以开发竞赛为依托的《GIS二次开发》课程教学改革

2018-06-19聂运菊程朋根夏元平林淇昕

东华理工大学学报(社会科学版) 2018年1期

聂运菊，程朋根，夏元平，林淇昕，郑坤

(东华理工大学测绘工程学院，江西南昌 330013)

进入21世纪以来，随着计算机技术和网络技术的发展，地理信息系统(Geographic Information System, GIS)愈发影响着人类的衣食住行，其强大的空间分析与信息挖掘能力为各行各业的决策分析提供了有力的支持。据“中国教育和科研计算机网”统计得知，2012年中国大陆共有158所高校招收GIS专业本科生，84所机构招收地图学与GIS专业硕士研究生，38个机构招收地图制图学与地理信息工程专业硕士研究生[1]，每年向社会输送大批专业人才。作为一门具有广泛而深入应用背景的新兴交叉学科，GIS在国土资源管理、生态监测、宏观决策、灾害预警与防灾减灾、公共卫生、数字林业、精准农业等多方面发挥着越来越重要的作用[2]。

然而，随着经济与科技的发展，社会对GIS人员的需求已经从早期的“GIS软件操作者”转变成“GIS二次开发者”，极少部分需求“GIS一次开发者”。与这种需求背道而驰的是当今许多高校的GIS教育依然墨守成规，裹足不前，培养方案与社会需求脱节，从而加剧了应届毕业生的就业压力和GIS行业的供需冲突。与此同时，GIS二次开发大赛却在各大高校举办得如火如荼。学生参赛兴致盎然，讨论气氛热烈，二次开发成果颇丰，视角独特，题材新颖，作品水准已大体能满足就业需求。二次开发大赛与高校的GIS教育形成巨大反差，值得我们深思。因此，本文依托GIS开发大赛就《GIS二次开发》课程的教学改革进行讨论与研究。

1 《GIS二次开发》课程的特点与改革目标

1.1 《GIS二次开发》课程的特点

GIS二次开发是在现有的GIS软件提供的软件开发包基础上进行GIS功能的进一步研发，根据内容可分为两大基本类型：一是应用型地理信息系统，以某一专业、领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统；二是工具型地理信息系统，也就是 GIS 工具软件包，如 ARC/INFO 等，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等 GIS 基本功能。因此，《GIS二次开发》课程的目的主要在于锻炼学生对GIS软件、程序设计语言、地学知识、数据库与数据结构等前期课程的综合应用。其教学成果的优劣也关系着学生二次开发能力，从而直接影响学生的就业情况。该课程主要有以下特点。

(1)理论性。《GIS二次开发》课程需要较强的理论知识，是一门有关软件开发的课，而在软件开发过程中需要开发者对系统架构、界面设计、数据模型设计、数据库设计、模型设计、系统功能模块开发等都有一定的了解和掌握，在开这门课之前，既要给学生开设《地理信息系统原理》《空间分析》等专业课，又要开设《关系数据库》《空间数据库》《数据结构》《地理建模》以及《程序设计》等计算机相关的课程，还因实际应用领域的不同，涉及农学、地质学、经济学、环境学等诸多学科，这些对学生的综合素质有了更高的要求。

(2)实践性。《GIS二次开发》课程需要大量的实践。在学习对编程语言时，学生只是对其有大致的了解，并编写一些与专业无关的简单程序。而在《GIS二次开发》中，则需要编写专业相关的中型、大型程序。同样，在学习《空间分析》等GIS专业课程中，学生所练习的也只是书本上的 “死题”，而在实践中，学生则需面对更贴近实际的“活题”。因此，该课程对学生的编程能力要求也更高，对学生的专业知识应用提出了挑战，要求学生动手实践，通过实践检验是否真正掌握以及灵活应用二次开发的相关技能。

(3)综合性。GIS是一门新兴的交叉学科，测绘学和地理学是GIS的理论依托，地图和遥感影像是GIS的主要数据源，计算机科学为GIS建立提供技术手段。开发GIS用的基本技术是信息技术，包括数据结构、数据库技术、可视化技术、空间分析技术及网络技术以及具体应用方向如林业、农业、生态、环境、社会等相关专业知识[3]。

