基于项目式教学法的GIS软件应用教学与实践

陈 伟， 高若晨， 孙文彬， 孙 灏， 赵恒谦

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.北京师范大学国有资产处，北京 100875）

0 引 言

GIS软件应用是一门教授地理信息系统软件应用的应用型课程，在地理信息科学、测绘工程、遥感科学与技术等专业中普遍开设，着眼于强化学生实践动手操作能力，培养学生解决实际问题的能力［1-2］。随着社会对熟练掌握地理信息数据分析技术能力的人才需求日渐增多，GIS软件应用在地理信息类和测绘类专业教学中的重要性也日渐凸显［3-4］。

目前国内主要高校针对GIS软件应用的教学教材虽然较多，也涵盖了目前主流的GIS软件如ArcGIS、SuperMap等，但是主要还是以“灌输式”教学为主，即以教师为主导，学生被动接受，其教学法主要为“教师讲解功能-学生操作软件-得出结果”［5-6］。在此过程中，学生被动地根据实习指导书的要求进行操作，缺少主观上的思考。在这种教学方法中，教师讲解注重每一个知识点，将教学内容分割开来，难以解决实际工程问题，且容易使学生失去兴趣。此外，将学生作为“婴儿”般进行“喂养”式传授知识，很难帮助学生主动构建知识体系。教师在教授课程中软件操作的实例是孤立的，也是有限的，因而即便学生完美地完成了课程实验的操作，但是当遇到新的空间问题时，大部分学生还是很难将新的空间问题与所学的GIS软件操作联系起来［7-9］。因此对GIS软件应用的教学提出了新的要求，亟须引入新的教学方法，培养学生分析空间问题与解决空间问题的能力，更好地适应行业需求与未来深造的需求。

由于“灌输式”教学存在着被动式教学、学生学习积极性不高而导致学生分析与解决空间问题能力不足，难以解决实际的工程与科研问题，因此针对GIS软件应用课程，将“项目式”教学引入GIS软件应用教学中，改进课程实践的体系与方法，以此提升学生分析问题与解决问题的能力，提高学生动手能力，使其更好地适应未来行业与研究生深造的需求。

1 项目式教学法设计

1.1 项目式教学方法内涵

应用型人才是高等教育进入大众化之后社会对高校人才培养的迫切需求［10-11］。应用型人才即要求培养的学生具备解决实际问题的能力。笔者在承担GIS软件应用课程后发现本科生在GIS软件应用中普遍有以下两个问题：①不知软件应用在何处，即便教师在课程上列举了GIS如何解决国土、环境、交通等方面的案例，但学生受限于其经历难以理解；②普遍缺少解决问题的能力，遇到空间问题并不知道如何利用已学的GIS知识进行解决。

为了解决以上所遇到的两个问题，在教学实践中进行了革新，采用项目式教学法进行教学［12-13］。项目式教学法是以学生为主体、基于项目的一种教学方法。在项目式教学法中，学生不再是被动的知识接受者，而是知识与能力的主构建者，教师承担的作用也不再是灌输者，而是在学生构建知识与能力体系过程中的引导者［14］。教师在教学过程中需要做的是筛选与学习。工程实践相关的实际问题（项目），引导学生在“做中学、研中学”，通过讨论、分析与操作改变角色，变被动学习为主动解决问题。在此过程中，学生一方面可以通过教师设计的基础项目与自己提出的应用项目理解GIS软件在各行业中应用，另一方面也锻炼了其解决实际空间问题的能力。

1.2 GIS软件应用的项目式教学体系设计

针对GIS软件应用教学特点及学生基础（一般在教授地理信息系统原理课程之后，且学生有一定的GIS基础）［15］，在GIS软件应用教学中以ArcGIS Desktop为教学软件，对GIS软件应用课程的教学体系进行了改革与重新设计：

(1)减少理论学时，增加实践学时。在实践中将原本24学时的理论学时缩减为16学时，实践学时增加至32学时，最大限度地延长学生动手的时间。

(2)建立4阶段项目式教学模式。分为工具学习、简单项目实践、复杂项目实践及小组项目设计与实现4个阶段。前3个阶段由教师提供题目，最后一个阶段为小组自选题并实现阶段，由浅及深逐步锻炼学生动手能力。

(3)可视化建模与代码强制要求。传统GIS软件应用中注重一步一步地操作，学生对操作的整体概念不足。故在教学实践中要求所有项目均需用ArcGIS Model Builder进行可视化建模，使得学生能整体了解项目的实现过程，并可溯源分析。此外，强制要求学生使用ArcPy软件实现项目，强化了学生编程能力。

