互动式教学用于地理信息系统课程的方法研究

引文格式： 吴政庭，严泰来，洪本善,等. 互动式教学用于地理信息系统课程的方法研究[J].测绘通报，2015(2)：129-132.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0060

互动式教学用于地理信息系统课程的方法研究

吴政庭1，严泰来2，洪本善1，周天颖1

(1. 台湾逢甲大学地理资讯系统研究中心，台湾 台北； 2. 中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083)

AStudyofUsingtheInteractionTeachingModelinGISCourse

WUZhengting，YANTailai，HONGBenshan，ZHOUTianying

摘要：介绍了互动式用于GIS教学，即“都市规划与空间信息技术实习”的授课之中，采取降低教师授课比重、由教师设计各种GIS实际应用的专题，让学生从问题提出、资料搜集、集体讨论、自我发现与纠正错误概念等一系列环节，循序渐进地获取GIS相关知识与技能；而教师在课程教学中所扮演的角色，从知识的提供者转变为解决问题的引导者，让学生通过独立思考与讨论来寻找问题的答案。为检验这种教学改革的效果，笔者进行了问卷调查，共取得44份有效问卷。问卷分析结果表明，大多数学生对本科教学效果持肯定意见，多数学生对于本课程所花费的学习时间高于其他课程。此外，绝大多数学生掌握了GIS的基本操作，增加了实际应用的信心，而且对于GIS系列后续课程产生兴趣。

关键词：地理信息系统(GIS)；交互式教学；GIS应用专题

中图分类号：G64文献标识码：B

收稿日期：2013-12-27

作者简介：吴政庭(1979—)，男，硕士，主要研究方向为GIS教育推广、空间讯息专案与研究。E-mail:jerry@gis.tw

一、前言

地理信息系统(GIS)是辅助人们认识、学习、研究直至管理、改造自然环境的一种现代工具。它以计算机技术为基础，将城市与农村的自然风貌、生态环境、土地利用状况、市政基础设施、民居、交通路网、水系网络、企事业单位等空间分布信息，以数字化地图的形式存入计算机，并提供相应软件供人们展示或分析。该项技术的应用领域相当广泛，如土地管理、水利、地质、农业、交通、市政管理、军事等。GIS是土地管理专业、城市规划专业学生就业必须掌握的知识与技术。GIS技术有50多年的发展历史，形成了一整套理论基础艰深、功能体系复杂、技术灵活多变的技术门类。讲授GIS课程传统上可分成理论与实际应用操作两部分，其中后者以讲授和练习GIS软件操作为主，培养学生解决不同层次应用问题的能力，同时加深理解GIS相关的概念。

多年教学经验表明，传统教学方法向本科大学生讲授这门课程，学生感到概念印象肤浅、技术难以掌握，多数学生对这门课程不感兴趣，其原因与学生不了解这门技术在社会的需求情况、缺乏感性认识有直接关系。Lloyd[1]在讨论GIS在大学课堂实践教学上的障碍时，将障碍分成技术性因素、教师训练和适用教材不足、其他教学环境因素3种类型。实践经验告诉我们，仅用抽象的理论与技术规则去教授学生，学生概念模糊，不理解用处，因此不感兴趣，缺乏学习积极性，不能收到应有的教学效果。多数的教学研究者指出，GIS的教学应当以培养学生自我学习的能力、建立信心感，同时按照学生自己的程度与思维习惯，降低实验与钻研中的错误为教学目标(Chen,1997)。

自2009年以来，逢甲大学建设学院的都市计划系，以二年级学生为主体，尝试教学方法改革。这些学生在一年级已经学习过“地理信息系统概论”，在二年级开设一门以实践应用教学为主的课程，即“都市计划与空间信息实习”，藉以增强学生技术实际应用的技能，缩短学校培养目标与社会实际需求的距离。这门课程的教学理念是：提出并辅导学生解决难易适中、切合实际、学生感同身受的多个课题，让学生分别找出解决方案；将教师从授课者变为引导者，与学生共同探讨使用GIS技术解决问题的途径，并给予具体建议和指导；在课堂上由研究各个课题的学生代表定期向全班学生与教师报告问题解决的阶段性方案，激发、训练学生解决问题的能力，使学生在修正错误、逐渐研究深入的过程中掌握GIS技术。

