基于“3S”技术一体化地理信息系统实践教学设计探索

2023-05-30陈彧张文慧

科技风 2023年14期

陈彧张文慧

摘要：地理信息系统是土地资源管理专业的核心基础课程，具有实践操作性强，与遥感、测量技术（3S技术）结合紧密，实际问题导向性强的特点。目前的教学实践中，如何将这三大特点更好地融合到课堂中，是现实教学改革中的重要任务。本文在实践中总结出一套基于3S技术一体化的地理信息系统实践教学设计方案，从教学的思路、内容和方法上提出新的探索方向，旨在提升土地资源管理专业地理信息系统教学的效果，使学生能够在教学过程中提升实践能力。

关键词：“3S”技术；地理信息系统；土地资源管理

目前，地理信息系统（Geographical Information Systems，GIS）在社会生活中的应用范围越来越广，已经成为土地资源管理和规划、城市管理、工程建设、商业策划、灾害防治等领域的重要工具。因此，土地资源管理专业已经将GIS作为本专业的专业基础课程。对于这些应用型学科的学生，重点是掌握GIS在本专业中的具体应用知识和技能；而对GIS中所涉及的计算机原理的相关知识可以相对简要精练吸收，主要目的是用于辅助理解具体的应用场景。因此，针对这些非GIS专业的地理信息系统课程，必须专门设计面向该专业的实践教学内容和方法。

“3S”技术是由遥感技术（Remote sensing，RS）、地理信息系统（Geography information systems，GIS）和全球定位系统（Global positioning systems，GPS）组成的统称，能够精准地对空间信息进行采集、存储、分析、应用并模拟预测目标的变化趋势，是一种综合性现代信息技术。其中，GPS和RS用于数据的采集，GIS则是对采集数据的具体分析。在实际应用场景中，“3S”技术本身是难以分割的。因此，如何将一体化的“3S”技术引入地理信息系统的实践课程教学中，使得学生对“3S”技术有系统的理解，并且能够直接应对实际应用场景，是目前教学研究的难点。

本文基于中南民族大学公共管理学院土地资源管理专业学生学习地理信息系统课程的实际情况，谈谈基于“3S”技术一体化地理信息系统实践教学设计及探索。

一、地理信息系统实践教学特点

（一）理论与实践的结合，以实践为主

地理信息系统这门学科是一种实践性非常强的课程，它正是为了应对现代信息技术及全球化条件下土地资源管理、城市规划、工程建设等领域出现的各种实际问题而不断发展的。在学校里，除了以课堂教学的方式进行理论学习，还要结合实际操作进行实践运用学习。这样的教学形式能够让不具备GIS背景知识的初学学生对课程内容有更深刻的理解，对应用方法有更好的掌握。以实践为主的教学方式，能够让学生在具有真实环境的项目实践中，与同学们相互沟通、相互协作，分享各自的实践方法与经验，能使学生更加有效地理解课程的原理以及原理在具体项目中的实践操作，促使课程价值、信息的交流与转换。以实践为主不仅可以加深学生对课本上理论知识的理解，还能够培养学生的创新实践能力，是传统的只关注理论的原理教学方法所不能比拟的。

（二）“3S”技术的不可分割性

“3S”技术是由遥感（RS）、全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS）共同组成的，要想解决在房地产、城市规划、土地资源管理等方面的实际问题，必须将三种系统结合起来使用，而不能将其分割开来，单独的一项技术无法解决实际项目中各种问题，RS、GPS、GIS在空间信息采集、动态分析与管理等方面有各自不同的特点，且具有较强的互补性，而“3S”技术就是将三种技术集中整合到一起，避开了每项技术单独应用的局限性，将三项技术应用的优势集中融入各项复杂问题处理中，他们之间相互补充、相互依赖、相互渗透、难以分割。在运用地理信息系统平台完成实际项目时，只有同时使用RS、GPS、GIS三种技术，才能完整、高效、准确地解决问题。

