分类耦合式地理信息系统综合实验教学设计

2016-09-02刘修国张剑波王晓醉

测绘通报 2016年5期

关键词：耦合节点实验教学

张　唯，刘修国，张剑波，王晓醉

(1. 中国地质大学(武汉)信息工程学院,湖北武汉 430074； 2. 武汉大学科学技术发展研究院，湖北武汉 430070)

分类耦合式地理信息系统综合实验教学设计

张唯1，刘修国1，张剑波1，王晓醉2

(1. 中国地质大学(武汉)信息工程学院,湖北武汉 430074； 2. 武汉大学科学技术发展研究院，湖北武汉 430070)

针对现有高校课程实验教学中存在的内容零散、实验节点重叠及工程应用性弱的特点，以GIS综合实验为例，提出分类耦合式实验教学设计思想，在对课程实验节点进行分类模块化的基础上，通过设置“数据处理”“基础建模”及“模型分析”3个针对不同应用能力需求的实验环节，耦合相关课程的实验节点，采用基于项目驱动的启发式教学法，培养学生在工程应用中发现和解决问题的能力，更有助于增强学生的专业认知度，为GIS及其相关课程的实验教学改革提供有益的借鉴。

GIS；实验节点；项目驱动；启发式教学

GIS是应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取、管理和分析的一种现代工具[1]。随着计算机技术的飞速发展，GIS可以将生态、环境、地质、水利、农林、交通及经济等多个行业的信息以数字化的形式存储，通过空间分析和可视化的方式，综合诠释其在地理空间分布上的特征，进而提供不同行业的辅助决策。GIS经过多年的发展已经具备完善的理论基础，形成了明确的研究方向，也产生了众多成熟的工具软件，应用于生产生活的方方面面，是一门典型的实用型学科。2014年1月30日，国务院办公厅发布《关于促进地理信息产业发展的意见》[2]，标志着我国的GIS产业进入发展的黄金阶段。

中国地质大学(武汉)是国内较早开设GIS专业的高校之一，经过多年的专业课程建设，形成了较为成熟的理论和实践教学体系，并成功孕育了MapGIS这一国产GIS平台产品，在地质、气象及农林等众多领域占有重要的市场份额[3]。随着学科理论研究的深入和专业社会认知度的不断提升，GIS产业的从业人员激增，对GIS毕业生的要求也逐年提升。学生在学习专业理论的基础上，还需要对常用的GIS软件及相应的行业应用有一定程度的了解，才能充分适应市场的激烈竞争。因此，GIS专业的教学需要从“知识教育”逐渐向“能力培养”转变，通过加大实验教学的力度逐步提升学生的GIS应用能力。

作为培养创新型应用型人才的重要环节，实验教学在高等教育中扮演着举足轻重的角色[4]。传统的实验教学主要以巩固实验节点为教学目标，缺乏实际的应用需求，实验内容难免牵强。由于教学的最小单元为课程，不同课程间实验节点存在一定程度的交叉。为避免实验教学的重复，相同的实验节点实验往往只存在于一门课程中，但不同课程中对相同实验节点的侧重程度会有一定差异，进而会导致实验节点内容的遗漏。因此，针对不同应用能力需求，需要开设具有一定综合性的创新型实验课程，通过对课程知识结构的重组，增强实验教学的广度与深度，以培养学生综合运用地理信息理论解决实际工程问题的能力，契合市场对地理信息人才的需求。

本文以 “GIS综合实验”的实验教学为例，提出了分类耦合式实验教学设计思想，并结合洪水淹没灾害风险评估这一典型案例，探讨了其在教学内容和教学方法上的创新。

一、分类耦合式实验教学的目的

分类耦合式实验教学是针对不同的应用需求，对系列课程的实验节点进行重构，根据应用能力分成不同的类别，以实验节点作为最小实验教学单元，结合具体工程应用案例，通过对教学单元的耦合，实现连贯性综合实验内容的定制。实验节点级别的分类教学，有助于应对地理信息产业对不同类型人才的职业规划，而教学环节的自定义耦合，能够让实验贯穿多门课程，促进知识的融会贯通，进而实现不同类别人才间知识的流动。

二、分类耦合式实验教学内容

传统的实验教学以课程为依托对象，实验内容局限于课程本身，而忽略了与后续课程的延续性。分类耦合式实验教学需要同时考虑多门课程的教学内容，对其涉及的应用能力进行分级，进而设计更为合理的实验教学内容。因此，分类耦合式实验教学的内容设计分为人才职业定位、专业能力分类、实验节点划分及实验节点耦合4个步骤，通过不同类型人才能力的逐层深化，不断强化实验节点教学，实现能力等级的提升。分类耦合式实验教学设计的总体方案如图1所示。

