美英澳地理信息科学专业研究生数据素养课程设置特点及启示

黄秋燕，刘剑洪，邓树林

(南宁师范大学 1．北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室；2．地理科学与规划学院，广西 南宁 530001)

地理信息科学(Geographic information science，GIS)是一门处理和分析地理空间数据的科学[1]。大数据时代的来临，传感器技术、网络及计算机技术的突破，空天地一体化观测及无人机遥感、传感器联网观测及手机终端、智能卡、社交媒体应用、导航系统等广泛推广及应用，为人类提供了海量的地球表层观测大数据及人类行为大数据，地理大数据呈现爆炸性增长的态势。这些地理大数据中蕴含丰富的信息，为地理学中人地关系的研究提供了新资源、新动力和新视角[2]，促进了数据驱动地学发现的第四科研范式的兴起[2-4]。密集型地理大数据环境的形成，对GIS科研人员数据管理分析能力提出了更高要求，掌握数据素养知识、强化数据素养意识、加强数据素养能力对于理解与挖掘复杂时空地理大数据显得尤其重要。GIS科研人员需要提高数据素养，才能熟稔运用各种地理大数据，挖掘地理大数据中所蕴含知识，创新科技成果。GIS研究生是创新型人才及未来科研的主力之一，数据素养成为了GIS专业研究生职业生涯与科研发展必备的基本能力之一。课程设置是GIS研究生培养的核心，在大数据时代，如何将互联网、大数据、云计算及人工智能等新技术融入现有GIS研究生课程体系中，培养获取、分析及创新利用时空地理大数据的思维与技能素养，值得GIS教育工作者关注。

数据素养，由网络素养引伸而来[5]，是科学数据的采集、组织和管理、处理和分析、共享与协同创新利用等方面的能力以及在数据的生产、管理和发布过程中的道德与行为规范[6]，涉及数据意识、数据知识、数据能力及数据伦理与共享等要素[7]。在全球数据信息化背景下，数据素养已成为知识经济社会中的公民具备的关键能力之一。欧盟将数据素养界定为个体终身学习的八大关键能力之一[8]；从国家层面，美国[9]、欧盟成员国[10]、澳大利亚[11]、中国[12]，均已出台有关数据素养教育的纲领文件，关注数据素养教育。目前我国数据素养教育尚处于起步阶段，数据素养教育主要是以大学通识课程或普适性数据管理培训方式进行，由于不同学科领域中，知识结构及科研环境差异较大，相应地对数据知识与服务有着不同的需求[13]，因而迫切需要面向学科特点和需求的数据素养教育。部分高校虽已开始数据素养教育探索，但主要集中在教育学及图书情报与档案管理领域，少见专业领域的数据素养教育，特别是GIS专业研究生数据素养课程设置研究尚鲜见报道。

地理空间数据是地理信息科学研究的主要对象。在互联网、大数据、云计算及人工智能发展的大环境下，GIS与数据科学、计算机科学之间存在很多的共同点和交叉点，因而面向GIS专业的数据素养应以地理空间数据为出发点，以地理空间数据管理、数据分析与利用、数据评价、数据安全与使用伦理为主要内容，以解决人地关系中的实际问题为落脚点。因此，面向GIS专业的数据素养是理解地理空间数据，获取、管理、分析及评价地理空间数据，并从中获取信息解决实际问题的一种能力。美欧等发达国家已形成了比较成熟的数据素养培养环境及方法，尤其是GIS研究生数据素养教育。鉴此，本文从权威性2020QS(Quacquarelli Symonds)世界大学排名前列榜单中，选择在GIS硕士教育、数据素养教育经验丰富的美国、英国及澳大利亚共35所高校作为研究样本，运用文献收集、网络调研和比较研究法，开展GIS专业研究生数据素养生课程现状的调查，以期为我国GIS专业研究生数据素养课程设置及课程改革提供参考。