（三）问题导向性

任何地理信息系统的任务都是为了解决在国土空间规划、不动产登记、地质灾害、矿产资源、生态环境等领域的具体实践项目问题的，都是针对具体实践项目问题而使用的，即地理信息系统运用的主要目的在于解决具体实践项目问题，而这些问题是需要深入思考和潜心研究，利用“3S”技术的一系列平台，来实现对各种空间和环境信息的快速、准确、可靠的收集、处理与更新才能解決的。在地理信息系统的实践教学中问题情境的设计，积极结合学生的校园生活环境，用身边的具体实践项目问题来指导，营造更适宜的教学情境，此情境可以形成问题思考与解答的内生驱动力，有助于学生解决问题。

二、地理信息系统实践教学现状分析

目前教学环节中存在的主要问题如下：

（一）课堂教学“重理论、轻实践”

目前，非GIS专业的地理信息系统课程应用的教材主要还是GIS专业的地理信息系统教学内容。而在地理信息系统专业中更加强调的是计算机原理方面的知识结构，因此大量的课时放置在GIS基础理论方面。但这些计算机原理对于非GIS专业学生而言，因在教学培养计划中缺乏数据结构、计算机原理与技术等相关课程的铺垫，又有着学科交叉、相关知识多等特点，使得普适化理论教育容易，实践教育难，学生在理解和掌握这些GIS专业理论方面显得晦涩难懂。

然而，传统的地理信息系统的教学方法与内容集中在地理信息系统专业所涉及的领域，与计算机原理等理论知识结合得更为紧密，较缺乏面向土地资源管理专业相关的应用性教学内容，不利于培养学生综合应用“3S”技术解决土地资源管理方面实际问题的能力。同时，课堂教学中涉及地理信息系统的理论知识点，也较少考虑与土地资源管理的交叉和融合，学生在学习了该课程后，无法真正领悟GIS在解决土地资源管理相关科学问题的作用和地位。

（二）缺乏“3S”技术一体化教学实践内容

目前，土地资源管理专业“3S”系统所涉及的遥感、测量、地理信息系统课程的一个问题在于分割教学。这一点在理论课堂上问题不大。但如果在实践课程中还是切割开来，则会让学生无法很好地理解“3S”系统本身的一体化性，因而会造成在实践应用中的困惑。因为在涉及实际问题处理中，往往需要结合遥感、测量进行原始数据的获取，而GIS则是数据处理的平台。由于目前“3S”教学课程的分割性，各个课程在实践教学中只涉及本课程的数据处理知识。例如，在GIS实践课程教学中，往往是教师直接给定实验所需的数据，而这些数据如何获取？从何而来？学生无从得知。而实际上，这些数据都是通过遥感解译或者测量采集的，如果能设计一套覆盖“3S”技术全流程的教学实践场景，则可以让学生更深入地掌握“3S”技术。

（三）实践教学采用演示性知识点片段练习为主，结合具体项目的问题导向性不足

目前，地理信息系统的实践教学还是以知识点导向为主，实验讲授中主要以学习每个知识点的操作方法为目的，教学方法则以“课堂演示+学生模仿练习”为主。例如，在核心课程的空间分析中，对每个空间分析工具的方法，教师给定实验数据，在幻灯机中演示一遍，学生跟着操作一遍。教学目的在于让学生通过模仿，并在教师的讲解下掌握每个知识点，及软件运用方法。但这种教学方法的问题是，学生虽然按照课本内容掌握了各个知识点，但遇到实际问题时仍然难以灵活应用所学的知识点。这种按部就班式的学习方式，使学生难以提出新的问题和解决方案，导致学生只会按照课堂和书本上的“指示”重复实验而不会创造性地解决问题，难以应对具体实际项目中的各种困难。这是因为实践中的问题是需要多个知识点协同完成的，本身是先有问题，再针对问题，分解出解决问题所需的知识点，与上述传统教学方法的思路是相反的。因此，亟须转变为以实际问题为导向的教学方式。

三、基于“3S”技术一体化地理信息系统实践教学设计具体思路

（一）适当增加实践课程，加强综合实验设计

由“重理论、轻实践”的教学方式转化为以理论结合实践，以实践为主的教学方式。目前课时设置以理论课为主的思路实际上已远远不能满足本课程的现实需求。由于土地资源管理专业的特点，是通过实践来理解理论知识的，具有很强的应用性。因此，首先要合理增加地理信息系统实践部分的课时，让学生把更多的时间放在学习如何运用地理信息系统解决实际问题上，同时还可以增加对实践的考核，比如布置小组实践作业、适当提高期末考试中实践部分所占的分值比例等，从而引起学生对实践课程的重视，提高学习的主动性与创新性。

