交通类院校中3S技术课程的教学改革探讨

2017-02-13于雪涛王希良张天伟高桂凤

大学教育 2017年1期

于雪涛+王希良+张天伟+高桂凤

[摘要]随着3S技术在交通等领域中得到推广应用并取得良好效果，在交通类院校中开设3S技术课程已成为一个重要教学改革方向。3S技术在交通中的主要应用包括交通选线、交通管理、物流运输和导航监控等。针对交通大类专业学生，3S技术课程的重点讲授内容包括：渗透地学思维和培养3S理论知识，加强上机和野外实习训练以提高动手能力，建立企业实践基地等。石家庄铁道大学交通运输学院根据近几年来的3S技术课程的授课情况，在以下五个方面进行了教学改革，包括：注重3S技术课程中的应用实例分析，注重多媒体授课方法，注重外业实习和上机实习，注重考试方法，举办校内GIS大赛或者鼓励学生参加国内知名GIS大赛。这些教学改革方案的提出对于交通类院校开设3S技术课程具有指导性的意义，同时也为有效提高交通类院校学生的动手能力和学习兴趣提供了具体实施方法。

[关键词]3S技术；交通大类专业；教学改革

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）01-0018-04

由于3S技术在交通行业的高效应用，当前国内大部分交通类院校在课程设置或实习实践中，均开设了部分的3S技术课程，但是并没有形成合理的体系。[1][2]3S技术即遥感技术（Remote Sensing：RS）、全球定位系统（Global Positioning System：GPS）和地理信息系统（Geographical InformationSystem：GIS）的统称。3S技术是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通信技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术，是现代地球科学，也是数字地球最重要、最基本的组成部分和技术支撑。[3]近几年来，3S技术已经在道路选线、车辆导航、路网优化、道路养护与信息化等交通方面得到了广泛的应用，在我国的经济建设、社会发展和人民生活中也逐渐普及与深入，各级政府部门、事业单位、企业公司等对具备3S技术的综合性人才的需求也日益增加。因此高校有必要在交通大类专业的课程设置中增加3S技术类的核心课程。武汉大学的李德仁和李清泉等讨论了3S技术在道路交通领域的应用背景及3S技术与道路交通结合的理论支撑和技术方法，并展望了3S技术在现代交通领域的发展前景，对3S技术与交通的结合方法做了大量的阐述。[4]田林和郝靖秋对3S技术在道路交通管理、交通设施管理、公路和智能交通等管理工作中的应用进行了深入的分析。[5]但是目前还没有研究者探讨在交通大类专业中如何合理设置具体的课程或指导具体的授课安排。本文首先从3S技术在交通中的应用入手，探讨交通大类专业如何开展具体的3S技术课程和其重点的讲授内容，并对教学改革方案做了详细的探讨。

一、3S技术在交通中的应用

由于3S技术具有空间及非空间数据的采集、管理、存储、查询、分析、显示和输出的全部功能，同时能够结合交通中特定的专业模型分析和输出定制的结果，因此在交通行业中具有广泛的应用，故非常有必要对3S技术在交通中的应用做一些介绍。下面笔者分别从交通选线、交通管理、物流分析、导航定位等方面介绍3S技术在交通中的应用。

（一）在交通选线中的应用

在公路或铁路的选线中，线路一般应尽量采用直线以及较大半径的曲线连接，以缩短线路的长度，节省造价及营运消耗。在纵断面上则应尽量减小坡度，以提高车速，因此在选线过程中需要大量的地形数据信息。[6]由于GIS具有先进的空间分析和数据处理功能，可以提供线路规划与设计所需要的数字地形模型（Digital Terrain Model： DTM），具有强大的三维交互地形可视化操作环境，可使设计者方便地进行线路规划设计、沿线设施位置的选定、可视化环境评估及有关问题的统计分析等工作。在地面数据的获取方面应用先进的数据采集技术（如GPS技术、RS技术和数字摄影测量技术等），通过建立路网GIS系统，并把路网GIS与路网设计CAD（Computer Aided Design）系统衔接起来，是当前国内外选线及线路勘测规划设计的重要发展方向。[7]

