地理信息系统课程内容设计探讨

陈占龙+吴亮+赵雷

摘 要 地理信息系统简称GIS是一种最典型的信息系统实例。本文通过对地理信息系统基本原理内容和实验教学的设计，使学生能更好地了解地理信息系统的产生背景与意义、特点与功能、应用领域及发展方向;在课堂讲授中将GIS中基本的算法，如缓冲区算法、叠置分析算法等与计算机数据结构相结合，使得学生对所学的数据结构有更深刻的认识，同时加深学生对GIS的认识，并初步获得利用GIS解决问题的能力。

关键词 地理信息系统课程 教学设计 高等教育

中图分类号：G642   文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.09.033

Geographic Information System Course Design

CHEN Zhanlong[1]， WU Liang[1]， ZHAO Lei[2]

（[1] Faculty of Information Engineering， China University of Geosciences， Wuhan， Hubei 430074;

[2] Kunming Surveying and Mapping Management Center， Kunming， Yunnan 650500）

Abstract Geographic information system referred to GIS， is one of the most typical examples of information systems. Based on the basic principles of GIS content and design experimental teaching， so that students can better understand the background and significance of geographic information systems， features and functions， applications and development direction; taught in the classroom will be a fundamental GIS algorithms， such as buffer algorithm， overlay analysis algorithms， data structures and computer combined so students have learned a deeper understanding of data structures， while deepening understanding of GIS students and initially acquire capacity to use GIS to solve problems.

Key words GIS; teaching design; higher education

0 序言

地理信息系统（GIS，Geographic Information System）结合了地理学、地图学、 遥感及计算机科学，已被广泛应用于在不同的领域。地理信息系统在信息专业中是一门难度较大的课程。GIS中的许多基本算法如：空间分析算法、叠置分析算法、缓冲区分析算法等都会用到以后的以空间信息为基础的信息工程专业中，但由于地理信息系统开课靠前，许多学生认识不到地理信息系统原理的重要性，学生普遍的反映是这门课难学，又枯燥乏味，提不起兴趣。因此对于教学模式的探讨是很有必要的。

1 现阶段GIS课程教学问题分析

21世纪以来，随着计算机技术、飞速发展，GIS技术也日新月异，GIS教育也迎来了迅速发展时期，学生人数的迅速扩大使得GIS教学内容合和实践环节严重不足，GIS教育无规则、无标准可循， 教学内容差异巨大。使得指导教师在有限的课程内无法全面地指导学生，影响了学生在该课程上的学习兴趣的发展、掌握程度的提高及动手能力的培养。现阶段的GIS课程体系结构不完善，课程设置具有一定随意性，课程的目标定位也具有盲目性;如GIS课程结构安排上理论与实践课程的不均衡性，GIS课程的教学内容也仅局限于课本知识，且课程章节之间脱节，教学内容重复冗杂;同时GIS课程的教学方法也较为单一，拘泥于传统的讲课式授业而忽视教学过程设计中的创新，实验数据和工程案例缺乏等也导致实践课程部分的薄弱。

2 教学任务与内容设计

根据信息工程专业的实际教学需要，将GIS教学由32学时的理论课与16学时的算法实验课组成。教学内容与学时分配如表1所示：

表1

3 实施过程

GIS课程主要介绍GIS的基本概念与理论、方法。在讲授过程中结合科研项目中的关键技术进行详细讲解，重点对GIS中的关键运算算子、可视化并行算子、地图专题图设计、地图数学基础之投影方法及坐标系进行了详细介绍，并利用课堂计算机进行现场操作和基本原理介绍，使学生对GIS相关功能和技术产生感性认识。具体实施过程如下：

对于序论部分，主要让学生了解GIS在信息工程专业中的定位、以及本课程所包含的基本内容，GIS相关要点在求解实际问题中的核心地位和基本步骤;使得学生对GIS基本概念有初步的认识，对空间信息处理与分析的意义和作用有基本的认识;了解如何利用GIS知识解决实际问题，并了解GIS中的基本的概念和分析方法。

对于地理信息系统的数据结构和空间数据库部分，主要让学生掌握理解栈和队列等节本数据结构概念，熟练掌握栈和队列上的常用运算，理解和掌握如何使用栈解决GIS的问题;掌握空间数据库与关系数据库的区别与联系，理解空间索引的原理与效率分析，了解栈与递归的关系;了解递归算法到非递归算法的转换机理和方法以及如何在GIS中进行应用;掌握如何使用队列解决实际问题。在讲解以上知识点的同时，笔者尝试将学生已经学过的C语言程序设计中函数调用过程中用到参数传递以及函数内部成员变量的存储方式与GIS数据结构中的栈的数据结构联系起来，同时举例讲解了GIS功能中的栈的使用，同时对GIS的空间数据管理中的缓存设计中的栈的结构实例进行了分析，使得学生对该部分的理解更加深刻。