一、研究方法

本文从2020QS世界大学学科排名榜单中，从排名靠前开设地理信息科学或地理学专业的高校中，选取18所美国高校、9所英国高校及8所澳大利亚高校(表1)，作为调查对象。根据学校名单，本文逐一访问所选高校的网站“Programs”或“Academic”下的项目名录，获取所调查各院校网站下“Programs Overview or describe”下的GIS硕士专业的人才培养方案与网站“Courses”栏目下的课程表，提取课程数据,作为本研究的课程数据集。对部分缺失的资料采用文献资料法加以补充，用Python语言编程实现文本挖掘，抽取培养目标、课程内容主题词，再进行分析。

二、 美英澳GIS专业数据素养研究生课程现状调查

(一)总体情况

本文总共调查2020QS世界大学排名中的35所美英澳高校，一共54个研究生项目，收集1032门课程。图1是所调查院校数据素养的课程数在其总课程数据中的比例。

从人才培养目标层面，样本高校均开设了GIS研究生数据素养课程(图1)，样本高校GIS研究生项目培养目标的描述也出现与数据素养相关的排名前10高频词(表1)，如“data” “Science”“research”“program”“skills”“analysis”，表明美国、英国及澳大利亚的高校均已采用积极态度应对互联网+、大数据、云计算及人工智能等新技术不断发展对地理信息科学专业人才提出的新挑战与新要求。

从社会需求与现实需求层面，样本高校GIS专业研究生项目设置，体现了社会的现实需求及信息技术快速革新的节奏。调查表明(图1)，针对当前炙手可热以地理位置数据为核心的数据科学发展，已有不少样本高校将原有GIS研究生项目发展联合多个学科的GIS专业研究生新项目，旨在培养掌握地理时空大数据相关理论方法的创新型人才，以适应社会对GIS人才多样性需求。如美国马里兰大学帕克学院行为与社会科学学院在地理信息科学硕士下设置了地理空间信息科学硕士、地理空间情报2个项目；美国南加州大学空间科学学院设置了5个与地理信息科学专业相关的研究生项目，包括地理信息科学与技术硕士、地理信息科学与技术研究生证书、地球观测遥感研究生证书、空间经济和数据分析硕士、空间情报研究生证书；英国利兹大学在GIS专业下设置了基于GIS的流域动态与管理理学硕士、地理信息科学硕士、遥感数据科学理学硕士3个项目。同时，为适应信息社会快速技术革新的步伐，不少GIS专业研究生项目学习时限缩短。美国不少高校将GIS专业研究生项目从原先3-4年转变为半年、1年或1.5年、2年，缩短学习时间，提高学习时效。

从课程层面(图1)，GIS专业研究生数据素养课程数在课程总数中的比例普遍较高，平均比例为62%。在调查的美国高校中，科罗拉多大学、威斯康星大学地理信息科学数据素养课程开设的比例最高，均为75%；其次为马里兰大学、加州大学洛杉矶分校、华盛顿大学，分别为69%、64%、64%；英国莱斯特大学GIS研究生项目数据素养课程开设比例高达82%，其次为谢菲尔德大学、南安普敦大学、利兹大学、曼彻斯特大学，分别78%、78%、75%、75%；澳大利亚高校塔斯马尼亚大学的GIS专业研究生项目数据素养课程开设比例最高，达85%，其次为澳大利亚国立大学，为76%。本文利用Python编程抽取课程名称热词词频排名前10的关键词分析(表2)，分析显示GIS、information、analysis、geospatial、advanced等关键词出现频率较高。以关键词对课程内容分析，发现样本高校的GIS专业研究生数据素养课程除了传统的数据理论外，更强调大数据环境下数据能力与数据伦理的培养，特别是跨学科交流能力。如美国伊利诺伊大学香槟分校工程学院开设了“parallel programming:Science&engineering”与“Applied Parallel Programming”、17所样本高校开设了地理空间情报课程。

表1所选样本高校及专业名称/学制(F:全日制；P：非全日制)

图1 35所美英澳高校GIS硕士项目数据素养课程数据统计图表

表2 GIS项目目标及数据素养课程的词频表

GIS项目目标描述词频数据素养课程名称词频GIS项目目标描述词频数据素养课程名称词频关键词词频权重关键词词频权重关键词词频权重关键词词频权重data1560.258 gis1650.593 geography910.104 advanced740.266 science1370.183 information1280.460 skills700.094 remote sensing710.255 research1200.170 analysis1030.370 analysis650.091 research660.237 program1150.153 data880.302 management600.087 science590.212 study1060.148 Geospatial790.284 master560.084 seminar520.187