（二）在交通管理中的应用

GIS具有强大的制图及空间查询和分析的功能，并能有效地管理与地理位置有关的各种信息，所以利用GIS与相应的交通地图相结合，能将交通地理图及其有关数据数字化，建立规定比例的可视数字地图和相应的地理信息数据库，支持并协助交通专家做出最有利的决策。[5]利用通信技术与网络技术的有机结合，同时借助地理信息系统进行建立有效的专业模型，可以实现交通运输网络的实时监控，同时还可以利用系统对紧急情况做出及时的响应及反馈，以便相关人员做出处理。应用公路网络中有价值的信息，同时使过去与现时的交通信息相结合进行综合的分析，可对长短期交通车辆的流量数据进行较为准确的预估，以便及时制订相应的对策或做出合理的公共车辆开行方案。同时利用GPS技术和摄影测量技术，还可以对交通网络设施设备的病害情况进行有效的监控，对公路桥梁、隧道、路面路基工程等重要的交通基础设施情况进行检验，及时识别设施的病害情况，以便相关人员进行维修操作，确保交通基础设施能够安全而高效地发挥其功能。[8]

（三）在物流运输中的应用

将GPS的定位信息与互联网上的物流信息平台有机地结合起来，无疑将会为物流运输带来崭新的发展思路，两者的结合会产生较多的互补优势。采用GPS系统可实现对发货方、承运方和收货方目标进行实时监控，实现信息的透明化，这对我国的第三方物流公司尤为重要，有利于他们参与物流大市场，适合我国广大物流仓储企业的发展。[5]同时综合运用GIS系统中的网络分析、缓冲区分析、叠加分析等可实现对物流配送中的最佳配送路线实时生成、最近服务设施的查询，以及物流站场的选址及服务范围的空间分析，对于采用信息化技术推进物流行业的发展具有重要作用。

（四）在导航监控中的应用

过去用于交通管理系统的设备主要是无线电通信设备，其管理方法是由调度中心向车辆驾驶员发出调度指令，驾驶员只能根据自己的判断说出车辆所在的大概位置，调度管理和安全管理受到限制。GPS技术的出现给车辆、飞机、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时定位能力，利用GPS和GIS技术可实现车辆自主导航定位。其基本方法是汽车驾驶室表盘上装有显示器显示电子地图，通过GPS实时定位在显示器上可显示车辆当前位置、运动轨迹、最佳路径等大量交通信息。[6]同时主控室可实现对旗下所有车辆出行的实时监控，此项技术对于公务车辆、公共汽车、物流运输车辆的监控具有非常重要的作用。此外，在GPS监控的范围内，还可以根据一定时间段内所有道路的车辆通行轨迹数量，直接地反应道路的通行量，以实现对道路的养护和道路通行规则的变更等。所以综合运用GPS、GIS技术实现车辆导航定位系统的应用与开发，对于提高交通运输效率、避免交通堵塞、实现交通管理的现代化具有重要意义。

二、3S课程体系及重点内容

根据前文第2节3S技术在交通方面中的主要应用情况，同时结合院校情况和专业背景，作者提出如下三点作为交通大类专业课程的重点讲授内容。

（一）渗透地学思维和培养3S理论知识

传统地理学提倡分析与综合、归纳与演绎和类比方法等，是地学中最重要也最普遍的科学方法。现在，地学有了更强的整体性观念，更多地从地域系统的整体出发，注意从理论假设出发进行演绎，使分析与综合、归纳与演绎能够相互补充、辩证统一，并积极引进新的研究方法和手段，逐步形成了一种复杂系统科学的思维方式。[9][10]从具体研究方法来讲，现代地理学综合研究的两大方法为区域法和因素法，即以区域为基础的综合研究和以要素基础的集成研究。但无论是区域法还是因素法，都要借助系统科学的方法论和辩证思维，以探究地理综合性问题的求解途径。由于交通大类专业是交叉学科，这类研究方法和地学思维对交通大类专业学生的培养是至关重要的。要培养学生在解决交通专业问题时，首先从地学的大背景下去思考解决问题的方法。综上，拟开设的3S课程包括GPS原理与应用、遥感原理与应用、GIS原理与应用和3S技术在交通中的典型应用。

其中GPS原理与应用课程重点讲授GPS的各项相关内容，包括其发展背景、基本原理、系统构成、信号特性、接收机信号处理、信道恶化及抗干扰、性能评估、差分技术、与其他传感器的组合和网络辅助、其他卫星导航系统，以及GPS的主要应用。[11]遥感原理与应用课程重点讲授遥感的基本概念、电磁波与辐射度学基础、辐射传输基础、遥感平台与传感器系统、遥感图像的数字处理、热红外遥感和微波遥感等。[12]GIS原理与应用课程重点讲授地理信息系统的原理、组成、应用与发展；空间数据获取、数据转换与输入方法，空间数据的矢量结构、栅格结构以及DEM的数据结构，空间数据文件管理、数据库模型和空间数据库等，空间数据编辑、拓扑关系建立、几何变换与投影变换，空间数据统计与回归分析、叠加分析、缓冲区分析和网络分析等，空间数据可视化的技术与方法，结合交通应用地理信息系统的工程开发方法。[13]3S技术在交通中的典型应用课程重点讲授基于交通特征和面向对象的交通空间网络建模、道路网多尺度数据建模与交通网络时空建模等问题；以及GPS、RS和GIS在智能交通中典型应用的问题，包括在车辆导航、网络监控与智能公交系统中的集成应用等问题。[14]以上四门课程中，GPS和RS分别为GIS提供数据源，而GIS提供最基本的地学空间分析方法，3S技术在交通中的典型应用课程则培养学生综合运用以上知识，以地学的大尺度为背景，结合交通实际情况解决现实中的问题。