经过四轮(年)的教学实践，这种教学改革收到了预期的效果：多数学生学习积极性显著增强、概念理解准确、具有一定的解决实际问题的能力；同时，也提高了学生合作研究问题，以及在公众面前讲话的表达能力。

二、交互式教学理念的产生

近年来GIS技术已经趋于成熟，成为一般生活中应用常见的、工具型的技术，如便携式GPS、电子地图、车载导航等，使用者无须具备抽象的GIS概念，只要会操作，知道有起点和终点、方位等地理概念，就可以方便使用这些工具。事实上人们在接受基础教育中，已经将这些简单、基础的GIS观念深植于每个人的脑海中。但对于GIS专业从业人员而言，GIS则是辅助进行空间分析与信息挖掘的工具，如要研究一个公园的服务范围，就可以利用公园门口的交通路网分析、获取可能的服务范围信息；也可使用公园围墙的缓冲区(buffer)分析涉及的居民区或单位，进而了解公园服务范围与服务对象。再如，土地管理从业人员在划分城市的城乡结合部边界、研究商业网点的聚集效应、景观生态等，都需要设定这些对象的空间特征，利用GIS空间分析功能获取相关信息。因此GIS的教学需要引导学生灵活应用的学习、实际运作体验的学习，更需要从应用中发现错误、修正错误的循环往复之中学习。因此GIS课程规划应不同于遥感课程较着重于理论，也不同于测量课程较着重于操作，而是将理论融会贯通于实践，强调实践，从实践中培养发现问题与解决问题的能力，并逐渐加深对GIS的理论与技术应用的理解与掌握。

1. 教学理念与教学方式的变革

“都市计划与空间信息实习”与传统的教学理念与教学方式有所不同，首先将学生自由结合，分成几个小组，由教师分给每个小组一个课题。由学生通过分组讨论、搜集资料、研究解决方案，安排每周一次课堂报告研究结果，并由多位教师与助教当场给予指正等，多次循环往复。这种方式的教学理念如下：

1) 从错误中学习，培养解决问题的能力。人们掌握一门学科知识的过程中不可避免地会产生错误认知，事实上，错误是正确的先导。但在传统教学中，教师不知道学生的错误认识，学生自己也不知道自己的错误所在。采取由学生课下有助教指导的分组讨论和课上报告，报告通常会发现各种错误，教师当场指出并分析错误，再由学生研究改正，这种教学方式符合人们认识的一般规律。 这种做法加深了学生对于GIS技术的理解，学到将GIS技术应用到实际问题中的方法，建立起理论与实际相结合的“桥梁”。

2) 团队学习的竞争与合作，发挥个人所长。建立团队竞争和激励机制是现代教育对学生进行培养训练的重要理念之一，具有与其他人团结合作的能力是在现代社会能够取得事业成功的一个必备条件。在教学过程中，每位学生都是某个研究小组的一个成员，个人研究成绩与团队荣誉息息相关。依据WilliamGlasser(1998) 提出师生双赢的理念，团体讨论式的学习有助于提高学生学习积极性、提升分析推理的水平、改进学习方法、加深学习的印象；同时使学生学会如何建设性地解决争论冲突，发挥集体智慧，学会与他人合作，掌握缓解冲突的技巧，并在解决问题过程中获得学习的兴趣。

3) 重新定义教师扮演的角色，确立辅助与指导方向。传统的大学教育型态中，教师是所有学习活动的中心，通过教师提供教育和学习的机会，由教师负责教导知识、传授技能，学生被动地置于竞争的学习环境，教师利用讲授及课程考试的模式，建立以教师为中心的教导权威，学生于无形中强化与累积知识，进而培养大学生的能力(魏慧美，2009)。在本教学改革中并非否定传统的教学方式，对于基础的理论与技术部分，教师的授课是必须的而且重要的，但对于深入教学部分，教师所扮演的角色就应该从知识的传播者改为知识的引导者，这种学习方式接近研究生的学习方式，当然教师需给予更多的指导与技术帮助。

2. 学习 GIS技术操作

GIS技术应用在自然资源环境管理上，可整合自然环境各类数据，进行数据处理及空间分析，包括图件数字化、坐标定位、数据检索、格式转换、空间内插、叠加分析、路网分析及三维模拟等，由于计算机程序设计部分另有专业课程，因此不要求学生开发计算机程序，而是通过解决问题，反复操作GIS软件，进而熟悉软件操作与软件集成的应用方法。