图1　分类耦合式实验教学设计的总体方案

1. GIS人才类型

地理信息涉及社会生产生活的众多领域，根据市场对地理信息人才的应用需求，从职业规划角度大致可分为数据处理、基础建模和行业应用3类人群，其对专业应用能力的要求呈现逐层递增的趋势[5]。

数据处理型人才需要掌握基本的空间数据模型概念，能够熟练使用数据采集工具和软件，同时能够进行基本的数据处理，通过数据的制作与转换，制作出合乎行业标准的地理信息产品。基础建模型人才需要在数据处理的基础上，建立相应的GIS应用模型，除具备基本的地理信息知识外，还需要了解相关领域的专业背景及应用特点，并能够将二者进行有机结合。行业应用型人才是地理信息方向最高级别的人才，需要能够同时驾驭所有地理空间数据模型和特定专业的应用模型，并针对行业应用给出较为合理的行业解决方案。

除此之外，从对中国地质大学(武汉)信息工程学院GIS专业多年毕业生就业情况的分析发现，除上述3类专业人才外，也有部分学生从事GIS相关产业的销售等工作，对于这类人才，只需要具备基本的地理信息理论知识即可，因此本文不做专门的讨论。

2. GIS专业能力分类

GIS从建立之初就秉承理论与实践并重，理论为实践服务的原则，渗透到社会生产生活的各个角落。因此，GIS专业的人才培养应该注重理论素质与实践能力的共同提升。在实验教学方面，除了基本的理论素养外，还需要培养学生在程序开发、软件操作及科技写作方面的能力，并注重自主学习能力、团队合作能力及创新能力的同步发展。针对不同的人才类型，能力培养涉及的实验节点和培养目标也不尽相同。

程序开发能力主要涉及基础建模和应用分析类人才，尤其是基础建模类人才，由于基础建模往往缺乏必要的建模工具软件，需要针对行业应用进行模型的构建和逐步修正，因而要求参与模型构建的人员具有较高的程序设计素养，能够使用程序开发语言实现模型的构建。应用分析类人才在程序开发能力上的要求相对较低，一般到应用分析阶段，大多已有较为成熟的原型系统，可以用于模型的参数调整及分析。而行业分析阶段的程序开发能力则大多侧重于分析算法的实现和分析结果的表达。数据处理型人才一般不涉及程序开发能力的重点培养，但如果在数据处理工作中能够具备基础的程序开发能力，尤其是针对不同地理信息平台的二次开发能力，可以通过辅助工具的编写，提高数据处理的工作效率。

软件操作能力则涉及所有类型的人才，根据应用需求的不同，软件及其操作的级别也不一样。数据处理型和基础建模型人才需要掌握ArcGIS、MapGIS等大型GIS平台软件的基本操作。其中，前者侧重于矢量、栅格等通用空间数据的编辑和转换；后者则侧重其模型的参数配置及生成方法。行业分析型人才则需要掌握除GIS外在行业应用中涉及的各类专业软件及应用分析用到的各类统计分析软件等。

科技写作能力同样涉及所有类型人才，但从数据处理的角度，工作涉及的主要是报告文档的输出，因此需要重点培养这方面的能力，对于专业建模和行业应用，则涉及专业分析文档如需求分析、概要设计等，以及相关专业论文的撰写。

此外，对于自主学习能力、团队合作能力及创新能力的培养，应该覆盖所有的人才类型，通过分组实验和开放式的教学方式，启发学生通过自主学习来搜集资料和寻求问题的解决方法。同时，对于实验结果不必给出标准答案，鼓励学生通过查阅最新的资料对实验节点进行评估。

3. 实验节点划分与耦合

实验节点的划分与耦合是分类耦合式实验教学设计的重点。根据专业能力需求的不同，需要首先对GIS系列课程进行梳理，对已有的课程实验进行适度的调整，分离出多个实验节点，这些节点可以单独完成某个具体的功能，但不与工程应用相关联，再根据具体的任务需要，通过实验节点的重组，实现面向任务的实验节点耦合。