（二）加强上机和野外实习实验训练以提高动手能力

由于以上四门课程为技术类课程，实习安排是必不可少的。作者认为实习的重点包括：1.遥感图像处理软件操作的学习；2.GPS接收机的使用、数据的导入和处理；3.GIS软件操作的学习，尤其是其空间分析模块；4.交通GIS系统的自主设计与开发。遥感图像处理软件操作的学习包括图像的预处理（主要包括分幅裁剪、几何校正、仿射变换、正射校正、图像拼接、投影变换等），图像解译（主要包括空间增强、辐射增强、光谱增强等）和分类处理（包括监督分类和非监督分类），以上操作可选用的软件包括ENVI和ERDAS。GPS接收机的使用、数据的导入和处理学习包括如何利用GPS接收机定位、生成轨迹、测速等，以及如何利用现有软件实现对数据的导入和处理。可选用的GPS接收机如天宝品牌等。GIS软件操作学习部分包括数据的集成（主要包括数据的打开和保存，地图的漫游、全幅显示、放大和缩小等），地图数字化（主要包括地图的扫描导入、裁剪、配准、跟踪数字化等），空间数据编辑和处理（包括矢量数据中几何对象的添加删除和修改，属性列的添加与修改，属性值导入和修改等，以及栅格数据的裁剪、类型转换和重采样等操作），空间查询与分析（空间查询主要包括图查属性、属性查图和SQL查询，空间分析主要包括缓冲区分析、叠加分析、网络分析和三维分析等）和排版制图（主要包括专题图的制作，图例、图名、比例尺、指北针等地图要素的添加以及最终的出图）。可选择的GIS软件包括ArcGIS Desktop、SuperMap、MapInfo等。由于通用的GIS软件不一定具有所需的专业功能，故需要定制开发。交通GIS系统的自主开发内容主要是使学生能够熟练应用计算机编程语言和GIS二次开发组件，根据自己的想法和需要，自行设计与实现交通GIS应用系统。可选用的计算机编程语言有Visual Basic、Visual C#、Visual C++、Visual Basic.Net、Delphi、Java等，可选择的GIS开发平台有ArcGIS Engine、ArcGIS Server、SuperMap Objects、SuperMap IS. Net、MapObjects、MapX等。该阶段因为要结合较强的专业知识，同时需要较强的软件设计与开发能力，可以作为高年级学生的课外科技项目或交通GIS大赛来展开。其目的是激发学生对GIS在交通领域的集成化的高级应用的思考，培养学生的系统思维能力、创新能力。

（三）建立企业实践基地

要加强学校与企业的联系，学校可在一些专门从事交通信息系统研发的企业中成立实习基地定点单位，以便在暑期实习或者毕业实习期间，派遣对3S技术感兴趣的学生到该单位实习一段时间，让学生能够早日将所学知识快速地转化为生产力，提高学生动手能力，进而帮助学生早日找到合适的就业岗位。同时也可以聘请该企业的高级人员定期到学校授课，传授在实际工作中的项目开发与管理经验，以及一些工作中要注意的问题，帮助学生就业后早日融入企业，早日成为单位的顶梁柱。

三、教学实践探讨

笔者根据石家庄铁道大学交通运输学院近几年来的3S技术课程的学习状况，同时结合教学过程中的内容和重点，重点提出了教学实践中五个需要注意的环节。

（一）注重3S技术课程中的应用实例分析

在实例分析时重点讲解3S技术的科学性、前沿性、系统性和综合性。鉴于此，实例分析应以任课教师近年来主持或参与的科研项目为主体，其优点在于教师能够把研究中的难点和细节问题讲解得更清楚，而不是局限于理论。如在讲授GIS中网络分析的最短路径算法时，单纯地讲授理论会非常空洞和乏味，作者就独立开发了基于ArcGIS Engine的最佳路径生成系统，让学生能够亲自操作如何实现该算法及其中要修改的参数，即Cost字段，激发学生思考如何定义现实生活中的最佳路径。在进行3S技术在交通中的应用实例的讲解时，教师不仅要让学生了解和掌握该学科的发展动态，还要注重收集铁路运输、公路运输、交通工程和综合应用等不同层次、不同领域的研究成果。这不仅有利于学生了解本专业的发展趋势，还能使其掌握3S技术在本专业中的应用状况，起到触类旁通的作用。[15]