Wire和Robertson[2]指出，上机学习GIS之前，需要事先了解如何应用GIS，否则很容易在学习过程中迷失学习方向。对于二年级本科生，除了在一年级学习过GIS入门课程之外，已经开始接触到GIS软件 (以美国Esri公司推出的ArcGIS9.3版本为主) ，但对于多数学生而言，对GIS软件的操作仍然感到相当陌生，并对各种格式的GIS数据缺乏认识。因此教师在设计研究课题时，应当考虑到过于复杂的GIS问题会导致学生产生挫折感，对建立学习信心极为不利。因此于本课程开始前，教师的基本工作应当包括：①研究需选取GIS实际应用的课题；②选择适合学生使用的GIS平台或软件；③搜集课题可能需要的相关数据，包括遥感影像数据；④评估题目是否需使用过难的GIS分析功能。

三、课程设计与教学方式

1. 课程设计、地图数字化输入与操作

本课程以台中市为研究范围，采集目前市政管理的现实问题形成研究课题，这些课题是学生感同身受、亟待解决的问题，期望借以提升学生的学习兴趣，启发学生对GIS空间分析功能的理解，并引导学生思索利用哪些GIS技术寻求解决方案，培养学生独立思考及解决问题的能力。教师仅提供研究课题的题目并简单阐述课题内容，以及需要的相关数据类型，至于实际使用的数据及涉及的GIS技术部分，则交由学生自行搜集及讨论。2011年教学年度，我们共设置了8个研究课题，学生分为8个小组各分给一个课题，每个小组安排一位助教或研究生辅导，并沟通教师与学生的联系。课题题目详见表1。

表1　课题题目与相关的 GIS数据

2. 程配套措施

我们要求学生每星期报告研究进度，学生取得题目后，第一周报告所搜集相关的文献资料，第二周报告搜集到的地图数字化数据，第三周则报告拟将应用哪些GIS技术解决课题，并于第四周进行研究技术路线的报告，以后各周报告阶段性研究成果，最后一周作总结性报告。

由于大学本科生不安排固定研究室，不能随时与教师讨论，因此本课程安排助教深入到各组学生中与他们共同讨论，助教由具有GIS应用实践经验的助教或研究生担任，从而分摊教师的指导压力，避免学生对于课题研究方向的偏差。在课程进行期间，每周安排各组代表向全班同学作研究进度汇报，教师当场讲评、补充讲授相关概念，学生互评，以纠正学生的错误概念和错误做法，并对进一步研究提出建议，以加深学生对GIS技术的理解，学会实际应用的能力。各阶段的实习教学重点流程如图1所示。

图1　城市规划与空间信息实习课程流程

四、课程评价与教学效果

向学生调查是考察教学效果的一种客观有效的形式，调查常采用问卷调查方式进行。本课程问卷调查于学期末进行，问卷内容采用开放式问题与封闭式问题并行。本次回收有效问卷共44份，占学生总数的95% (总学生人数为46人)。

1. 开放式问卷回复

问卷调查的开放式问题如下：对于本次课程中的一些GIS实际操作及其应用，你对于哪一个操作印象最深刻，有什么收获，为什么？学生回复有以下要点：

1) 了解到了GIS是如何应用在实际工作中的，如对于旅游线路与车站设置课题，学生了解到这种专项规划需要考虑哪些问题，GIS又是如何给出实际数据提供给设计者进行决策的。由此GIS技术从抽象的概念变为研究问题和解决问题不可缺少的工具。

2) 了解到了实际问题的复杂性。知道要有分析的头脑去发现问题、解决问题，如民居小区选址，学生从中知道选址环境条件的复杂性，实际既存在正面的因子，又有负面的因子，掌握了AHP的使用方法，学会某种土地利用专项选址的工作方法。

3) 掌握了搜集相关资料的技能。学生在充分理解课题目标的基础上，自行考虑需要搜集数据的类型及搜集方法，包括网上查询、实地调查及问卷调查等，这种技能是社会科学管理门类的本科大学生应当掌握的基本技能之一。