(二)课程内容设置

本文对样本高校GIS专业及其相关项目的课程数据采用累加统计法[14]，统计各样本高校GIS专业研究生数据素养总课程数及专门课程数。其中，总课程数是对各个素养类课程数统计结果；专门课程是针对地理信息科学数据素养具体要素独立开设的课程。

调查表明，样本高校GIS专业研究生数据素养教学内容规划及课程设置，侧重以地理空间数据用户行为为主线，倾向于通过地理空间大数据为基础的课题项目，开展地理空间数据的理论知识和实践能力的培养，涉及地理空间数据的数据意识、数据知识、数据思维、数据能力及数据伦理与共享5个方面(表3)。其中，数据意识是认识地理时空数据的价值及其在社会生活、生产实践、科学研究中的作用；数据知识包括地理时空数据类型及格式、数据获取及存储、备分、安全、处理与分析，涉及地理空间数据、大数据、网络基础；数据思维是对地理空间数据思考实际问题解决思路的模式，涉及计算思维与空间思维；数据能力是地理空间数据技能与数据应用，涉及并行计算、空间建模与分析；数据伦理与共享是能够正确地采集地理时空数据，或合理合法地获取、使用地理时空数据，对地理空间数据的发布与使用遵守相关社会法规与规范，地理空间数据共享与重复利用的方法。各要素及其相应的教学内容如表3所示。

表3表明，各样本高校GIS专业研究生数据素养各个要素开课情况各有特色。其中，大数据、并行计算、网络基础的开课数分别为152、103、237门，相对较少，专门课较少，特别是并行计算，需要加以重视。跨学科交流的开课数为183门，部分要素有专门课程；而计算思维及空间思维、地理空间数据、空间模拟及分析的开课数分别为636、969、723门，比较多，并有专门课程，表明数据思维及数据能力在GIS专业研究生培养中普遍得到重视。

(三)课程实施及评价

样本高校GIS专业研究生数据素养课程实施方式主要有讲授、讲座、在线课程、研讨会，一些高校以微课、项目实践、课程项目、数据交互社区、嵌入式等教学方式实施GIS专业研究生数据素养教育(表4)。其中，课堂讲授与讲座培训是被采用最多的方式，类似于大学的通识教育，重点介绍数据素养基础知识，形成数据素养基本态度、意识和能力。在线课程仅次于讲授与讲座培训，在美国高校更为普遍。这种授课方式具有不受身份、时间和地域的限制、灵活性大等优点，但存在无法兼顾学员的学习能力差异，缺乏激励性等不足。为适应大数据时代的到来，弥补在线课程的不足，一些样本高校探索了合作教学模式，即以某一高校或机构为主体，联合其他在数据素养资源或某一方面具有优势的相关机构进行数据素养课程学习，如克拉克大学地理研究生院与国际发展、社区、环境系、克拉克实验室联合实现GIS项目数据素养课程；科罗拉多大学博尔德分校地理系与计算科学系及谷歌公司联合，通过与地理时空数据挖掘的课题项目锻炼学生的实际操作能力，培养学生从地理时空大数据中提取关键信息，得出科学结论的能力。相对于传统的课堂教学方式，合作教学方式的优势在于能联合各方资源及能力互补、突破传统数据素养课程的不足，提供更高质量、高水平的GIS专业研究生数据素养教育。

表3数据素养课程分类及课程内容简介表

表4 样本高校GIS研究生数据素养课程实施模式及评价体系调查

地区课程实施方式讲授讲座在线课程系列研讨会其他评价方式美国高校√√√√微课、慕课、翻转课程、合作项目实践、数据交互社区英国高校√√√√课程项目、数据交互社区、慕课澳大利亚高校√√√√项目实践、慕课课后交流问卷调查小组讨论