（二）注重多媒体授课方法

在课堂授课方式上，3S技术涉及的空间分析、遥感图像处理、三维显示和虚拟现实等内容决定了授课方式应是多媒体教学。在教学过程中采用多媒体教学，可以进行遥感图像的三维显示、计算机模拟、3S系统实例展示和大型软件运行等操作，能够更好地展示教学内容、活跃课堂气氛、提高学生课堂参与热情，从而有助于教学质量的提高。此外，课程设置中应有一定量的上机或外业实习，占总课时的三分之一，因此，还需要配置相关3S软件的计算机实验室。建议购买的软件包括Visual Studio、SuperMap、ArcGIS和ENVI等。

（三）注重外业实习和上机实习

外业实习的重点是让学生学会独立采用GPS接收机测量学校重要位置处的坐标及保存自己的行走路线。上机实习的重点是GPS数据的导入、遥感图像处理和GPS空间分析模块。3S技术的相互联系主要通过地图或图像数据的坐标转换，因此需要重点讲解，这也是3S技术能够集成或融合的关键环节和重要内容。其中GIS空间分析具有专业综合的特点，在编写实验指导书时，应结合特定的分析实例来激发学生思考如何采用相同的分析方法解决实际问题。如空间分析实习中的物流仓库的选址分析和物流仓库的服务区域分析时，可将相同的方法应用到大型汽车站或火车站等大型设施的选址和分析其服务范围上。

（四）注重考试方法

因为3S课程主要为技术类课程，完全采用卷面考试的形式不能很好地区分出学生构建地学思维能力、掌握课程知识点和实习操作的熟练度，因此考试的方法应多样化。对于GPS原理与应用、遥感原理与应用和GIS原理与应用这三门课程可采用卷面考试+实习成果考查的考试方法，这既能考查学生掌握知识点的程度，又能区分学生是否出现高分低能现象和是否熟悉软件的操作等。对于3S技术在交通中的典型应用课程，主要采用以北大中文核心期刊发表论文的格式要求学生撰写报告的方法来进行考核，撰写的内容包括交通实际问题的提出，以及根据学习的知识解决该问题。参考的期刊主要有《中国图象图形学报》、《测绘学报》、《地理学报》、《地理科学进展》、《地理科学》、《地理研究》、《地球信息科学学报》、《遥感学报》、《武汉大学学报（信息科学版）》等国内3S技术相关的重点知名核心期刊。报告的选题可根据学生感兴趣的方向或热点来确定，其相关内容主要包括道路选线、道路通达度分析、遥感图像处理及信息提取、重大交通设施的选址及服务区域分析、道路扩宽工程核算、交通管理系统和导航监控系统等。

（五）举办校内GIS大赛或者鼓励学生参与国内知名GIS大赛

如学校或学院有充足的经费支持，同时学校内有足够的专业开设了3S技术相关课程，可在学校范围内举办校内GIS数据处理、设计与开发大赛。学生可根据自己的意愿组成配置合理的项目小组，在指定的时间范围内完成本小组的任务。待各小组提交成果完毕后，学校可聘请知名3S技术专家或学者对结果进行评比，从而提高学生学习的兴趣和提高学校的知名度。如经费有限，可支持学生参加国内知名的GIS大赛，目前国内知名的GIS大赛包括超图公司每年举办的SuperMap杯全国高校GIS大赛、ESRI公司每年举办的Esri杯中国大学生GIS软件开发竞赛和中地数码公司每年举办的MapGIS技能大赛。以上三个赛事都比较有名，教师可鼓励学生多多参与，学习技能，积累经验。

四、结语

科技的进步和交通的发展需要更多的综合型交通科技人才，而3S技术正是当前应用面广、多种技术的高效集成的一种方法，它为实现智能交通提供了强有力的技术支持，因此高校交通大类专业的任课教师要能够熟练掌握该技术以便更好地指导学生。同时随着科技的进步，3S技术课程也是一门动态性很强的课程，因此任课教师要能够及时地更新知识。这对任课教师提出了一定的挑战，同时也为交通大类专业学生提供了更好的发展机遇和平台。本文在介绍了3S技术在交通中的应用后，针对高校交通大类专业提出了3S技术课程体系的重点内容以及教学实践的改革方法及方向，对于交通类院校3S技术课程的教学具有指导性意义。

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