同时，目前传统的地理信息教学内容是针对地理信息系统专业的，因此从教学内容上看，过多强调了计算机原理、数据结构等内容的阐述，而实际上非地信专业主要需求是应用教学，这也就要求教学的重点内容是放在结合本专业的特点而进行的应用上面，而非过深地讲授地理信息系统的原理。因此，本研究将研究针对土地资源管理专业的空间规划、地籍建模等实践应用而设计相应教学内容。

（二）以GIS平台为主体，研究串联RS、GPS的“3S”技术一体化教学内容设计改革

目前的地理信息系统教学中仍是传统的就GIS教授GIS的课程教学内容，即地理信息系统课程只教授GIS相关的知识，而对相关的遥感知识RS和测量知识GPS结合得并不紧密。这两大知识虽然都有相应的课程进行具体传授，但同样存在相应问题。所以教学中总是会产生这样的现象：学生对于具体空间分析工具了解其基本功能，也可以简单操作，但给出一个实际问题，学生往往不知道如何综合应用这些分析工具去解决。这是由于目前的教学内容与对知识内容的切割，学生知道去如何去处理每类知识体系下特定的问题，一旦面对实际中需要结合三者综合知识处理的问题就束手无策了。

“3S”技术作为一门实践性很强的课程，教师在课堂中应当重视理论引导和实践训练的分配比重，在设置实践课内容过程中要尽量设计融合GPS、GIS和RS这三个方面知识的综合性较强的实践项目。比如，笔者在教学实践过程的摸索中，探索出一套基于校园场景的GIS实践课程内容设计，即结合遥感解译（RS）到碎步点测量（GPS），最后将校园进行3D建模，并进行优化路径（GIS）的串联“3S”整体技术的一体化教学内容设计改革，在实际中有较好的教学效果。

（三）实践教学方法转变为问题导向性

目前，传统实践课的教学方法以知识导向性为主。这种教学方法以学生掌握知识点为目的，学生在学习中充分掌握了GIS中每个工具的操作功能，但一旦面对具体的实际问题，学生仍然缺乏解决的能力。这是因为具体的问题需要多个知识点的组合，这里面还涉及对具体问题解决方案的分析和设计能力。因此，在未来教学中，要向问题导向性的方式转变，即给出具体的待解决的实际问题，让学生自行设计实验内容和步骤的方式。这种鼓励学生自主设计完整的实验项目和方案，弱化教师对实验的干预的教学方法，可以强化对学生独立思考和团队合作能力的培养。

在进行实践项目设计时，可以把学校或周边熟悉的环境的项目作为首选，为学生模拟一个真实的操作环境。例如，笔者设计的校园“3S”一体化教学案例中，要求从测量到遥感解译，再到校园各种场景的规划，需要学生自主提出解决方案，教师再在过程中给予指导。在这个过程中，通过与老师以及小组成员间的交流，使学生能够清楚在面对实际的项目中遇到的各种困难以及解决困难的方法，提高他们的专业技能。老师通过和学生们的沟通以及对整个实践项目过程的全局性分析和掌握，在了解同学们在专业知识和实践操作方面的各种不足后，能够更好地做到“对症下药”。

结语

土地资源管理专业地理信息系统课程作为一门多个学科交叉、应用范围广泛的学科，具有理论与实践并重、应用性强、知识点多且杂、技术更新快等特点。在课堂教学中，教师应结合地理信息系统的特点，培养学生实践操作能力，并将“3S”技术与土地资源专业的特点联系起来，设计符合土地资源管理的特色的教学内容，选取真实的实践项目环境，不断提高学生解决实际项目问题的能力，从而推动教学改革，提高课堂质量。本文总结了目前中南民族大学土地资源管理专业地理信息系统课程教学中的问题，提出了相关的解决方法，希望将有助于地理信息系统教学工作的发展和提高实验教学的效果。

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