GIS 开发课程教学改革研究

梁玉莲，卢 远，罗国玮，张建兵，初爱萍

（南宁师范大学 地理科学与规划学院，广西 南宁 530001）

0 引言

自然资源数字产业是一个跨政府、跨市场的复合行业，同时又是一个多学科、融合新一代信息技术的新兴战略产业。国内外地理信息企业纷纷将地理位置和自然资源数据与人口、交通、旅游等数据进行智能化的融合应用，推进各行业智慧发展的进程。在政府部门、规划设计和地理信息企业及互联网、物流等新业态的创新企业，需要大量的具备厚实自然资源专业基础，又懂数字技术的专业人才。地理信息科学（GIS）专业产生于20 世纪60 年代，是信息产业发展需求下，解决自然资源数字化和信息化空间化的地理学重要分支之一[1]。据中国土地学会、中国地理信息产业协会等粗略统计，每年自然资源行业对GIS 专业人才的需求超10 万人。因此，迫切需要培养面向自然资源领域的地理信息科学（GIS）专业人才，以适应新时代自然资源事业的需求[2，3]。

GIS 开发课程是培养GIS 专业学生运用数字化技术对各种形式的地理信息进行加工、处理、开发和服务一门重要课程[4，5]。该课程在强化学生对地理信息系统原理与应用、面向对象编程与设计原理与应用，以及GIS 二次开发理论等知识深入理解的基础上，重点传授学生与地理信息相关的软件工程设计的理论与技术，以及地理信息系统二次开发的原理、方法与步骤。通过设置综合性的地理信息系统实验，使学生能将计算机技术与地理信息科学原理融会贯通，熟练掌握面向对象编程的原理与方法，掌握地理信息工程项目的设计的过程与步骤，从而形成严谨的逻辑思维和推理能力。通过小组式和项目式的训练，还可以锻炼学生们的项目团队合作意识与团队协作能力。

根据前瞻产业研究院发布的“中国地理信息产业发展前景与投资战略规划分析报告”数据显示，2019年我国地理信息产业产值达到6479 亿元，年增长率8.7%。地理信息产业领域的大小企业共2 万多家，从业人员40 万人以上。近年来地理信息产业保持高速增长，这一战略性新兴产业在我国经济社会发展中的作用日益显现。随着“国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定”“全国基础测绘中长期规划纲要（2015-2030）”等一系列国家政策规划的出台，以及北斗导航系统等国家重大项目的持续推进，地理信息产业得到跨越式的发展。地理信息科学专业人才除了涉足传统的地图服务、测绘服务、遥感监测服务行业以外，还覆盖互联网搜索和电子商务提供商、数字城市和国土空间规划、自然资源管理等应用领域[2，6]。在地理信息产业发展需求的驱动下，培养大量具有创新创造、设计研发和工程管理能力，能很快担当起自然资源数字管理的复合型专业人才需求还将增大，缺口也仍在扩大。

具备GIS 开发设计能力是产业发展对地理信息科学专业人才的首要需求也是最迫切的需求。因此，GIS 开发课程的教学方式必须迎合信息时代的产业发展要求，不断创新教学模式和深化实践性教学，使得学生在掌握地理信息科学原理与技术的同时，强化计算机科学基础及对信息科学系统性的认识，形成完整的知识与技能链条。充分培养学生自主研发的能力，提升其熟练运用地理信息技术解决自然资源产业领域实际问题的能力。本文探讨一种在自然资源数字产业需求背景下，自然资源领域的企业紧密合作，开展实践性的GIS 开发课程全新教学模式。

1 课程建设的目标和内容

1.1 建设目标

基于自然资源数字行业企业的产业任务需求，借助计算机软件开发平台和地理信息系统二次开发工具，在项目需求的职称下，培养学生自主完成地理信息系统平台的开发，以实现地理信息的存储、编辑、分析、展示、输出等主要内容。培养学生对地理信息系统软件的设计与开发能力、对现有计算机技术和软件的操作与应用能力，使其能从对理论知识理解上升到对实践性技能应用以及融会贯通的层次[7]。

1.2 教学手段

合理运用现代信息技术手段，结合自然资源数字行业产业实际工程项目需求，建立“理论教学+课堂实验+产业实践”三个层次的课程体系。把以课堂传授知识为主的学校教育与直接获取实际经验、实践能力为主的项目开发模式有机结合的教育形式。理论教学中融入项目开发实例进行讲述；随堂实验所需的实验素材依托自然资源数字产业合作企业来设置，建立包含实验素材、实验方法和实验步骤讲解的“GIS 开发”的线上教学资源库，利用线上资源数据库开展线上线下相结合的课程教学建立GIS 开发实验资料库，从而满足随堂实验要求。开发课程内容注重数字化技术、编程方法、软件工程开发模式、信息管理等各个环节的整体性设置，并在此基础上选择与企业生产项目需求相结合综合实践项目，采用接触实际GIS 建设项目的方式帮助学生实现GIS 专业技能的内化和继承，通过提高学生的工程素质来提升GIS 专业学生系统开发的整体水平。