(1) 实验节点划分与耦合思路

为实现后续的耦合，在进行实验节点划分时，需要重点考虑节点的独立性，单个节点之间应尽量避免重复。以基础理论能力方面为例，根据地理信息系统的教学内容，大致可分为制图综合、空间数据模型、空间分析、空间插值、空间表达和专业分析等。其中，制图综合是地图学课程的实验内容，但涉及地形图的矢量化及属性赋值等功能是GIS空间数据模型建模的基础，而空间数据建模的方法又根据空间插值函数的不同分为不同的类别。在传统的教学中，地图学中会设计地形图矢量化的实验，实现纸质地图向电子地图的转变。在地理信息系统课程中，需要根据给定的矢量数据建立相应的空间数据模型，进而进行缓冲区分析、最短路径搜索等空间分析功能。在数字地面模型课程中，需要对矢量化后的等高线进行高程赋值，再选择合理的函数进行空间插值，构建栅格空间数据模型，进行地表特征分析，最后结合矢量数据和缓冲区分析的结果实现基于矢量栅格叠加的选址和分析。3门课程的实验内容在数据上存在明显的重叠，因此，在设计实验节点中，可以将地图矢量化、等高线属性赋值、反距离加权空间插值法、克里金空间插值法等功能抽取出来，形成独立的实验节点，然后根据实验任务的不同分别组合完成整个实验过程。

除基础理论外，其他能力的实验节点则相对独立，可以通过不同的分类等级来划分。如程序开发能力可以按照基本语法、算法设计、二次开发和数据统计4个层次来组织。其中，基本语法涉及C语言、面向对象程序设计等课程的内容，而算法设置则主要抽取数据结构和算法分析课程的实验内容。二次开发和数据统计两个层次一般没有对应的课程，需要根据应用的需要进行独立设计。如针对MapGIS的二次开发，则需要增加MapGIS基本数据结构及其环境配置的内容。针对不同的应用能力需求将科技写作能力分解为文档撰写、论文撰写和报告撰写3类，结合不同文体的特征设置相应的实验内容。

(2) 实验节点划分与耦合示例

气象灾害风险的管理与评估是GIS的重要应用领域，通过对致灾因子、承灾体及灾情期望损失等方面的分析，采用指标分析或概率统计的方式，定量描述灾害风险及其影响要素的动力学机制[6]。气象灾害的类型很多，在GIS教学中比较常见的是洪水淹没分析[7]，通过对数字地面模型的地形特征计算，结合特定时刻的水文信息，预测未来某一时段洪水的覆盖范围，辅助进行相应的灾害预案[8]。在洪水淹没分析结果的基础上结合三维可视化技术可模拟淹没的真实环境[9]，再结合特定时段的水文、气象及地理环境资料，可对洪水淹没区域进行灾害评估[10]。结合上述思路，以洪水淹没灾害风险评估案例为例，不同专业能力的实验节点划分与耦合形式如图2所示。

图2　洪水淹没灾害风险评估实验案例

针对数据处理能力的锻炼，需要耦合地图栅格化、投影变换、地图矢量化及制图综合4个节点的内容。这4个节点的内容相互独立，存在一定的层次递进，每个节点都能够生成相应的数据产品，前一个节点的输出数据可作为下一个节点的输入数据。学生连续完成4个实验节点后，即可得到特定比例尺下原始纸质地形图的电子地图。

基础建模阶段，在已得到电子地图的基础上，首先等高线属性赋值实验为已有电子地形图中的等高线进行编辑，然后结合编辑好的等高线属性信息选择克里金插值方法得到栅格地形，对地形数据进行汇流累积量计算，得到相应的水文分析模型。同时，结合点状降水数据，选择反距离加权插值法得到栅格降水模型。结合电子地图中的河流信息，选择缓冲区分析进行分析区域圈定。最后，结合汇流累积量分析、数字降水模型及缓冲区分析的结果，结合水文信息，进行面向气象行业的专业分析。

结合水流、风向等水文资料，设置洪水淹没分析实验节点，对洪水淹没变化趋势进行预测。然后结合灾情数据进行洪水淹没灾害的风险评估。考虑到工程应用中灾害风险评估的一般成果，再次耦合制图综合实验节点，将评估结果和原始地图作为原始资料制作灾害分布图。同时，分别设置实验节点撰写灾情分析报告并建立仿真环境下的灾情三维场景。

上述实验案例，通过对实验节点的重组，涵盖了数据处理、基础建模和行业应用3个方面的能力训练，并通过分析报告、分布图及三维场景的搭建，模拟了真实的工程应用生产过程，符合综合实验对学生的要求。

三、分类耦合式实验教学方法

为增强综合实验的实用性，在对实验内容进行科学规划的基础上，还需要采用基于项目驱动的开发式启发教学方法，在实验方式的设计、实验过程的辅导及实验结果的评价等方面进行改革，辅助学生应用能力的提升。

1. 项目驱动型教学

项目驱动型教学是一种基于建构主义教学理论的教学方法[11]，在工程应用型学科教学中备受推崇。项目驱动下的实验教学，不仅在形式上与实际工程应用更为接近，而且因为其数据和情节设计的真实性，比传统的实验更能引起学生的共鸣。学生通过项目驱动型教学的学习，能够增强其综合分析的能力，更快适应市场发展的需要。