而《GIS二次开发》是对学生所学理论与技能的综合和技能与实际应用的综合。该课程的目的是教会学生利用所学语言编写GIS程序，解决特殊地理问题。例如，开发一个河流健康性评价系统，要用测绘的标准采集整理数据，用遥感和图像处理知识处理分析遥感影像数据，用数学知识研究模型求相关因素权重，用GIS进行整体数据存储处理分析后再利用计算机技术进行编程开发，除此还要了解水文生态相关的知识等。

1.2 《GIS二次开发》课程的改革目标与思路

显然，《GIS二次开发》课程是难度较大的一门学科，要想有所收获不仅需要学生自身扎实的计算机学与地学基本功，教师科学有效合理的教学方法同样不可或缺。许多高校现行的GIS教学大纲已经多年未变，过时的课程设计与教学目标被时代越抛越远却依旧大行其道，致使学生毕业后面对汹涌的新技术冲击不知所措。因此，针对这些问题，改革目标与思路主要有以下三方面。

(1)学习新技术，接纳新视点。计算机技术理论的加速发展带动着整个GIS产业的变化。GIS学科的一个突出特点是内容更新快，技术发展快[4]，一些教师因为种种原因依然沿用几乎10年前的老讲义，所讲授的软件难以在最新的计算机系统中完美运行。这种明显与时代脱节的教育方法所教育出的学生也必然是与社会需求脱节的。由此，GIS课程需更加贴近最新的时事热点与理论，同时在教学中加大新技术、新概念的引用。

(2)转变模式，“真实实践”。以往的《GIS二次开发》课程，基本沿用教师选题，学生统一模仿的模式。这就造成学生间缺乏竞争，学生缺乏兴趣，思维难以发散等缺点，也不可避免产生代码相互抄袭，作品同质化严重等弊端。这种“虚假实践”只是学生记忆代码、输入代码、拷贝代码的机械过程，无助于编程思维与地理思维的形成。因此，教师可以设置开放性选题，调动学生兴趣，开拓视野，让学生在“真实实践”中得到提高。该课程的教学由“教师牵引学生”模式向“教师助推学生”模式转变。

(3)促进专业理解，为就业市场提供人才。伴随着地理信息产业的快速发展，对 GIS 专业人才需求越来越高，大多数用人单位要求应聘人员熟悉 COM 技术以及有二次开发经验。以参赛任务型主导的课程教学和考试模式可明显提高 GIS 专业毕业生的二次开发能力和团队协作能力，使学生进入 GIS 企业后能够运用所学知识快速融入企业，是培养学生满足产业型社会发展需求的重要保障。

1.3 GIS开发竞赛的特点及分析

随着地理信息产业的蒸蒸日上，各大GIS软件厂商也纷纷举办了基于其自身产品的GIS大赛。这些大赛都得到了中国地理学会、中国地理信息系统协会、国家地理信息系统工程技术研究中心、中国测绘地理信息学会、地理信息系统产业技术创新战略联盟等相关机构组织的大力支持。参与人数连创新高，也越发受到社会的关注并得到就业市场的认可。

较有影响力的GIS大赛有中国地理学会与北京超图软件股份有限公司联合举办的“SuperMap杯全国高校GIS大赛”[5]；有ESRI中国(北京)有限公司发起的“ESRI杯中国大学生GIS软件开发大赛”[6]；有中国测绘地理信息学会、工业和信息化部人才交流中心、地理信息系统产业技术创新战略联盟、国家地理信息系统工程技术研究中心共同主办的全国高校GIS技能大赛[7]；有国家基础地理信息中心、中国测绘地理信息学会、中国地理信息产业协会、中国卫星导航定位协会共同主办的“天地图”应用开发大赛[8]等。

以上GIS大赛几乎涵盖了国内主要的地理信息软件提供商所提供的GIS软件，大赛题材设置宽泛，技术使用上也不做太大限制，但无不要求学生对GIS软件的熟练掌握及对空间分析理论的灵活应用。

分析获奖作品可以看出，其题材涉及诸多领域，使用的技术手段与实现方法也各不相同，但大都契合热门话题与最新技术。许多新技术与新课题已经超出了书本的范围。学生通过实践，了解并使用新方法新技术，也有利于学生查阅文献、交流总结、分析建模等能力的增强。