数据素养课程评价是衡量课程教学效果和教师教学能力的标杆。教师通过教学评价，便于快速发现数据素养教学中存在的问题，及时调整教学目标实施路径，提升教学质量。35个样本高校中，不少高校GIS专业研究生数据素养课程均引入了相应的课程教学评价模式，评价内容涉及教学态度、教学内容、学习情况、教学效果等指标，评价方式主要有课后交流、问卷调查、小组讨论三种方式。如美国明尼苏达大学双城分校文学院的GIS专业研究生项目，在课程结束后，邀请参与数据素养课程培训的研究人员和学生通过问卷调查、小组讨论方式评估课程，收集课程反馈讯息，进一步优化数据素养课程体系。

三、 美英澳GIS专业研究生数据素养课程设置特点

(一)课程目标明确，契合社会及学科发展

数据素养课程研究显示，样本高校GIS专业研究生数据素养课程具有目标明确、契合大数据时代社会发展新需求的特点。美国通过项目研究，已提出了一组可用于指导数据素养教育目标、包含 12 项核心能力的数据信息素养核心能力体系[15]；美国各高校在设置新GIS专业研究生项目前，均是以该能力框架为基础展开需求调研和教学设计，制定课程模块内容。本次调研也发现了这一特点，如美国明尼苏达大学、南加州大学空间科学学院在开设新GIS研究生项目前，均进行需求调研，根据调查结果，开设了网络基础课程、云计算与GIS云服务器、WebGIS/CyberGIS 新技术及GNSS、LIDAR、无人机与传感器网络观测、机器学习、Python/R语言等数据素养课程。有些样本高校则跨学科与跨界合作项目，培养社会需要的GIS专业人才。如美国克拉克大学地理研究生院/国际发展、社区和环境系/克拉克实验室开设了涉及生态、社交、健康、野生生物保护管理等多个GIS专业应用方向的项目。

(二)课程内容凸显GIS专业核心能力培养

空间思维、计算思维及空间建模与分析能力是GIS专业的核心，这三大要素的课程开课数远高于其他要素的开课数据(表3)，并且有数量较多的专门课，这表明学界对地理空间数据的分析与利用能力培养的重视，也是大数据背景下社会发展的迫切要求。在数据密集型第四科研范式下，GIS专业工作者不仅需要批判性地认识和掌握数据的基本知识,更重要的是在科研实践中能够规范地处理和分析数据、利用数据,遵守数据伦理与道德,“挖掘出有价值而非常识的知识”[2]。调查表明，有15所高校开设了计算思维及空间思维的专门课程，占调研样本的42.8%，课程内容以算法及数据挖掘为主，凸显对GIS专业核心能力的训练。

(三)项目实践关注跨学科交流、数据意识及数据伦理培养

数据素养是跨学科的、交叉存在的[16]，GIS是多学科交叉融合的应用型专业，与跨学科交流具有天然的渊源。GIS专业的基本对象具有地理定位、三维形态、多维属性和复杂关系的系统特征[17]，为跨学科交流能力培养提供了多角度的切入点。调查结果表明，样本高校均重视跨学科交流类课程建设，特别是跨学科的研究方法类课程，以跨学科项目实践培养学生多角度解决问题的能力。如在35个样本高校中，有214门课程涉及数据挖掘、编程开发、并行计算、机器学习、空间分析、野外实验及GIS项目实践内容的课程，占数据素养课程总数的30%。同时，跨学科交流四个要素类课程中涉及的python/R/database/ARCGIS/RS software等技术与工具在课程描述中也多次出现，足见跨学科数据素养能力培养受关注和重视的程度。虽然样本高校中数据意识及数据伦理课程，专门课程比较少，但不少高校是高校通过跨学科项目实践，让学生认识有关地理空间数据的相关政策法规，并通过案例实践领会地理时空数据的价值，体会地理时空数据使用过程中的数据伦理与数据安全的重要性。少数专门课程，如宾夕法尼亚州立大学开设了“professionalism and ethics in raphic information science and technology”课程，英国埃克塞特大学开设了“Data Governance and Ethics”课程，也结合实际案例讲授数据隐私、数据安全、数据伦理及其他政策的策略。