以插值方法的实验节点为例，单纯的插值算法属于计算方法的范畴，是数学公式的推导与运算。插值得到的栅格模型是典型的空间数据模型，学生完成实验后，只能得到图像形式的数据，无法与实际生产相联系。采用项目驱动教学，可以将不同的插值方法与行业应用结合起来。如以“制作1∶5万数字高程模型”为目标项目，则可以在对比不同插值方法的基础上，让学生通过算法公式的比较、算法参数的配置及地形精度的评价等过程，选择合适的插值方法来建立地形。在整个实验过程中，学生不仅能够了解插值算法公式本身，而且通过对参数的配置及精度的评定，熟悉了整个地形数据制作的工作流程。

同时，在表现形式上，也可以参考某些游戏的方式，针对实验内容和难度级别，每个实验节点设置不同级别的小任务，学生完成任务后，即可获得相应的能力积分，并进入下一个级别的实验，在规定期限内，根据最终的能力积分对学生的应用能力进行评估。

2. 启发式教学

传统的实验教学，教师需要在实验指导书中给出原始数据、实验步骤及最后的实验结果，学生根据步骤依次完成后，与标准答案进行比对。地理信息产业的发展日新月异，新的应用平台层出不穷，因此，在进行实验教学时，应该摒弃传统教学中固定步骤、固定答案对学生思维的束缚，尽量估计学生在已有的任务设定下，通过分组讨论和自主学习来完成原始数据的搜集、实验方案的设计及实验结果的评估等工作。

启发式教学是目前高等教育中对学生创新思维的培养极为有效的教学方式[12]，该方法提倡以学生为本，采用多种办法，通过调动学生的主观能动意识，促使教学任务的主动推进。因此，在地理信息系统综合实验的教学中，可以充分运用启发式教学，在相同任务目标的前提下，鼓励不同小组的学生寻找不同的数据生产或应用方法。再通过汇报演讲、组间互评等方法，增强学生对不同方法的认识。同时，针对一些特殊的任务如路径分析等任务，也可以将鼓励学生将实验产品以网页或APP的形式，提供可供用户使用的平台，让用户来对实验的成果进行评判。

四、结束语

通过对中国地质大学(武汉)信息工程学院2010级至2013级共360余名学生开设“地理信息系统综合实验”的教学情况来看，该实验对学生地理信息应用能力的培养和创新性思维的养成起到了良好的促进作用。学生普遍反映通过综合实验的学习，不仅能够巩固已有的专业知识，而且学会了如何将不同课程专业知识融会贯通，用以解决实际生产问题。同时，通过启发式的教学，学生对专业的认可度也得到了大幅度提升，就业的信心也有所增强。

分类耦合式实验教学充分体现了能力本位[13]的教育理念，从学生的能力培养出发，顺应了社会对地理信息产业的人才需求。通过能力的分类和实验节点的耦合，既巩固了已有的知识点，又确保了知识在不同能力分类中的流动性，进而促进学生应用能力的螺旋式上升。

分类耦合式地理信息综合实验教学的设计与实施，具有一定的复杂性，除了需要多门专业课程教师的通力合作外，还需要具体工程应用项目的支持，根据地理信息系统应用领域的不断拓宽，及时调整和更新实验内容，才能真正实现与产业的结合，提升地理信息系统毕业生的市场竞争力。

[1]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):129-132，135.

[2]国务院办公厅.国务院办公厅关于促进地理信息产业发展的意见[EB/OL].[2015-09-04]. http:∥www.gov.cn/zwgk/2014-01/30/content_2578694.htm.

[3]中地数码.中地数码集团[EB/OL].[2015-09-04].http:∥www.mapgis.com.cn/index.php/index-show-tid-46.html

[4]李刚,万幼川. 遥感应用模型实验创新型实验教学示范[J]. 测绘科学,2015,40(2):165-168.

[5]程朋根,夏元平,聂运菊,等. 地理信息科学专业本科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.

[6]王春乙,张继权,霍治国,等. 农业气象灾害风险评估研究进展与展望[J]. 气象学报,2015(1):1-19.

[7]夏元平,许亚男,刘波. 案例教学法在GIS软件应用教学中的探索与实践[J]. 东华理工大学学报(社会科学版),2014,33(3):278-283.

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[9]韩丽蓉,张涛. 基于RS和GIS的大南川水库溃坝灾害模拟方法研究[J]. 测绘通报,2014(1):97-99，110.

[10]何宗宜,黄春雄,韩用顺. 水库下游洪水淹没灾害评估系统的研究[J]. 测绘通报,2003(2):24-27.