同时，由于GIS大赛皆由国内主要地理信息软件提供商赞助参与，因此参与其中也有利于学生对职业生涯做出提前规划。以ESRI杯开发竞赛为例，作为全球最大的GIS技术提供商ESRI举办的大赛，备受业内商业企业关注。该项竞赛的获奖证书无疑将成为学生就业的“通行证”，使其拥有更多更好的就业机会[9]。但在各种开发比赛的过程中，学生二次开发能力不强，创新应用水平不高等缺点暴露无遗。因此，进行《GIS二次开发》课程改革是非常有必要的。

2 依托开发竞赛的《GIS二次开发》课程教学改革

2.1 及早开始GIS软件的应用学习

大一学生缺乏软硬件资源(学校机房只有在上课时才允许使用，又不允许自带电脑)，不能及时调动其学习及参赛积极性，他们会逐渐降低学习的紧迫感，学习的态度也会越来越不端正，由此形成恶性循环。虽然学习GIS应用软件的使用不同于学习《GIS二次开发》，无需繁杂的编程语言做铺垫，但其对学生理解空间分析能力好处诸多。同时可使学生紧跟课程进度，增强了初始阶段操作GIS相关应用的能力，给予学生充足时间学习程序设计的相关内容；如果学生学习初期就能有所收获，这也有助于调动他们积极性；同时，及早地了解学习GIS课程，也可使学生跟上GIS内容更新和技术发展的进度。在ESRI开发竞赛的获奖作品中，有一部分作品并不涉及复杂的二次开发，而是在GIS软件的应用上下足功夫，也取得了不错的成绩。因此，在大一学年学完基础计算机知识后，便可开设ArcGIS软件的学习课程，从投影变换、缓冲区分析、矢量栅格转换等基本功能学起，为日后进行二次开发做铺垫，也可巩固所学的基础地学知识。这样一来，学生便有更多的机会参加GIS竞赛，提升自我。

2.2 组织学生参加GIS竞赛，提高学生的主动性

被动式教育使学生渐渐懒于动脑疏于思考，总想着应付考试，看到编程便产生恐惧心理，这些都影响着课程的教学效果。在教学过程中要体现课程的重要性，多用视频展示介绍GIS二次开发的应用，并举有趣的符合学生生活特点的实例[10]，以提高学生自主学习的兴趣。兴趣是最好的老师，产生了兴趣就会更加有效地学习GIS，为GIS 的发展作出贡献，这样不仅能增加 GIS 的人气，还能推动 GIS的发展，间接地便利了人们的生活与工作，从而为人类作贡献[11]。

利用“以赛代学”的方法提高学生学习GIS软件的效率，激发学生兴致与斗志，充分发挥学生主观能动性，变“要我学”为“我要学”，从“望洋兴叹”到“敢想敢干”。在大二年级学习高级编程语言(如c#，java等面向对象语言)的同时，便可组织学生组队参赛。而组织大三年级学生参赛时，一方面拥有了前一次经验，对大赛流程轻车熟路，同时相比大二年级学生在技术与思维方面又上了一个新的台阶，可以使作品质量更优秀，获奖概率更大。这种方法能充分调动不同年级的GIS专业学生学习的积极性，同时扩大学科专业综合影响力，从而有效提升学生的动手实践能力[12]。

2.3 提升学生参赛水平

国内一些知名GIS公司和相关的协会、部门联合举办的GIS开发大赛，主要面向在校学生，比赛门槛较低、获奖机会大，容易激发学生参与的兴趣[13]。可以邀请举办赛事的单位举行关于比赛的宣讲会，让学生了解比赛内容，了解自己能力水平的欠缺之处，有针对性地加强学习。二次开发组比赛一般题目不限，使用举办方提供的软件平台，结合相关行业应用，设计开发一个GIS行业应用系统，最终提供可演示并能运行的软件应用程序以及相关的设计、说明文档和开发的源代码[1]。针对这一过程，我们实施本科生导师制教学，点对点，范围缩小，老师责任心加大，学生目标性强，督促教师尤其是青年教师提高实践能力、科研水平。

同时，组织大赛参赛队伍定期交流，分享GIS知识、对竞赛的了解以及各自的竞赛进度。这样可以开拓学生的视野，维持学生的学习积极性，相互激励，又可取长补短。

2.4 提高学生动手实践能力和创新意识

应试教育下的学生自身动手能力不强，理论多于实践，这是本科教育中存在的一大弊端，而《GIS二次开发》课程以上机实践为主，所以要加强课程的实践性，增加实践课学时以提高学生实践能力，注意启发，使学生积极思考，培养创新意识。通过以“学生为本，应用为先”的“学中做，做中学”培养模式，较好激发学生的专业兴趣，促使学生掌握专业技能，增强就业实力[14]。