图1所示为教学实践中探索与总结的项目式教学方法。在工具学习阶段为传统的教师主导，学生跟随方式，主要学习简单的入门工具及建模与代码化方法。简单项目实践为教师指引，学生操作，教师将建模方案与具体模型展示给学生，学生自主复现，在此过程中教师并不是一步一步教导，而是将整体模型展示，学生根据自己的理解实现；第3阶段为复杂项目阶段，教师立题，学生实现，在这个阶段教师出题，并给出大致的解题思路，学生来探索解决方法；第4阶段为小组项目设计与实现，在此阶段完全由学生主导，教师协助，学生根据自己兴趣组队，寻找项目立题，并汇报解决方法，通过解决方案汇报后查找数据、完成项目并汇报。该体系由浅入深，逐步提高要求，并有建模与代码的双重要求，对学生分析问题与解决问题能力的提升有较好的帮助。

2 项目式教学法实践

2.1 工具学习阶段

图1 基于项目式教学法的GIS软件应用教学体系设计

工具学习阶段主要是介绍ArcGISDesktop中常用的工具使用方法。由于学生已经有地理信息系统原理先修课程，对ArcGIS的操作已经有基础，因此本课程的重点并不在于工具操作，而在于利用ArcGISModel Builder建模以及利用ArcPy实现相应的模型。如一个简单的空间分析操作问题：有某县的数字高程模型（DEM）数据（多景），也有该县的矢量边界，如何提出该县矢量边界范围内的DEM并进行拼接？如图2所示，根据已有的源数据，可以通过多个ArcGIS工具（选择、拼接、裁减）形成前后相接的工作流。这种可视化建模的好处在于使得学生对空间问题的分析与处理形成直观的逻辑链路，并且由于模型已经保存，可以使学生在操作过程中对结果错误能够溯源与修正。此外，由于ArcGIS所有的工具均可在ArcPy站点包中予以调用，因此学生可以将图2所示的工作流全程以Python代码的形式实现。

图2 工具学习方法

2.2 简单项目实践

简单项目实践为教师在教学实践过程中所选取的有实际意义的简单案例式的应用案例。在此过程中，教师立题，学生在教师的引导下逐步操作并完成项目。如一个简单的应用项目为在售房源选择问题。某客户在选择房源的过程中有以下要求：①在县城范围之内的住宅；②处于不易积水区域；③离公园800 m以内。目前已有的数据集为：①县城矢量边界；②易积水区域矢量区域图；③在售房源的矢量数据集。

将问题解析为以下方法步骤：

（1）根据房源矢量数据的属性信息表，筛选出在售的楼盘，售出的楼盘不在考虑范围。

（2）选择在县城矢量范围的在售房源，将边界范围外的数据剔除；

（3）将处于易积水区域的房源信息剔除；

（4）选择在公园800 m范围的缓冲区内的房源。

因此，根据以上问题的解析，使用选择、裁剪、擦除、缓冲区及相交5个工具即可完成本次项目的需求，如图3所示，并最终得出在售房源的空间分布图。

2.3 复杂项目实践

复杂项目是立足于实际科研或工程项目的需求，并适当简化要求而设计的。在此过程中，教师将以出题者身份出现，仅提供项目思路与数据源，而学生自行解析空间问题，并进行问题的解决。在此过程中，教师不再进行实际操作，而是以答疑解惑的形式协助学生解决问题。在此过程中，学生是主体，而教师是配合者。如进行区域开发时，需要对整个地区土地稳定性进行评估，土地风险较大的区域不适合于开发，需根据现有的模型与数据进行土地稳定性专题制图，为土地开发和保护提供决策与支持。已有的数据源为：①当地DEM；②坡度与坡向稳定性因子；③植被类型稳定性因子；④土地利用矢量数据；⑤坡度、坡向、土地利用的稳定性因子权重。

图3 简单项目实践

为了引导学生更好地完成本项目，在实际教学中，仅向学生提供如图4所示的项目流程图，需要学生根据所提的要求，解析空间问题，并根据现有的数据源进行建模与分析（见图5），并制作专题图。

图4 复杂项目实践流程图

图5 复杂项目建模过程

2.4 小组项目设计与实现

项目式教学的初衷是改变原本教学中以教师为主导、学生被动授受知识的现状，将真实应用案例作为一个个小项目应用到GIS软件应用教学之中。为了进一步激发与提升学生自主创造力，在课程实践的最后，布置了专门的小组项目。在此项目中，学生自愿结成项目团队（2或3人1组），寻找项目，提出解决方案，并进行汇报。在此过程中，教师是监督者、协助者，只对项目难度和可行性进行总体把关，确保学生提出的项目在课程时间内能够完成。最后，学生根据通过的实施方案查找数据、搭建模型、代码化应用案例，并进行结果汇报。

3 结 语

当前我国地理信息产业正蓬勃发展，社会对应用型的GIS人才需求旺盛。针对GIS软件应用教学中出现的实际问题，以教学过程中遇到的实际问题与课程改革方案实践为例，对GIS软件应用的课程教学进行了改革与探索，形成了一套项目式教学方法。该项目式教学方法以简化的实际项目需求为牵引，根据难度分阶段实施，逐步对学生进行引导，以提升学生实际动手能力。此外，在项目实践过程中，强制要求学生以ArcPy代码实现项目模型，进一步提升了学生编程能力，在实际教学中取得了良好的教学效果。