地理信息系统教材建设研究

韦娟 刘乃安 付卫红

摘 要：以空间信息与数字技术专业的核心课程地理信息系统的教材建设为例，从专业培养方案和课程大纲出发，系统阐述了空间信息技术发展对教材的要求、人才培养对教材建设的要求、对现有教材的剖析、在教学改革中重构新形态教材等内容。在教学和实践中与信息教育技术融合创新开展课程内容建设，将新技术、新方法及科研成果及时融入教学中，采用动态增改和调整等多种策略更新教材内容，在“教材+线上资源+线下课程+实践创新”教学与学习资源环境下，重构地理信息新形态教材的深度、难度及广度体系。

关键词：地理信息系统；教材建设；新形态

一、空间信息技术发展对教材的要求

1．人才培养模式的改革促进教材建设

2004年，武汉大学设立全国第一个“空间信息与数字技术”专业并开始招生，标志着空间信息与数字技术专业的诞生（被称为“武大模式”）。2005年西安电子科技大学也适应我国现代化对空间信息领域人才的迫切需要而创设了“空间信息与数字技术”专业并开始招生（被称为“西电模式”）。虽然两个学校设置的专业有相同的名字，但学习内容却相去甚远，所以给予不同的“模式”稱号。西安电子科技大学的空间信息与数字技术专业培养方案在通信工程专业的基础上进行改制，还是以学校的电子信息为特色进行建设。后面相继设立该专业的学校根据各自的特色，以这两种模式为本进行专业培养方案及相关课程的设置。

地理信息系统（Geographic Information Sy-stem，GIS）是空间信息与数字技术专业“西电模式”的一门核心专业课和能力支撑课。根据专业培养方案和课程大纲，学生需通过这门核心课程对空间信息科学有一个基本了解。而地理信息系统是随着计算机技术的迅速发展，在原有学科交叉处派生出来的一门新兴前沿学科。它是用来处理和分析空间数据的一门综合性信息技术，涉及计算机科学技术、信息和管理学、地学、空间科学及测量学等学科，进行空间数据的采集、量测、分析、存储、管理、显示、传播和应用等[1-2]。这对教材的编著提出了较高的要求，既要系统全面地讲述地理信息系统的原理、结构、关键的技术方法，还需结合空间信息技术的发展及应用趋势进行创新融合。

2．教材内容及动态更新

在高等教育中，教材一直是我国教育改革的重点之一，是教学内容和教学思想的主要体现者[3]。地理信息系统教材主要涵盖的内容有：GIS的基本概念和涉及的基础理论、空间数据结构和空间数据库、空间数据采集与处理、空间分析方法及产品输出、卫星导航定位系统、3S集成等。与纸质版教材配套的还须有讲授课件、教学视频、拓展应用、实验操作指导等电子教材资源，为学生自主线上学习提供灵活的多样方式，使学习可以不受时间和空间的限制。当然电子教材内容随着学科前沿及新技术的发展需不断进行更新，如随着时空大数据GIS、移动GIS、云原生GIS、区块链GIS、数字孪生、虚拟现实GIS与视频GIS、游戏引擎与GIS、三维GIS等新技术的融合发展，及时推送这些新技术在安全应急、新型智慧城市、智慧机场、智慧园区、智能交通、国土资源、自然资源、公安时空大数据、自然灾害风险管理、水利数字孪生、生态环境大数据等不同行业的应用案例，确保教学内容与创新技术发展同步[4]。

地理信息系统教材强调系统性、简明性、可读性、实用性、科学性与现势性的结合，内容精炼，简明易懂，可作为高等院校空间信息科学、地理信息系统、地理学、测绘学、资源环境与城乡规划管理、土地管理等相关学科教材，也可作为科学研究、工程规划设计等专业部门科技人员了解空间信息科学的参考资料。

