“空间信息与数字技术”专业建设研究—以中国地质大学（武汉）为例

2018-01-03邵玉祥王媛妮李新川翁正平

中国地质教育 2017年4期

关键词：空间信息面向对象对象

邵玉祥，彭雷，王媛妮，李新川，翁正平

中国地质大学（武汉）计算机学院，湖北武汉 430074

“空间信息与数字技术”专业建设研究—以中国地质大学（武汉）为例

邵玉祥，彭雷，王媛妮，李新川，翁正平

中国地质大学（武汉）计算机学院，湖北武汉 430074

“空间信息与数字技术”专业教学模式、培养体系要创新，更要有特色。教学模式的创新在于专业与行业相结合，培养体系的特色体现在创建多目标培养方案。经过多年的不懈努力，中国地质大学（武汉）教学团队在“空间信息与数字技术”专业建设方面探索了许多新思路、新方法、新途径，深化了“面向对象”的教学理念，调整了专业建设思路，规范了专业培养架构，解决了课程设置中主线选取的不确定问题，及专业建设中教学内容的定位模糊问题，对专业建设与人才培养模式进行了探索与实践。

空间信息与数字技术；教学理念；面向对象；地质体对象；地质过程

“空间信息与数字技术”专业（简称，“空信专业”）的实质是“空间信息数字化”，国外本专业统称为“Geomatics”，中文译为“地球空间信息学”[1]。国内“空间信息与数字技术专业”主要分为两个方向，一个是以武汉大学为代表的，以原先测绘、地理信息为背景发展起来的，侧重点在于3S及其相关应用。一个是以西安电子科技大学为代表的，主要侧重于深空探测与微波通信、卫星定位导航技术与应用[2-3]。近年来随着“互联网+”技术的发展，全国已有近20所院校分别依托各自原有的优势专业如测绘、计算机、地质学、通信工程等开设了本专业。中国地质大学（武汉）于2010年开始试办，2014年9月教育部正式批准，目前归属于计算机学院的“计算机科学与技术”一级学科下，以地质学、地质资源勘查与工程优势学科为依托，服务于地矿工作信息化，研究理论是地质信息科学与技术，研究目标是实现地质学、资源勘查学、地质工程中的计算机应用，研究对象的物理空间是地表及地下三维地质空间[4-6]。

一、“面向对象”教学理念

中国地质大学（武汉）“空信专业”建设之初，由于对本专业的误解或者理解不透彻，总觉得是计算机课程和地质课程的简单堆砌，没有实现二者的实质性融合。其实，我校开设“空信专业”既有理论支撑又有技术支持，特色在于用计算机技术解决地质问题。为了实现计算机课程与地质课程的水乳交融，解决课程设置、教学内容知识点分解的主线问题，本专业教学团队确立了“空信专业”面向对象的教学理念，并贯穿于专业教学实践过程的始终（图1）。“空信专业”面向对象教学理念可以描述为：研究领域是地质空间，研究对象是地质实体，研究手段是计算机技术，把“地质学”和“面向对象方法学”两门课程作为专业视角，对地质空间（领域）中的地质对象（实体）进行“类、对象、面向对象”的知识点分解。面向对象教学理念是指导“空信专业”课程资源配置、教学模块拓展以及专业思维认知的主线。

从图1可知，“空信专业”面向对象教学理念的起点是“地质学”和“面向对象方法学”两门课程，这两门专业基础课程是学生形成专业思维、探索专业内涵的核心课程，是专业课程设置中的重中之重。“地质学”课程描述的是地质对象和地质过程的初级阶段，实质是为学生规划专业思维空间，目标是让学生对专业体系和内涵有清晰的轮廓，通过秭归地质实习对地质对象和地质过程有一个更深层次的认识。“面向对象方法学”课程描述的是类、对象、面向对象的思维、定义过程，目的是构建学生的专业思维模式。二者融合构成的“空信专业”面向对象教学理念，对教师而言规划的是专业教学过程的主线，对学生而言描绘的是学习专业知识的轮廓。

图1 “空信专业”面向对象教学理念及课程设置示意图

二、“空信专业”课程设置方案

“空信专业”面向对象教学理念的核心在于面向对象中的“对象”定义上。中国地质大学“空信专业”面向的是“地质体对象”，根据“面向对象方法学”的理论观点，对象就要有属性（数据）和行为（操作），所以学习地质体对象的属性（数据）就要开设矿物岩石学、构造地质学、地层学、遥感地质学、综合勘查学等课程，学习地质体对象的行为（操作）就要开设地学三维可视化与过程模拟、地学数据分析、算法分析与设计等课程。有了“地质体对象”就要面向“地质体对象”进行程序设计，进行程序设计就要开设集成平台课程（数据结构、操作系统、计算机组成原理、计算机网络等），开发工具课程（C++、VC++、JAVA、C#、Web、Oracle等），实习实践课程（综合实习、软件开发实习、毕业设计等）。面向“地质体对象”进行程序设计的目标是开发软件产品，所以需要开设系统设计课程（项目工程管理、地质信息系统、地理信息系统等）。