4) 理解了GIS比较难以理解与掌握的概念，如图形叠加分析、缓冲区分析、路网分析、区位分析等，通过实际动手解决问题，对于这些概念印象深刻，有了实际的体会。

5) 对GIS技术产生了浓厚的兴趣。根据问卷调查，87% 的学生愿意投入精力与时间学习这门课。这门课的教学秩序正常，一改过去的迟到、旷课、课上做其他事的现象，出现了课下主动找老师请教问题的良好学习氛围。

2. 问卷题目回复

问卷题目及回复情况统计如下：

1) 针对本次课题研究，有否让你更深认识课题中所需要研究的问题(见表2)。

表2　问题1

2) 你认为课题中所讨论的问题是否切合实际(见表3)。

表3　问题2

3) 你对课题中所讨论的问题是否感兴趣(见表4)。

表4　问题3

4) 你认为对于你未来解决GIS相关的问题，是否有帮助(见表5)。

表5　问题4

5) 课题讨论是否造成你的负担(见表6)。

表6　问题5

6) 课程中有大量的GIS实际操作，你花时间练习或准备吗? 平均一周大约多久(见表7)。

表7　问题6

3. 问卷分析与具体成效

(1) 提升对GIS的学习兴趣

86%的学生认为课题与实际面对的问题十分相似，且有68%的学生表示对于课题感兴趣，但又觉得操作GIS软件有难度。随着课程长时间的练习，有1/3的学生每周练习操作达到10h以上(不含假日)，反映出所有学生均感到进度的压力，但2/3的学生认为是可以接受的。多数学生经过一段时间练习GIS操作后，对于复杂的GIS功能操作，如图形叠加分析、缓冲区分析都可以掌握，从而大幅度增加了对GIS的学习兴趣。

(2) 助教对于学习的帮助很大

大多数学生刚开始接触课题觉得很困难，且GIS软件又都是英文界面，尽管学习过，但实际操作时仍无头绪。在助教协助辅导下，实习中一些难点得以解决，增强了学生解决问题的信心。

(3) 对于GIS的操作更加熟练

制作一张专业地图需要考虑图件的规范、完整及美观。通过本课的学习，学生学到了使用GIS技术绘制专业地图的技能。此外， 对于GIS应用中较

难的路网分析，学生在一年级就曾学习过，但经本次课程学习才真正了解到实际应如何应用及具体的操作方法。

(4) 对于实际课题有更深的认识，启发后续学习的兴趣

88%的学生在课程结束后对课题的研究内容及实际意义有较深层次的理解，并学习到分组讨论问题、解决问题与报告表达的方法。

(5) 得到了面对多人进行口头表达及申辩的锻炼

当众进行报告及申辩是现代社会各行各业工作人员开展工作必备的技能之一。多数学生缺乏这种技能的锻炼，不能清楚表达思想、害羞胆怯，而这一课程为这些学生提供了口头表达锻炼及训练的机会，为学生勇敢走上社会提前作了准备。

五、结束语

地理信息系统是一门理论性与技术性都很强的工科课程，对于社会管理门类的本科大学生，接受与掌握这门技术有相当的困难。而随着信息化社会发展进程的加速，以及社会管理门类工作岗位的实际需求，这门课程及围绕GIS技术的相关课程在社会管理门类各学科中越来越彰显其重要性。教学实践表明，针对学生的特点，以实践为主，用研究与解决实际课题引导学生学习GIS技术，培养学生应用GIS技术解决问题的技能至关重要。我们针对传统教学的问题作了一些初步改革，获得了大多数学习该课程同学的正向评价。经验表明，顺应学生的认知规律，从实际出发，采取与学生互动式的教学方法，循序渐进、逐步地解决学生的认知错误，提高学生学习的自信心和学习兴趣，可以收到较好的教学效果。

参考文献：

[1]LLOYDWJ.IntegratingGISintotheUndergraduateLearningEnvironment[J].JournalofGeography，2001,100(5)：158-163.

[2]WIREKR，ROBERTSONJG.TeachingGeographicInformationSystemsforSocialWorkApplications[J].JournalofSocialWorkEducation,1998,34(1)：81-96.

[3]王韦力. 论大专技职体系GIS教育——以SuperGIS及ArcGIS为教学工具[J].地理信息系统季刊，2007，1(2)：13-18.

[4]赖进贵.地理信息系统在环境教育应用与发展[J].全球变迁通讯杂志，2003(39)：27-32.

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