探究R语言在高师院校课程中的教学实践研究——以地理科学专业《计量地理学》为例

（安庆师范大学资源环境学院 安徽 安庆 246011）

数据的爆炸式增长、广泛可用和巨大数量使我们处于真正的数据时代。“地理数据挖掘与知识发现”使大数据成为地理学试验场，为地理学发展带来了巨大冲击[1]。新时代对地理学家提出更高要求，需熟练表达、解释、分析和交流定量数据，熟悉一系列统计技术，包括描述性统计、推理测验和相关回归等，同时注重空间统计、依赖问题、差异和规模效应[2]。

一、基于R 语言实施计量地理学教学的必要性

2014年的地理科学人培方案修订了培养学生分析问题、运用计算机能力的计量地理学课程。新课标下，大数据已渗透到中学地理教学，将大数据与教学过程融合已成一种必然趋势。比如如何挖掘中学地理试题反哺教学，对中学教师是一种考验；利用大数据技术进行学情分析也是一个全新领域。在新课标深化实施和大数据快速发展大背景下，中学教师在强化自身专业知识的同时，借助大数据支撑教学评价，既有利于提升中学生地理思维能力，又有利于中学教师设计地理教学过程[3]。而对于培养中学地理教师的师范院校来说，如何培养学生掌握地理数据挖掘的能力具有较大研究意义。

2018年9 月，教育部《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》明确提出，高校要认真全面梳理每门课程的教学内容，合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量。计量地理学是关于使用数据，以新颖和具有挑战性方式加强我们对世界以地理思维理解。地理专业学生在使用数据和数据处理工具时能够“动手”，不仅是为提高其社会就业能力和研究技能，而且因为对定量数据的使用和批判性评估是地理辩论和研究的核心——这是地理学家所做工作的重要组成部分。

《计量地理学》是一门应用性很强的课程，课程目标中要求学生掌握ArcGIS、MATLAB、Excel、SPSS等商业软件[4]。学生在一学期要掌握多门“黑箱式”软件，不仅任务繁重，而且很多公式、定理没有亲自敲代码，无法深入学习，从而失去学习兴趣。再加上课时少，造成教师上课难，学生难以全面掌握的两难局面。2020年6月美国将我国一些高校列入“实体”名单后，MATLAB商业软件被禁用，这意味着使用商业软件面临法律和道德风险。而开源语言不会受到这样的限制。自由软件运动之父Richard Matthew Stallman曾呼吁学校只应使用自由软件[5]。此外，我校地理科学专业包括文理科学生，大部分学生来自农村。他们知识结构差异较大，尤其是数学和计算机基础。最终，这些因素导致学生对此课望而生畏，教师对此课无可奈何。

值此，R语言作为开源语言之一，是一门生态丰富，集统计、可视化于一身的优秀语言，已成为数据分析工程师及科学家最常用工具。丰富的程辑包能够处理各种软件可以处理的问题。因此，学会了R语言，就可以应用其一致的语言风格完成计量地理学中各种统计分析任务，无须对每一种软件进行教学与实践。但是，据统计和多方了解，当前融合R语言和计量地理学进行教学还比较少。

如何利用R语言实施计量地理学教学，促使教学方式和教学方法等发生根本性转变，服务地理科学专业本科教育的建设目标。最终，通过对计量地理学的教学探讨，引起地理学者关注计量地理学在地理科学本科体系中存在的教与学的问题，共同努力开发适合培养地理科学师范生运用地理学思维进行实践的能力。

二、教学实践改革方向

关于《计量地理学》的教学模式或方法的改革与探讨，已有众多研究者进行了研究[6-9]，如分段式教学模式的探讨[10]。根据教学经验，本文总结教学实践改革方向如下：

（一）教学手段和方法的实践化

1.培养编程习惯

以培养学生的实践动手能力为重点，依托R语言这门开源语言生态系统，引导学生利用编程来解决实际的地理问题。

2.开展智慧教学

充分利用QQ、微信等智能交互软件，探索深度融合信息技术教学方法，对学生的问题进行实时答疑，实现“网络助教”。采用多时间段开放辅以教师指导和全开放学生自主学习为主等多种方式相结合；同时开发U-MOOCs课程以及精品线下开放课程，促进学生学习的积极性和主动性。