目前，我校“空信专业”课程设置共有六大教学模块，分别为数据（属性）模块、操作（行为）模块、集成平台模块、开发工具模块、实习实践模块、系统设计模块，如图1所示。

三、“空信专业”学生培养架构

1.框架式教学内容设计

历经6学年的专业发展，两届毕业生的培养实践，本专业教学团队完成了以“地质体对象”为起点，以地质信息系统集成为目标，以属性获取、行为定义为两翼的框架式教学体系设计。具体而言，“空信专业”所有课程教学内容是一个统一的整体，是分层递进环环相扣的，每门课程教学内容都是以地质空间为研究领域，以面向对象教学理念为视角，以课程知识点对象化为教学手段，分解每门课程中的知识点，把知识点转化为地质体对象，抽象出地质体对象中的数据结构和状态过程，实现地质体对象“类”的设计，把基于课程知识点的地质体对象中的数据结构和状态过程集成在一起，进行基于地质空间的面向地质体对象的教学内容设计[7-8]。

2.立体教学模式

经过多年的积累，基于“知识点分解+案例教学+项目教学”的三维立体教学模式已经成熟。课堂教学以“知识点”为单元，每个知识点都被划分为一个教学对象，教师上课之前首先完成课程知识点的分解，根据课时数进行知识点课堂解析以及课下导引配置。实验教学采用“案例教学法”，实现课堂知识点与课后实验的线性连接。软件开发实习、课程设计、毕业设计都采用“项目教学法”，实现课程内容全覆盖。“知识点分解+案例教学+项目教学”既是专业教学的三阶段，也是学生培养的三部曲。知识点分解对应的是课程内容的重点与难点，强化的是教师教学过程中的课前准备形式。案例教学实现的是课程知识点的链接，提高的是学生的实际动手能力。项目教学覆盖的是教学案例，培养的是学生的综合素质[9-10]。

3.多层次的分级实践教学体系

在课堂教学环节中，每个知识点都对应一个例题，在实践教学环节中，每门课程实验、课程设计都对应一个典型案例，在综合实习、软件开发实习中都对应一个小微型项目，在毕业设计中都完成一个由导师主导的企业项目模块开发。经过多年积累，“空信专业”多层次分级实践教学体系已经建设完成，而且实验教材齐全，实验成果丰富，实践教学所需的案例素材库、项目指导书都已经出版成册并投入使用。在具体的教学实践中，应该注重课堂知识点与课外实践典型案例的衔接，强调培养学生的实际动手能力。典型案例应精心设计、短小精悍。实践项目注重对典型案例的汇总与衔接，不宜过大过难，关键在于培养学生综合运用知识的能力。

4.专业知识与行业需求相结合，构建多目标培养体系

我校“空信专业”以“结合地学专业优势，培养地质科学与信息技术相交叉的复合型专业人才”为目标，目的是为地质、能源、交通、信息、通讯等行业服务。课堂教学传授的是专业知识，把握的是理论体系，项目研发解决的是行业需求，提高的是实践技能。“空信专业”的研究领域是地上下三维地质空间，研究对象是地表及地下实体，研究开发的是两大软件工程，即地理信息系统和地质信息系统。随着航空航天技术的成熟与发展，遥感技术也是本专业的重点发展方向，目前本专业基于地质空间、地理空间、遥感技术的三大核心科研方向已经成型，多目标培养体系已经建成。

四、“面向对象”教学理念主要解决的关键问题

1.解决了课程设置主线选取的不确定问题

我校“空信专业”建设有它的历史渊源，从教师组成来看，是由资源学院科研团队与计算机学院教学团队两部分教师组成，从专业知识来看，是地学专业与计算机专业的结合，从课程设置来看，是地质课程和计算机课程的融合，由此可见“空信专业”属于交叉学科。但是在具体的专业课程设置中到底应该选择哪些课程，为什么选择这些课程，缺少一条贯穿于专业课程设置的主线，造成了课程设置主线选取的不确定问题，课程设置中出现了地质课程与计算机课程的“两层皮”现象。

面向对象教学理念很好的解决了这个问题。面向对象教学理念的前提是首先要有对象，要想有对象必须先定义对象，由此出现了定义对象的数据结构“类”。从面向对象方法学角度而言，“类”是数据和操作的集合，是属性和行为的抽象化集成，是面向对象程序设计的顶层数据结构。在地质课程和计算机课程的融合过程中，贯穿面向对象教学理念这条主线而实施的“空信专业”课程设置六大教学模块如图1所示。由此可见，用面向对象教学理念来规范“空信专业”的课程设置，教学模块分类清晰，教学内容便于理解，实现了课程的精准定位，有效克服了地质课程和计算机课程的“两层皮”现象。