同时，GIS是横跨多个领域的学科，可以与地质、矿产、农业、城市规划、区域经济等专业联合。组织学生与跨学院、跨专业的同学进行联合开发，这样不仅可以提高学生的开发能力，也增强了自身的沟通交流能力，培养了团队协作意识与创新能力，从低年级开始培养、锻炼学生创新能力，借助大学GIS实验课程构建专业的创新创业平台，还可选择其中的优秀作品直接参加竞赛，进一步激发学生兴趣。

2.5 改变传统的考核方式

传统的试卷考试明显不适用于该课程的考核。为了达到面向 GIS 应用教学的目的，需要将学习过程的考查与最终考试相结合。一般来说，仅仅依靠课堂上的教学是远远不够的，这就需要在课程结束之后安排专门的一段时间进行课程实践或实习以巩固学习。一味的以理论为主体会使学生本就不高的积极性持续降低，通过理论和实践锻炼，进行一系列实施步骤(图1)，加深对课程的学习和理解，强化学生对编程的掌握。将课时设置为80%上机+20%纯理论讲授，多增加上机实验机会，让学生在实践中渐渐领悟理论知识，同时针对实践中遇到问题进行讲解比纯理论讲授更加生动、更有吸引力，而且实践的成功带来的成就感会更大地激发学生的学习兴趣。上机任务主要是根据每节课的理论讲授内容，布置相应的内容让学生上机编码实践，同时由于学生个体差异，在布置任务时应该“粗细结合”，既要有比较详细具体的实践内容，也要有相对笼统概括的实践内容。这样既能保证学生完成必要的、规定的作业任务，又为学有余力的同学提供了进一步探索的空间，不限制他们自由探索的方向。通过近几年的教学实践，逐渐发现学生们在完成比较“笼统概括”性的任务时，总有一些学生的作业能够让人眼前一亮，超出了老师们的预期。

图1 课程改革流程图

在理论方面采取课堂理论讲授，邀请公司相关开发人员举办讲座等。引导学生学会自己查找文献资料，总结归纳，提取需要的信息，整理文档，以及使用软件中自带的帮助文档解决遇到的问题。根据组员个人能力进行分工，使其组内和谐，从而达到培养团结协作的精神。

在实践方面，以参赛形式将学生分为四人一组，以此为单位进行学习。在前期试验过程中，互相答疑，积极讨论案例中的不足及自己的改进想法，总结分享给全体同学；中期以完整比赛作品为主体，还原竞赛各阶段的任务，详细讲述每一过程中的工作，需掌握的知识以及方法等，整套流程下来，让学生模仿完成，形成作品，进行答辩，然后组间互评以及教师点评；最后，让学生组内讨论，结合当下行业应用热点，以参赛为目标进行自主选题自主开发，定期组织汇报进度和答疑，争取让每组都有自己的作品成果。

《GIS二次开发》课程，归根结底学习的是GIS技术与计算机技术的有机结合，因此不应是单纯对计算机技术或者GIS技术的考核。其成果检验应该基于《GIS二次开发》成果的运行效率、空间应用程度、交互界面的友善程度等方面综合考虑，而非现今诸多高校采取的以纸质试卷考察编程细节的形式。这种舍本求末的考核方法不光无助于考察学生真实的GIS二次开发水平，也大大影响了学生的学习积极性与创作积极性。因此，考试成绩可参考GIS大赛所获得的成果，根据获奖名次对相应学生进行加分处理，亦可直接以参加GIS大赛作为考试形式。

3 依托开发竞赛的《GIS二次开发》课程教学改革存在的优势与风险

3.1 依托开发竞赛的《GIS二次开发》课程改革内在优势

(1)探索了实践技能的培养模式。科学合理地设置教学内容，采取多样化的教学方式，鼓励参加 GIS 开发比赛，以及强调自主思考、动手实践等培养模式，能为实践技能培养类课程的教学质量和考核体系优化做出有益的探索。

(2)有益于讲授课程的教学效果。情景式教学也能督促教师加强自身的学习，从而有效提升任课教师的专业素质和教学水平，对于教学双方无疑是一个双赢的选择。学生在自主思考中迸发出的思想火花也可以启发任课教师或指导教师，从而为教师从事科研项目提供别样的思路或为科学问题的解决独辟蹊径。