对于空间分析原理与方法方面，重点让学生掌握空间分析的基本原理。同时，将科研中的关键技术点进行讲解，增加学生的视野。包括多核并行GIS通用算法、高性能基础空间分析运算算子、跨操作系统的空间数据引擎及其应用接口等。在多核环境下空间数据的分治、空间信息索引框架、索引机制、空间数据的协同计算作为高性能GIS的关键技术问题等。同时结合GIS拓扑分析算法，使学生掌握图的基本概念，能写出图的抽象数据类型。理解图的各种存储结构，并能设计基于图的存储结构的算法。重点掌握图的周游、最短路径和最小支撑树的相关算法。在讲解以上知识点的同时，笔者尝试对基于图模型的多边形自动构建算法的实现进行了分析，根据图模型中有向闭合环的特点，对图模型进行处理，同时，在该算法中，对图的存储结构、周游等进行了详细介绍，使得学生对图这部分的理解更加深刻。

对于实践教学部分，在教学中，采用国产大型GIS软件MAPGIS系列软件，重点关注GIS的空间查询与存储处理部分的设计，主要内容包括：设计多核计算环境下的GIS矢量空间数据的存取与处理二次开发模拟环境模块，实现多核并行计算环境下矢量空间数据的叠置分析的二次开发模拟环境模块，测试可用性和易用性。实现多核并行计算环境下矢量数据的并行缓冲区分析运行模拟环境模块。以多核并行计算环境为基础，实现“分发—回收”模式的高性能空间计算任务协同运行模拟环境模块。对GIS中现阶段的关键技术点结合科研经验进行详细的讲解，激发学生的学习GIS关键技术的兴趣。

4 结束语

GIS是信息工程专业的核心专业课，课堂上理论知识的讲解结合上机实习操作，既深化了学生对GIS基本概念与理论的理解，又提高了学生的实践动手能力，结合科研经历的讲授方式极大激发了学生的学习热情。作者将理论与科研实际应用相结合，注重启发式教学，注重夯实理论知识、提升动手能力和学生创新能力的培养，重视教学反馈、教学相长等。采用这种教学模式不仅使学生掌握了GIS本身的知识点，同时也了解了这些知识点的应用，使学生开阔了视野，取得了较好的教学效果。

基金项目：中国地质大学（ 武汉） 校级B 类教学研究项目：基于项目的“双创型”人才培养模式探索——以信息工程专业为例;中国地质大学（ 武汉） 实验技术研究项目研究项目：面向多核架构的GIS并行实验模拟环境开发

参考文献

[1] 俞艳，袁艳斌，黄解军.GIS拔尖创新人才培养课程体系设计[J].地理空间信息，2015.4（13）：2.

[2] 刘峰.GIS课程的教学探索与实践[J].长沙民政职业技术学院学报，2010.9（17）：3.

[3] 周廷刚，苏迎春，杨晓霞等.地理科学类专业课程体系构建与课程设置研究[J].中国大学教育，2012（1）：56-59.

[4] 刘妙龙，黄佩蓓.国内外GIS课程内容的对比与启示[J].地理科学，2002.12（22）：6.

[5] 龙毅，汤国安，闾国年.立体化教学模式的GIS国家级精品课程建设[J].测绘通报，2006（12）.

[6] 胡圣武，侯红松.论GIS专业高等教育的问题及解决的方法[J].测绘科学，2009.1（34）：1.

[7] 党安荣，刘钊，贾海峰.面向应用的高校GIS教学探索与实践[J].中国高校GIS教育创新与发展，2007.

[8] 韦波.地理信息系统本科专业课程体系中二次开发能力的培养[J].高教论坛，2008（4）.

[9] 肖洪，代翔宇.地理信息系统专业实践教学模式改革研究——以“GIS软件及其应用”课程为例[J].测绘与空间地理信息，2012（2）.

[10] 夏丽华，陈颖彪，冯艳芬，王德辉.地理信息系统专业实习模式探索性研究——以广州大学GIS专业实习为例[J].地理信息世界，2007（2）.