3.学生自主学习

以教师为主导，抛出一个数据，学生分组讨论，提出解决思路，并进行报告制作和汇报工作，充分体现以学生为主体的理念，有利于学生语言表达能力和即学即用能力的提高。

（二）教学内容的多样化

1.理论基础知识

在理论讲解过程中，探索“理论+X”的教学模式。计量地理学中大量的数学知识，如何进行浅显易懂地传输给学生是对教师的考验。因此，在进行理论基础知识教学时，尽量避免大量的数学证明，以图文并茂等形式，或提供详细证明该数学公式的参考文献或网络资源，适应不同层次的学生学习。同时，适当扩展补充相关学科如物理、计算机等知识。

2.实践基础知识

在明确人才培养目标的基础上灵活选择教学内容，结合最新的研究成果，选择学生关注的问题，从如何收集数据、清洗数据、分析数据、可视化数据等知识点进行讲解。同时关注世界范围内的热点问题：如全球变暖、厄尔尼诺与全球气温和降水的关系、历史时期气候数据挖掘等。通过这些进行案例教学，针对学生的实际需求，丰富教学内容，激发学生的学习兴趣。

（三）教学理念的先进化

形成生活性、发展性和生命性先进理念，回归生活（使课堂充满生活气息）、关注学生的发展（课堂教学以学生的发展为本），把教学提升到生命层次（对学生的终极关怀）。在这样的教学理念指导下，教师的责任不在于教，而在于教学生学，始终贯彻“加强基础、注重综合、体现先进、突出创新”的教学理念指导教学，注重学生基础知识，基本技能和基本素质的培养，并增加研究性、创新性的实验内容，提供多层次、开放性的实践教学。教学过程中学生自带笔记本电脑，针对每个章节需要实际操作的内容，进行现场教学和动手操作。

（四）考核评价方法的灵活化

增加形成性考核所占比重，实施考试加考查方式，平时成绩占50%，提高学生回答问题、小组内数据分析报告制作、设计和汇报等方式在总分中的比重，倒逼学生回归基础，注重平时知识的积累。期末考试分笔试和代码编写，其中笔试和代码分别占期末考试的35%和65%。笔试重点考查学生对基础理论知识的掌握情况，代码编写考查学生实际解决问题的能力。

三、R 语言的应用示例——以地理数据的无量纲化处理为例

（一）常用的无量纲化处理方法[11]

1.总和标准化

以某一随机变量的每个实现除以该随机变量的所有实现的和，其公式如下：

2.标准差标准化

以某一随机变量的每个实现减去所有实现的平均值，再除以该随机变量的所有实现的标准差，其公式如下：

3.极大值标准化

以某一随机变量的每个实现除以该随机变量的所有实现中的最大值，其公式如下：

4.极差标准化

以某一随机变量的每个实现减去所有实现中的最小值，再除以该随机变量的所有实现中最大值与最小值之差，其公式如下：

（二）R语言代码示例

图1 R语言代码示例图

如图1所示，虽然R语言内置无量纲函数（scale函数），但其方法单一。而上述的代码扩展了无量纲化方法，且非常灵活。通过代码的编写，学生能明晰什么是无量纲方法，如何将数学公式编写为函数实现不同的无量纲方法。

四、结语

本文对将R语言引入《计量地理学》课程教学的必要性进行了重点阐述，从教学方法上提出了一些参考，并以无量纲化方法为例，说明了R语言在该课程教学中的应用示例。《计量地理学》是以提升学生地理数据分析能力为根本目的[12]。相对于学生在大学一年级学习的C语言，R语言学习门槛相对较低，且对于地理科学学生而言，统计分析地理数据的工作更多。因此，基于R语言进行《计量地理学》的教学具有一定的优势，值得尝试。这不仅能够培养具有较强的中学地理教学与研究能力的教师，同时也能培养从事资源环境、区域经济和地理信息管理等方面的研究和管理人才。