地理信息系统开发实训平台设计与实现

吕建军, 龚君芳, 许 勇, 李干鹏

(中国地质大学(武汉) 信息工程学院, 湖北 武汉 430074)

地理信息系统(GIS)开发类课程是中国地质大学(武汉)地理信息科学专业重要且具有特色的专业课程,注重培养学生较好的GIS应用开发设计能力[1]。目前国内外GIS开发教学通常采用课堂教学和实践教学相结合的教学方式,其中实践教学是地理信息系统工程(geographic information engineering)教学的重要教学方式[2-3]和深化课堂教学的重要环节,是锻炼学生动手能力、理论联系实际的重要手段[4]。然而，受到学时数、实训场地和师资等方面的限制,实践教学课在培养学生利用GIS进行二次开发和设计方面还有一定的差距。因此,有必要探讨新的教学手段和方法,建立良好的实践教学环境,以便学生能在课外通过在线学习的方式进行学习、交流和实践[5],提高GIS开发教学效果。

在线学习是网络化学习技术与移动技术相结合产生的新型数字化学习形式[6]。随着社会的发展,传统教育模式已经不能满足学习者的需要。为了创新教学模式、丰富数字化学习手段,使学习者的学习不受时间、地点的限制,基于创新技术的远程教育、在线学习已成为研究的热点和主要途径[7]。

利用现代计算机技术和网络技术,基于互联网及移动端相结合的交流机制,搭建一个全时指导、快捷反应的在线GIS开发训练平台,不仅能够提供学生课余高效学习和交流的环境,发挥学生的学习积极性,实现在线实训教学的趣味性、交互性、及时性,还能够加强师生间的沟通,帮助教师及时掌握学生关于GIS的学习动态。

1 系统总体设计

本系统基于互联网络实现GIS开发设计学习以及答疑交流,加强学生GIS开发案例训练,方便师生互动交流和在线答疑,达到提升学生独立开发的能力、满足n个学生在线面向m个教师答疑交流的需求,提供一站式的答疑服务模式。

系统的建设内容包括:

(1) 建立GIS开发的题库,供学生在线复习,加强GIS基础训练；

(2) 建立多层次模块库,方便学生在线进行开发设计训练；

(3) 建立答疑、交流的工具,方便师生及时解决开发设计过程中遇到的问题。

GIS开发实训平台实行统一数据管理,对学生、教师和管理员提供应用服务。平台架构如图1所示。

图1 GIS开发实训平台总体架构图

系统由基础层、数据层、应用层和服务层组成。

(1) 基础层主要是系统运行的软硬件环境,包括数据库工具、GIS工具以及存储设备等。

(2) 数据层主要有题库、模块库、知识库以及存储部分实验数据。

(3) 应用层主要是针对实训开发所需要的电子白板、模块库管理、题库管理统计分析等。

(4) 服务层针对教师、学生提供的服务,通过统一门户进行登录和工作。

本系统创新采用一站式答疑服务机制。该机制以门户形式一站式解决GIS实训过程中的开发训练、交流答疑,还可以进行在线作业评分等,为学生提供全面、便捷、高效的一站式答疑服务,满足学生个性化开发实训需求,加强学生GIS开发训练,方便师生互动交流和在线答疑,达到提升学生独立开发的能力。

2 系统功能设计

实训平台实现一站式服务模式。学生在GIS开发实训中遇到的问题集中提交于一站式电子白板模块[8],由后台统一处理、统一反馈,提供涵盖实训全过程的支持服务,还根据学生需求提供了知识题库和作业管理的功能。实训平台主要特点包括:

(1) 电子白板:可通过在线文字、模型等形式的交互答疑；

(2) 知识题库:题录、模块库在线联系等；

(3) 统计分析:统计分析内容包括在线训练时间、学生之间互动答疑；

(4) 批改作业:在线批改作业/试卷,阅卷/评分。

2.1 功能模块构成

GIS在线开发实训平台为教师提供课程管理、作业管理、电子白板、知识库、题库、模块库及个人信息等7个模块；为学生提供作业管理、电子白板、知识库、题库、模块库、个人信息及“我的问题”等7个模块。其中重要的功能模块主要包括题库、模块库、知识库、电子白板等。功能模块如图2所示。

图2 功能模块

2.2 学生管理模块

系统的用户分为系统管理员、教师管理员和学生。任课教师统一把选课学生的名单导入本系统,生成本系统的普通用户。普通用户可以在线做题、进行开发训练,参与讨论、下载文献等。

管理员分为系统管理员和教师管理员,管理员可以进入平台后台,对内容进行增加、删除、修改、查看操作,管理员审核学生,可对学生信息进行增加、删除、修改、查看,可以进行学生权限的变更等。

2.3 电子白板模块

电子白板是在线GIS开发实训平台的重要模块,形式可以是文字描述、模块代码、结构图[8]等。对于每个学生而言,电子白板是独立和公开的。学生提出的问题总是以独立的文本存储,一个问题是一条记录。电子白板模块具体功能如图3所示。

图3 电子白板模块功能示意图

在电子白板中,学生提出的问题都是公开的,登录的学生都可以看到这个问题,也可以回复问题和解答问题。对答案正确的学生,平台给予适当奖励。在电子白板模块中,当学生发布问题后,学生、系统管理员、教师管理员都可以回答。对于每一条回答,用户对比较认同的答案可以直接点赞表示支持,并且提问者有权利对正确的答案进行采纳。