1.3 课程对专业人才培养目标的支撑

以自然资源数字产业的创建为契机，秉承“产-学-研-用”相结合的教学理念，为地理信息科学与信息科学技术应用有机融合提供良好的理论探讨、指导和实践操作平台，为不断深化地理信息科学改革与创新实践。以实习基地和项目参与的形式建立长效合作机制和平台。联手产业学院相关企事业用人单位、创新创业公司等更多利益相关方，通过参与实际生产项目来完成实践性实验课程的模式，来考验和磨砺GIS专业学生的开发水平，为各部门、行业和产业定向输送GIS 专业人才，同时为创立高校GIS 专业的良好品牌专业形象奠定社会基础，推动GIS 专业品牌的树立。

2 现有教学模式的局限性

2.1 授课形式偏重讲授而缺少实践

当下高校实验性课程教学模式大部分仍还停留在以教师为中心的教育模式为主，这种教学模式忽视了学生的主体作用。学生往往按现成的数据和给定的方法步骤才能按部就班、依葫芦画瓢去完成一个实验。这种被动的学习方式很大程度上依赖于教材和老师给出详细的实验步骤，没有充分发挥学生的积极性和主动性，即使完成实验也是知其然不知其所以然，没有真正动脑筋去独立设计和分析实验。学生对GIS开发知识技能并没有实现真正的内化，对地理信息系统的开发也缺乏设计性和创造性[8]。

2.2 实验设计偏重针对知识点而忽视整体性设计

GIS 课程实验的设计应该是综合性的，既需要考虑到知识点的覆盖，也需要关注实验的整体性设计。教师在进行实验课程计划时，仍较为注重讲述过程，对标教学大纲中的知识点，以“点对点”的传统讲授形式为主。在数据组织和处理环节，传统的GIS 更多的是按照Tomlinson 的思想，沿用地图数据处理的模式，未能从“面向图层”的设计和处理模式完全向“面向对象”转化。在数据组织上也未能很好地引入知识工程技术。实验设计只注重知识点，而忽略了实验的整体性和实际应用情景，使得学生难以理解和掌握GIS 系统的综合运用和实际应用场景，学生缺乏综合性思考。例如GIS 开发环节中涉及地理数据编辑、查询、存储、空间分析以及地图制图等知识节点。他们之间的教学案例缺乏一个系统性和连贯性，GIS 开发的师指点只是课程学习中的基础环节，并不能涵盖全部，学生除了需要掌握知识点，掌握GIS 关键模块的开发技能以外，还需有整体性的思维，实验缺乏整体性的设计，可能导致实验之间的联系性较差，学生难以将各个实验相互联系起来，从而缺乏系统性的认知。只注重知识点的掌握，而忽略了学生的实践能力和应用能力的培养，无法满足学生实际需求和社会发展对GIS人才的要求。软件工程通用性的整体开发流程对GIS开发来说同样重要。除了必备GIS 开发技术以外，还应教会学生从整个信息系统的设计开发流程。从需求分析到设计、编码、测试部署和维护过程中涉及的原理和规则均需要明晰。

2.3 课程未能紧扣自然资源数字产业发展需求

自然资源数字产业是一个新兴的领域，随着技术的不断发展和应用，这个领域的需求和变化也在不断增加。因此，对于自然资源数字产业相关的课程来说，紧扣产业发展需求是非常重要的。课堂的实验过程未能紧扣自然资源数字产业发展需求，所展现出来的突出问题主要有以下几点。一是课程内容实用性不高，课程内容过于理论化或过时，教学大纲更新不及时，教师选用教材陈旧、讲义课件陈旧等，无法满足学生在实际工作中所需的技能和知识，导致课程内容的不实用。例如GIS 二次开发的时候仍采用C/S 框架，在传统的VS 框架或者借助ArcGIS 老版本的二次开发工具进行。所采用的软件系统与当下的操作系统甚至会存在兼容性问题。学生学到这种明显与时代脱节的教学内容所也必然是与社会需求脱节的。二是课程与行业不匹配，课程内容无法做到与自然资源数字产业的实际需求和发展方向匹配，学生学习该课程后不能很好适应这个领域的工作环境，无法满足企业的实际需求。再者，课程内容不与实际需求相符，学生则会觉得这个课程无趣或者无用，导致学习兴趣不高，从而影响学习效果。因此，对于自然资源数字产业相关的课程，应该紧扣行业需求和发展方向，结合实际案例和项目，注重实践操作，使学生学到的知识和技能能够直接应用到实际工作中，提高学生的职业竞争力。同时，也应该密切关注行业的发展趋势，不断更新和优化课程内容和教学方法，保持课程的前沿性和实用性。