(3)提高了毕业论文的质量。《GIS 二次开发》课程设置在大学三年级，而四年级就要面临毕业论文，可以利用学生本科阶段最后一次完整实践 GIS 应用项目开发的机会，积极引导学生在本课程的参赛题目基础上扩展延伸为毕业论文的内容。

(4)增加了毕业生从事研发岗位的比率。通过学生参与 GIS 项目开发与管理，使学生对 GIS 工程项目建设有一个相对真实的体验, 从而提升其专业技能、协作精神、沟通能力和综合素质，满足就业市场对 GIS 毕业生的高层次研发人才的需求。

(5)提升了 GIS 学科的业内知名度。一些知名的 GIS 软件公司，如 ESRI(ArcGIS)、超图软件(SuperMap)、中地数码(MapGIS)等公司都在举办 GIS 二次开发大赛，已经引起地理信息业界的广泛关注，学校学生在这些大赛中多次获奖，将为学科品牌的树立增添一笔无形资产。

3.2 依托开发竞赛的《GIS二次开发》课程改革存在的风险

(1)由于参赛项目完成度不够导致的成绩不合格。其一，任课老师需要在征得全体学生同意的前提下进行相关课程及考试改革。在课程伊始，任课老师就需要明晰相关考试的章程与具体内容，使学生在充分了解课程考查目标的前提下进行本门学科的学习。车尔尼雷夫斯基曾说过：没有目标，哪来的劲头？学生在明确自己的学习目标后，就会更加努力地提高实践动手能力；其二，目前大多数的学生都有编程能力尤其是组件式编程技术较弱的现象，基于此，任课老师在课堂中加强理论指导的同时，不能忽视对学生实践技能的培养。建议老师引导学生利用课余或者寒暑假时间进行相关开发技能的训练，以提高学生的编程水平。

(2)小组内存在个别学生不劳而获的现象。虽然大部分同学都会积极地完成自己的任务并较好地展示出来，但是不免有一些同学在组内消极怠工、坐享其成。鉴于此现象，要求任课老师在学生成果答辩展示时，对组内成员进行项目相关内容的提问，以起到明晰组内分工以及个人贡献的目的，从而可以对每位同学公平公正地评分。

总而言之，需要任课老师及时地对症下药来解决问题，帮助学生更快上手，真正提高学生的《GIS二次开发》能力与水平。

4 结语

《GIS二次开发》课程是GIS专业的一门核心课程，其理论性、实践性和综合性不言而喻。然而课程设计本身的诸多局限却使学生在这些方面难以达到要求，进而与许多优秀岗位失之交臂。而GIS开发竞赛则是考察GIS理论性、实践性、综合性的完美体现。因此，依托开发竞赛的《GIS二次开发》课程教学改革无疑是GIS课程改革的一个重要方向，也为GIS专业如何提高教学效率提供了新思路。

以GIS开发大赛为纽带，结合实际应用形式的需要，对该课程内容形式进行改革，提高教学质量，扩充学生知识面，提升其开发能力，增强创新意识，使其更加满足社会发展对地理信息人才的能力的要求，同时通过参加比赛，在增长见识方面得到锻炼，一举多得。当然，此改革方法执行需要任课教师具备相应的能力，而且整个过程需要课时较多，对学校软硬件设施都有较高的要求。对于教学模式和改革方案还需进一步地研究、实践，不断加强完善。

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[7] 中地数码集团.2015全国高校GIS技能大赛[EB/OL].(2015-03-17)[2015-05-02].http://contest.gisera.com.

[8] 天地图有限公司.天地图应用开发大赛(2015)[EB/OL].(2015-04-02)[2015-05-02].http://apitest.tianditu.com.

[9] ESRI 中国信息技术有限公司.2015ESRI杯中国大学生GIS软件开发竞赛概况[EB/OL].(2015-03-17)[2015-05-02]. http://contest.esrichina.com.cn/html/jingsaijieshao/gaikuang.

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[11] 聂运菊,程朋根,蒲晓晨,等.浅谈 GIS 专业本科人才培养问题[J].测绘通报，2014(4):129-131.

[12] 杨斌.从GIS专业大赛看高校梯级选拔培养模式的构建[J].西南科技大学高教研究,2014(4):71-74.