二、人才培养对教材建设的要求

教材质量是促进教学内容改革、提高教学质量的重要因素之一，在一定程度上反映编著者的教学和学术水平，教材编写是对知识和技术的凝练和再加工，对提升教师的业务综合能力有着十分重要的作用。教材编写过程要求编著者在系统总结地理信息系统、卫星导航定位系统和遥感基本理论与实践的成功经验和方法的基础上进行编写。为充分发挥教材在本科人才培养中的作用，教材编写的要求有以下几方面。

（1）目标明确、技术先进。GIS教材编写以提高学生的空间信息分析能力为出发点，在内容的选取上，充分满足从事空间相关工作应具有的信息基础知识及应用技能需求；在章节的设计上，以潜移默化地影响学生方法能力、社会能力为目标。同时，教材需充分体现“理论与实践相结合”的特色，充分运用先进的教学手段，在每一章节中均应包含实际应用与实践环节，学生通过实际分析和操作熟悉相关知识的复杂工程应用。

（2）课程思政、润物无声。GIS教材编写和课件中要适当融入空间信息知识涉及的历史、应用和发展趋势，以及空间信息科学的思想体系。西安电子科技大学的地理信息系统教材实例力求讲好“中国故事”“西电故事”和“西电空间通信人故事”，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力，注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，潜移默化地帮助学生形成正确的价值观。

（3）精简理论、突出应用。教材编写以锻炼学生“会用空间信息知识解决实际复杂工程问题”为基本点，力求满足学生学习后续相关专业课程及日后从事工作所需要的知识储备需求。因此，教材更多着墨于与专业相关的各种实际工程案例的分析解决上，此也为GIS教材的特色之一，即循序渐进地引导学生一步步完成“用专业知识”解决实际问题的学习过程。

（4）内容新颖、实用性强。GIS教材依据空间信息与数字技术专业学生的需求而编写，内容结构按照学生的专业学习要求和实践进行安排。从身边简单的问题（如公园选址）引出地理信息知识，以解决问题为导向进行知识展开，导学思路明晰，符合由浅入深的认识过程，学生可以利用教材和电子资源进行自我学习。教材对于地理信息及扩展基本知识点都有较详细的解释，并且通过GIS教材和课件及视频中大量的案例解决，力求强化学习者应用空间信息知识解决实际问题的能力。

（5）学用结合，服务专业。GIS教材的各章节及案例之间要有比较密切的连贯关系，能够做到前后呼应、温故知新，增强教材的综合性和灵活性。

三、現有教材的剖析

在教学实践中，我们调研了开设地理信息系统课程的部分相关院校。如贵州大学的资源与环境工程学院将地理信息系统设置为一个专业，此专业及整个学院的教学科研侧重于贵州乃至西南的地质地形地貌，还专门成立喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，学生的实践环节很具体实用。武汉大学的对应专业为地理信息科学，属于理学学科，主要针对长江流域进行实践研究。西北大学、长安大学主要针对秦岭山脉、野生动物、朱鹮保护区等。百花齐放、各有千秋，这就使得各学校的地理信息系统课程的相关教材各有侧重点。

总体来说，国内外已出版的地理信息系统教材多是针对地图学及测绘学专业学生编写的，故而这些教材多侧重于对地理信息系统基本理论和基本概念的介绍、地图的建立及在测绘方面的应用等方面。

作者在从事地理信息系统教学的过程中，发现现有的教材需要相当多的前期基础课程（如地理学、地图学、测绘学、环境科学、管理科学等），而我们专业的学生不具备这些知识，因此使用现有的教材给教学带来了诸多的不便，教学上需要补充很多的知识点，而学生因教材的不适对课程失去应有的兴趣，给后期学习其他课程及科研带来不必要的麻烦。

因此，教材编写的目的就是根据专业设置及发展的趋势，在注重教材内容的基础性和先进性的同时，编写一本适合培养空间科学技术教学与研究，以最新的GIS技术为基础，融合卫星导航定位、遥感等技术，加强培养学生的思维方式和获取知识能力，启发学生动手能力与创新思想的新形态教材。

