia University where minority students and ethnic preparatory students have a larger proportion, the paper puts forward the method of GIS teaching reform based on local characteristics. In the application of ArcGIS software in GIS professional elective course, we combined with the teaching content to organize students to explore practical teaching contents, such as the local characteristics of the returning farmland to forest planning, hilly gully region of Loess Plateau gully erosion analysis integrated projects. In the practice of teaching reform of ArcGIS software application course for GIS professional 2009 level, 2010 level, 2011 level of three classes, we applied module to educate students to learn ArcGIS in these topics. Through a comprehensive example, we require students to make their own analysis of the spatial problems. These measures arouse the students' interest and improve students' innovation ability, and got good teaching effect. It plays a positive role in the growth of students to the professional and technical persons.

GIS; ArcGIS; local characteristics; integrated projects

2014-12-25

国家自然科学基金项目(41161081)；宁夏大学教学改革项目

石 云(1977-)，女，宁夏银川人，博士，副教授，研究方向地理信息系统应用。Tel.: 13995077221；E-mail：shiysky@163.com

G 424.31

A

1006-7167(2015)12-0216-04