2.4 知识题库模块

知识题库模块包括有题库、模块库、知识库。

题库是GIS应用基础理论知识及练习题,包括一些社会考试模拟题。

模块库是GIS开发的案例库,有建模要求和脚本,包括GIS系统中的空间分析模块、空间数据显示模块,空间信息应用模块等。

知识库主要包括GIS课程中的知识点,以及本系统使用过程中学生提出的普遍问题的答案要点等。教师管理员或系统管理员在后台上传GIS理论知识要点,学生在电子白板中提出的问题和得到的答案也将整理到知识题库中。如果学生在电子白板中提出的问题已存在于知识题库中,系统将自动采用知识库中的答案。

知识题库模块提供GIS操作、分析、建模等不同层次的案例库,包括填空题、简述题以及答案库等题库,为学生提供相应的专业题库、答案库、分析库。案例库以Word文件、图形、txt等的形式存储。不同角色的用户可在知识题库模块中进行浏览、查看、上传、修改、删除等操作。知识题库模块具体功能如图4所示。

图4 知识题库模块功能示意图

2.5 作业模块

在作业模块中,学生可以在线做题、提交做题结果并接受考核。学生可以选择做题类型、选择做作业或者做试卷,也可以选择题库。如果学生选择做试卷并完成后,后台会自动检查、判题并给出错题分析；如选择做作业,可在线完成作业并提交。教师在作业模块中为学生布置、在线批改作业/试卷、给作业/试卷评分,分数即时记录到平时成绩中。若学生对判题结果存在疑问,则可在电子白板中即时提问,后台给出相应回复。作业模块具体功能如图5所示。

图5 作业模块功能示意图

2.6 统计分析

统计分析用于统计学生在线练习、作业的频度和练习情况,记录学生是否已浏览特定的内容,跟踪统计上线行为,从而便于教师掌握学生课外学习的进展、评判学生的学习表现,为后续教学工作的进行提供有效的参考信息。

3 系统实现

GIS在线开发实训平台采用JavaEE轻量级解决方案:采用SSM(Spring MVC+Spring+MyBatis)框架[9],利用面向对象的分析方法提出一些模型,将这些模型实现为基本的Java对象,编写基本的DAO(data access object)接口,采用MyBatis架构实现的DAO类来进行Java类与数据库之间的转换和访问,Spring MVC负责请求的转发和视图管理,最后由Spring做管理,管理Spring MVC和MyBatis,控制业务跳转[10],实现业务对象管理。

通过使用SSM框架不仅可以大幅度降低开发的难度和工作量,还可使应用系统在灵活性、适应性和稳定性方面有良好的表现[11]。

在系统开发过程中采用最新版eclipse作为集成开发环境,采用Tomcat服务器作为系统的运行平台,完成了前台客户端界面的设计和编码以及后台各种业务逻辑和数据库的操作和实现[12],保证了学习平台在不同的终端下都能在线访问。

4 结语

在线GIS开发实训平台可及时提供一站式咨询、答疑和指导服务,增强GIS开发的趣味性、交互性、及时性,营造学生自主学习的氛围。学生可以随时随地、灵活方便地通过个人的手机或电脑登录在线GIS开发实训平台,有针对性地运用平台GIS知识题库完成GIS模型设计分析和开发编码训练,深化在GIS教学课堂中学到的知识。在学习过程中,一旦遇到问题,可在线提出并得到后台一站式答疑机制的及时响应。

学生也是地理信息系统开发实训平台知识库的建设参与者。平台鼓励学生互相之间答疑交流，对于学生提出好的问题和好的答案给予奖励,提高了学生参加GIS软件开发训练的积极性。

通过在线GIS开发实训平台,教师能够及时与学生进行交流并有针对性地指导,帮助学生解决在GIS开发训练过程中遇到的困难和问题。教师可以将典型的练习题上传至知识题库,帮助学生加深知识点的理解；可以及时总结和发现学生在课余作业、练习过程中的共性问题,改进已有的教学环节,创新教学模式,提高教学效率,更好地辅助教学。

参考文献(References)

[1] 柳锦宝,王增武,喻亮,等.“案例—任务驱动”教学模式在GIS开发类课程中的应用探讨[J].教育教学论坛,2017(5):140-141.

[2] 杨树文,闫浩文,孙建国.地理信息系统专业教学实践与改革探索[J].测绘科学.2011,36(1):226-228.

[3] 郑贵洲,赵雷.地理信息系统(GIS)专业实践教学系统构建[J].测绘科学,2010,35(5):250-253.

[4] 黄解军,袁艳斌,张晓盼,等.面向地理信息系统(GIS)专业创新型人才培养的教学改革与探索[J].大学教育,2013(11):93-94.

[5] 李少英,陈健飞,林媚珍,等.“GIS空间分析原理与方法”课程教学改革探索[J].科教文汇(下旬刊),2016(1):60-61,64.

[6] 段焕娥,韩惠,李雪梅.信息环境下的GIS专业自然地理学教改实践[J]测绘工程,2016(1):77-80.

[7] naaoveGIS.以项目谈WebGIS中Web制图的设计和实现[EB/OL].[2017-12-18].http://www.gissky.net/Article/3596.htm.

[8] 吕立立.交互式电子白板在课堂教学中的有效应用[EB/OL].(2015-11-18)[2017-12-18].https://wenku.baidu.com/view/d1d2e2e1336c1eb91b375d41.html.

[9] 徐雯,高建华.基于Spring MVC及MyBatis的Web应用框架研究[J].微型电脑应用,2012,28(7):1-4.

[10] 张宇,王映辉,张翔南.基于Spring的MVC框架设计与实现[J].计算机工程,2010,36(4):59-62.

[11] 姚敏,王方石.基于MVC模式和SSH框架的高校科研管理系统设计与实现[J].电脑知识与技术,2014,10(11):2485-2487.

[12] 陈巧婷.基于Java Web的网上培训报名系统的设计与实现[D].长春:吉林大学,2015.