四、在教学改革中重构新形态教材

针对空间信息与数字技术专业，地理信息系统课程根据实际需要，将教学内容分为基础、研讨和实践三个模块。

基础模块：对应学生必须掌握的基本原理、空间分析方法等内容，主要通过课堂讲授完成，重点是思路和方法。主要对应教材的内容有空间数据结构和空间数据库、空间数据采集与处理、GIS空间分析方法与产品输出等。这部分内容从逻辑上按照系统（基本原理、特点、应用场合、指标）—模块（原理和分析、指标与分析、设计）—系统（系统模型、设计、实现）来组织。

研讨模块：针对需求和技术复杂性，研讨空间分析模型、网络分析、数字地形分析、选址、拓建等复杂工程问题。对应教材内容中的案例分析、空间数据库设计、空间分析方法的综合应用分析等。

实践模块：包括基础实验和综合实践两部分内容。基础实验主要是数据库设计、地理实体分层、查询、属性和图形数据连接、遥感图像的矫正和矢量化等。综合实践主要针对实际工程或科研项目，如智慧校园中的某个子模块进行建模设计与实现，目的是基本能力训练和综合能力提升，主要对应教材地理信息系统的开发与应用、卫星导航系统和信息技术及GIS新技术的知识内容及综合应用。

在实际教学中，应以“四个面向”（面向学生能力培养、面向数字化及新工科创新应用、面向引领未来创新驱动发展、面向教师引导与学生多元化自主学习）为内容深化教材建设。根据技术发展和需求变化，结合西安电子科技大学电子信息与通信学科优势，引入大数据、人工智能、电路设计、FPGA等内容，与信息教育技术融合创新开展课程内容建设，重构地理信息新形态教材的深度、难度及广度体系。

（1）内容高阶化，实践创新化。以地理信息系统应用技术和应用实例为主线，系统全面地讲述地理信息系统的原理、结构、关键的技术方法、发展现状和动态，并结合当前地理信息系统应用热点，通过应用实例讲述开发方法。

（2）知识体系化，能力结构化。将毕业要求显性化为明确的知识体系和能力结构，并将知识图谱、导学图和针对性的能力训练嵌入教材和课堂教学视频。

（3）资源碎片化，思维系统化。基于视频、课件、人物故事、工程案例等数字化、碎片化资源，实现将设计方法、应用需求等系统化的高阶思维正向、反向串起来。

（4）能力训练化，评价综合化。纸质版教材和数字化资源实现以“知识、能力、素质”为目标的三位一体的人才培养模式，既有实践训练，也有思维训练；既有专业能力，也有综合素质。

五、结论

教师在教学过程中采用动态增改和调整等多种策略安排教材内容，将新技术、新方法及科研成果及时融入教学，在“教材+线上资源+

线下课程+实践创新”教学与学习资源环境下，对教学内容和教学模式进行创新设计，在课程教学中落实立德树人的根本任务。

经过5年的实践，基于地理信息系统教材及电子辅助资料，使得教学内容与工程实际结合较紧密，在学习难度较大的情况下，提高了学生学习的兴趣和积极性。教学方式和评价方式提高了学生的课堂活跃度、思考的积极性和分析问题解决问题的能力。实践模块有效促进了互帮互学，明显提高了设计能力和团队协作与表达能力，增强了学生学习自主性、学习能力、沟通表达、团队协作和创新意识。

参考文献：

[1] 张新长，阮永俭，何显锦.地理信息教材慕课化改革与教学模式创新研究[J].中国大学教学，2018（8）：80-83.

[2] 罗明良，汤国安，周旭，等.我国大陆高校地理信息系统教育发展与空间分异分析[J].地理信息世界，2009（6）：27-33.

[3] 李奇，李洵之，王楠.高等教育教材发展与建设调查分析[J].中国大学教学，2012（4）：88-91.

[4] 杨树锋，陈汉林，程晓敢.新时代《地球科学概论》教材编写的思考[J].中国大学教学，2022（2/3）：106-109.

[责任编辑：余大品]