3 教学模式的改革方向和举措

3.1 教学形式多样化，立体化设计实践教学环节

在充分掌握开发原理和技术的基础上，GIS 设计开发课程应更加着重对学生实践能力的培养。一方面，可以通过引入项目实战的方式，将课程与自然资源数字行业产业实际项目相结合，引导学生在项目中应用所学知识，了解软件开发过程和项目管理方法，提高学生的实践能力。可以通过邀请自然资源数字行业企业或者相关行业的人士来讲解实际项目，让学生在实战中深入了解行业需求和技术发展。另一方面，可以进一步增加课程实验环节的学时比重，让学生亲手动手操作，编写代码、调试、运行程序，掌握软件开发过程中的具体技能和方法。通过自主设计小型的实验项目，让学生逐步熟悉软件开发的流程和工具，从而提高实践能力。实现整个数字化技术、编程方法、软件开发以及信息管理等每一个GIS 开发的环节教学内容的立体化设计。例如，在数字化环节要强调训练学生学会何处理和解析空间数据的采集、地图的数字化、遥感图像等技术；在编程技术上，学生应重点掌握进行自动化处理和分析地理数据的方法，既要掌握学习如何使用主流编程语言（例如Python、JavaScript等）编写GIS 脚本和程序，完成数据处理和分析等自动化GIS 任务、批量处理数据以及构建地理模型等方法。还应掌握API 的开发使用，如ArcGIS API for JavaScript、QGIS Python API 等工具开发定制的GIS应用。在GIS 开发工具的使用上，既要懂得使用主流组件式开发技术的应用（例如ArcObjects、PyQGIS等），也需要了解使用Web GIS 技术（例如Leaflet、OpenLayers 等）进行在线地图的开发。

3.2 合理设综合实训，强化开发技术的整体性

综合实训指的是一种融合多种学科知识的综合性实践教学方式，它可以采用多种形式和方法，如项目设计、实践操作、综合性实验等。以综合实训为载体，提升学生启发性和整体性思维能力主要可以通过以下几个方式。首先在综合实训设计时，应明确目标和任务，以便能够更好地帮助学生掌握相关的知识和技能，选择与自然资源数字产业相关的实训内容，让学生能够在实践中综合应用所学知识和技能，解决行业产业的实际问题。其次是强调团队协作，综合实训往往需要学生合作完成，因此要强调团队协作和沟通能力的培养，可以采用小组合作的方式，将学生分成小组，每个小组负责一个综合实训项目，参与整个需求分析到软件开发的过程，从而使他们能更好地理解团队协作、项目管理、沟通协调等方面的技能，提高实践能力和团队合作能力。让学生在实践中能够相互合作，互相学习，共同完成任务。最重要的是在实训过程中要强调系统化的思维，GIS 开发需要对整个系统有全面的认识和理解，尤其注重设计阶段的培养，让学生能够掌握系统设计的方法和技巧，提高GIS 软件系统的设计质量和整体性思维。同时，课程中注重学生的自主探究和创新能力的培养，鼓励学生在项目开发中寻找问题，探索解决方案，还可以通过鼓励学生参与开源项目的方式，积极参与开源项目，了解和学习优秀的代码实践和开发思路，从而提高启发性思维。

3.3 立足自然资源数字产业需求，打造人才培养责任共同体

建立“理论教学+课堂实验+产业实践”的课程体系。对接产业行业，针对自然资源数字化的具体需求，及时响应和修订完善GIS 课程教学大纲，提高人才培养的前瞻性、引领性和针对性。依托高校、行业、企业专家组成的专业建设指导委员会，以培养适应信息化社会需求的复合型工程人才为目标。采用案例教学、项目驱动、实践操作等教学方法，让学生在实践中学习，提高技能和应用能力。深入理解自然资源数字产业的核心需求，包括数据管理、空间分析、资源优化等。邀请业界专家、企业代表等到课堂进行课程讲授和参与课程共建，使学生在学习过程接触实际GIS 建设项目，缓解学生在理论知识与工程项目实际之间脱节的矛盾，实现学生对实际GIS 理论知识与专业技能的内化和继承，通过提高学生的工程素质来提升GIS专业学生的整体水平。充分发挥与自然资源数字行业紧密联系的优势，除了共同设计制作实践教学内容和共同开发实践教学案例以外，还可以通过共建实训平台等方式，利用行业内资源提供丰富的教学资源支持，与相关行业和机构建立合作关系，共享数据和技术资源。共同评价教学效果的长效机制，促进课程教学体系更加契合行业应用，提升GIS 设计与开发人才培养的针对性和有效性。

4 结语

GIS 开发课程是地理信息科学专业的核心课程之一，是地理信息科学专业应用型人才培养过程的重要环节。课程设计的合理与否直接与人才培养是否符合市场需求有直接关联。本文提倡采用新的教学模式和创新的教学方法开展GIS 开发课程的教学和实训，并在教学、研究和应用的各个方面采取质量控制措施，以确保取得显著和独特的教育成果。以自然资源数字产业学院为依托，向产业问需求，向行业要资源，以产业发展技术需求导向，充分利用行业需求和资源，坚持需求驱动技术发展。产业学院的校企合作方共同参与教学大纲定制，建立教学资源库，探索与企业联合研发课程机制，建立产学研结合的人才协同培养模式[9，10]。通过实践项目训练，激发学生的创新和创业意识，提高学生的实践、创新和团队合作能力。全面提高GIS 技术应用型人才培养质量，更好地服务区域经济社会发展和产业转型升级[11]。