(四)教学方式呈现多元化、灵活化的特点

多元化、灵化活的教学方式对于有效开展GIS数据素养教育具有重要意义。在线学习、混合学习、案例教学、项目研究、专题讨论、团队作业、嵌入式学习、远程学习与互动等灵活多样的教学方式已在多个样本高校中得到普遍应用。如南加州大学空间科学学院的GIS项目，教师采用以学生为中心的教学理念,设计翻转课堂进行教学，课堂上教师鼓励学生参与课堂活动，同时，通过小组讨论、课堂发言、协作探究、自我评价、微课等方式开展数据素养教学，呈多元化、灵活化的特点，在实践中取得了良好的效果。大数据时代，多学科融合已成为学科发展的趋势，因此，面向GIS的数据素养不能局限于课堂教学与本专业领域内。样本高校还采取了更灵活的跨学科合作项目，实现数据素养教学。科罗拉多大学博尔德分校的GIS研究生项目，采用多学科联合教学模式，也在实践中已取得良好的效果。

(五)鼓励数据素养教育相关资源的共享

面向GIS研究生的数据素养涉及计算机科学、数据科学、地理科学、遥感技术、测量学、地理信息科学等多个学科的知识及技术，同时，处理地理空间数据离不开扎实的数理基础。这对于以地理学或地理学相关学科为背景的GIS专业研究生而言，在与计算科学及GIS密切相关的知识点及新技术的理解与掌握上还是有一定的难度。因此，掌握GIS数据素养并非易事。优秀的教学案例对于激发学生学习兴趣具有重要的意义。但并非每一位高校教师均是熟悉计算科学、地理信息科学及数据科学领域的专家。因此，教学资源共享及互动交流平台构建，对于提高GIS专业数据素养教学质量十分有意义。

美国早在19世纪早期就提出了GIS联盟[18]，提倡GIS教育者分享教学经验及实践材料，以应对技术和全球问题的迅速变化对地理信息科学的冲击。伊利诺伊大学(University of Illinois)网络地理信息系统高级数字研究中心(CyberGIS Center for Advanced Digital Studies)在2014年率先为网络地理信息系统创建了专门的材料。在这个项目下，已有17位CyberGIS研究员开发了一系列免费课程的教学材料[19]。美国地理信息科学联盟正在创建新的GIS与技术的知识体系(UCGIS2017)[20]，包括新知识领域，如计算平台、编程和开发以及传统的领域，如制图学、可视化等，这为GIS专业研究生数据素养教育的课程建设提供了指导。

四、对我国GIS专业研究生数据素养教育的启示

本文采用网络调查，对2020QS世界大学排名中美国、英国及澳大利亚的35所高校的54个地理信息科学领域的研究生项目数据素养课程设置及其相应的数据素养教学实践调查分析可知，发达国家GIS专业在开展数据素养管理培训及GIS专业数据素养教育方面已形成较完善的模式，有一些较成熟的教学实践积累。国内高校在参考美英澳GIS专业研究生数据素养教育的优秀经验及实践成果时，以下几点值得我们注意：

一是开展企业、教师、学生的GIS专业数据素养需求调研，结合社会及学科发展，构建GIS专业的数据素养能力培养框架体系，建设不同层次的GIS专业数据素养课程体系。

二是探索以GIS学科背景为基础的数据素养教育实践，加强培养研究生地理时空数据管理、分析及有效利用的能力，培养GIS专业研究生空间思维及计算思维。

三是结合生活实际，设计跨领域、跨学科的GIS实践项目，培养研究生跨学科数据素养能力，重视数理基础教学模块建设，加强GIS专业研究生数据意识、数据伦理及数据思维的培养。

四是探索GIS专业研究生数据素养课程的有效教学方式，重视GIS专业研究生数据素养教学评估与反馈，探索“数据素养教学-评估反馈-优化-再教学”的生态教育链。

五是打造“双师双能”师资队伍建设[21]，加快GIS专业研究生的金课建设，鼓励GIS专业教学资源共享与交流平台的建设，丰富GIS专业研究生数据素养教育资源。