2.解决了课程设置中教学内容的定位模糊问题

目前“空信专业”共有六大教学模块（图1），总计约40门教学课程。专业特色体现在研究领域是地质空间，研究对象是地质实体，研究手段是计算机技术，技术实质是“空间信息数字化”。面对宏观上的课程设置以及微观上的专业特色，如何组织教学内容，如何实现地质课程和计算机课程教学内容的水乳交融，更需要“面向对象”教学理念做技术支持。“面向对象”教学理念的理论基础是面向对象方法学，研究对象是地质实体即地质体对象，在具体组织每门课程教学内容过程中，首先分解每门课程中的知识点，然后把每门课程中的知识点转化为地质体对象。例如，地质学课程中由知识点转化后的地质体对象包括：矿物、岩石、地质构造、地质过程、勘查手段等，教学内容既有地质体的属性描述，又有地质体对象的生成过程，把地质体的属性描述和生成过程集成在一起，进行基于地质空间的面向地质体对象的地质学课程教学内容设计。所以用面向对象教学理念来研究地质实体，用知识点分解法来定位教学内容，把知识点单元转化为地质体对象，针对地质体对象组织教学内容，解决了课程设置中教学内容的定位模糊问题。

五、“面向对象”教学理念的拓展应用

2015年11月，在厦门理工学院召开了“全国首届空间信息与数字技术专业建设研讨会”，并成立了“空间信息与数字技术专业建设联盟”，2016年12月在武汉大学召开了“第二届空间信息与数字技术专业建设研讨会”。对与会院校专家代表的发言以及各校专业培养方案及课程配置分析可知，相同专业不同院校的研究领域和研究对象各不相同。例如，武汉大学研究领域为地上地理空间，研究对象包括地表、地形、地物等；西安电子科技大学主要研究外层空间，重点是深空探测、卫星通信；上海海洋大学主要研究海洋，重点是海洋环境监测与评价[11-12]。中国地质大学（武汉）研究领域为地上、地下三维地质空间，重点在于实现二维、三维地质实体、地质构造、地质过程的空间信息数字化，以及地质属性的采集、管理、处理、建模、分析、编图、评价和决策的地质信息系统集成[13-14]。不同院校本专业的相同点都是引入了计算机课程，本质上都是利用计算机技术解决自身所在的行业问题，不同点在于因不同院校的优势学科和服务行业不同而要求的课程配置不一样。从表面上看是专业如何设置、课程如何配置、教学内容如何组织的问题，从本质上看还是专业教学理念问题，是课程优化配置的主线问题，是教学模块拓展以及专业定位与认知的问题。我校“空信专业”面向对象教学理念回答了为什么开设地质类课程，应该开设那些地质类课程，以及如何开设的问题。面向对象教学理念是贯穿“空信专业”体系建设的主线，是“空信专业”课程配置和教学内容组织的立足点和落脚点，对其他兄弟院校“空信专业”建设与透视具有一定的参考价值。

六、结束语

中国地质大学（武汉）“空信专业”特色在于用计算机技术解决地质问题，如果抛开地质类教学内容，那么特色也就无从谈起，但是如何组织教学内容，如何实现计算机课程与地质课程的水乳交融，是“空信专业”建设与发展急需解决的问题，用“面向对象”教学理念来研究地质对象，规划专业建设，组织教学内容，渗透行业发展，是“空信专业”建设与发展的新起点、新阶段、新思维。

[1]张明华，唐宁，邬群勇，等．“空间信息与数字技术”新办专业建设与实践[J].高等理科教育，2010(2)：42-46.

[2]吴学文，满旺，邬群勇.国内空间信息与数字技术专业培养方案的对比与分析[J].测绘通报，2013(5)：108-110，114.

[3]满旺.不同院校空间信息与数字技术专业核心课程设置的比较与探讨[J].测绘与空间地理信息，2012（8）：13-15.

[4]吴冲龙，刘刚，田宜平，等.地矿勘查信息化与地矿信息科技学科建设[J].中国地质教育，2005，14（1）：32-35.

[5]吴冲龙，毛小平，刘刚，等.论地质信息科学[J].地质科技情报，2005，24（3）：1-8.

[6]张冬梅，王媛妮.空间信息与数字技术专业复合创新型人才培养研究[J].教育教学论坛，2016(24)：157-158.

[7]范协裕，陈瀚阅，马丹.空间信息与数字技术专业实践型交叉课程建设研究[J].计算机教育，2016(11)：83-87.

[8]张帆，王孔伟.地质工程专业中基础课程设置与教学方法[J].中国地质教育，2016,25(2)：14-19.

[9]袁小华，王令群，何世钧.空间信息与数字技术专业的C++课程建设[J].计算机教育，2011(23)：42-47.

[10]杨成杰，孙大鹏.三维可视化在构造地质学教学中的应用[J]. 中国地质教育，2016，25（2）：49-51.

[11]何世钧，张书台，袁小华，等.基于海洋发展战略需求的空间信息与数字技术专业课程体系建设[J].计算机教育，2014(10)：75-77，82.

[12]满旺，邬群勇.面向海西经济区的空间信息与数字技术专业培养方案的制定[J].中国电力教育，2009(148)：33-34.