新工科背景下GIS原理课课带实验与理论互促互进教学探讨

摘 要：测绘工程专业GIS原理课程的课带实验教学和理论知识教学是有机统一的整体，该文针对目前教学忽视二者互促互进性和统一性，难以符合新工科建设要求的问题，探索改变现有“老师演示，学生模仿”的实验教学与重知识、轻能力、知识向实践能力转化效率低的理论教学模式，形成“老师引导，学生思考与探索”的实验教学和理论联系生产实际，知识、能力、实践一体化与项目化的理论教学模式。实现课带实验反哺理论，并内化为知识，理论知识指导实验教学，并转化为实践能力，最终完成GIS原理课程理论与实验教学的有机统一与深度融合。

关键词：GIS原理；互促互进教学；课带实验；理论教学；统一融合

中图分类号：G420 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）29-0032-05

Abstract： The teaching of theoretical knowledge and the teaching of experiments in the course GIS Principles for surveying and mapping engineering is an organic and integrated unity. In the current instruction， this paper aims to address the problem of neglecting the mutual promotion and unity of these two kinds of teaching and the difficulty of meeting the requirements of the construction of "new engineering profession". Based on the existing "instillation by the teacher， imitation by the students" experimental teaching and the theoretical teaching mode which emphasizes knowledge but not competence， and the low efficiency of transferring knowledge to practical competence， we are seeking to explore a teaching mode that will change this situation. Therefore， it can form a project-based teaching mode of "Teacher-guided thinking and exploration"， which combines theory teaching with practice， and integrates knowledge， ability and practice. This pattern will enable the experiments in the course to enrich the theory and internalise it into knowledge， make the theoretical knowledge guide the experimental teaching and transform it into practical ability， thus finally achieve the organic unity and deep integration of the theory and experimental teaching of the course GIS Principles.

Keywords： GIS Principles; mutual promotion teaching; course experiment; theory teaching; unified integration

基金项目：贵州大学教学内容和课程体系改革项目“新工科背景下《GIS原理》课带实验与理论知识互促进教学研究”（XJG2022009）；2021年度国家级一流本科专业建设点“测绘工程国家级一流专业”（无编号）

作者简介：张春亢（1984-），男，汉族，河南太康人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为3D GIS建模与应用。

教育部从2017年开始积极在全国推进新工科建设，对工程类专业教育提出了中国模式。新工科建设要求全国高校培养更多的创新型与综合型的人才，并要求学生能够将所学理论知识应用于现实生产实践中[1]。因此，在新工科背景下，对课程实践教学的重要性及其与理论教学的融合式教学提出了更高的要求。目前，工程类专业教学人员也对实践教学的重要性进行了相关研究与探索。包山虎等[2]对教学内容和实践教学设计进行了探讨，提出在教学过程中，要在课堂上为学生引入最新与最前沿的专业知识，并针对专业特点分析社会需求，做出适合学生特点的培养模式。栗海仙等[3]针对教学中唯分数论、忽视实践教学环节的现状，以机械本科专业为例，提出了理论知识向实践动手能力转化的方法与途径，以提高学生解决实际工程问题的能力。王晓萍等[4]认为教学要以培养学生的能力为主要目的，并以现实问题为纽带、以综合能力培养为导向进行创新型课堂实验。田俐等[5]将递进式实验教学方式引入课堂，以实现将理论知识及时用于实践能力的培养，提高学生的动手实践能力，并培养在学习上的自我主权意识。

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）原理具有多学科交叉、技术集成、实践性强等学科特点，其课程设置一般由理论课和课带实验课两部分组成。然而，在GIS原理现实的课程教学中，理论教学与课带实验教学作为两个相互协调与促进的教学过程，却很难做到统筹兼顾。如何将理论教学与课带实验教学相结合，真正地将理论分析与实验探索的创新思维融入到现实的课程教学中，并实现课带实验反哺加深理论知识的理解与掌握，将理论知识内化为动手实践能力，形成理论知识与课带实验互促互进模式与效应，是所有新工科工程类专业课程在教学过程中需要探索与实践的重点[6-7]，也是GIS原理课程教学面临的问题。

一 GIS原理理论与实验教学的统一性

GIS原理作为测绘工程本科专业的一门必修课程，其论述了地理信息系统的概念与本质、地理空间数学基础、空间数据模型、空间数据结构、空间分析方法和可视化技术等地理空间信息科学与工程领域的基础核心知识，是测绘工程专业众多课程的基础与先导课程。作为一门测绘工程专业的核心基础课程，通过对本课程的学习，学生应能系统掌握地理信息系统相关理论与方法，并具有运用地理信息科学相关理论方法解决实际测绘地理信息工程问题的能力。该课程为学生系统学习测绘地理信息相关知识奠定专业基础，并培养学生的科研素养和创新能力，为今后从事科研和测绘工程项目实践等打下基础。

GIS原理理论课主要讲授GIS的相关理论知识。课带实验是学生在教师的指导下使用GIS数据处理软件，通过动手实践理解和掌握GIS的原理和应用。其中课带实验教学可以加深学生对GIS基本原理理解和领会、提高学生分析和独立解决工程实际问题的能力，是培养学生创新意识、激发学生学习兴趣的重要手段，在整个课程学习中具有十分重要的作用[8]。GIS原理理论知识的学习可以为地理空间信息科学实践技能的学习和运用提供理论基础[9]，同时作为一门对学生动手能力要求较高、实践性较强的课程，课带实验教学将为测绘工程本科专业人才从事生产实践提供技术和能力支撑[10]。

GIS原理课程的理论知识教学和课带实验教学是有机统一的整体，他们之间是相互联系、相互促进与相互转换的，理论知识为实践实验提供理论支撑，并转换为实践知识，实践实验为理论知识的检验与应用提供了途径。课带实验教学过程不仅要掌握ArcGIS等地理信息软件数据处理过程，同时要反哺理论知识，理论知识教学不仅要掌握GIS原理相关理论、算法与模型，同时要联系实践与实验加强理论知识理解，服务实际工程应用。

二 实验与理论教学存在的问题

GIS原理课程的学习目标为学生理解并系统掌握地理信息系统的基础理论知识与技术方法，同时通过课带实验课程的学习，培养学生利用地理信息系统相关理论、方法与技术对测绘地理信息领域复杂工程问题进行设计、处理、分析与表达的能力，为学生今后从事地理空间信息科学领域的科学研究、工程技术应用及管理工作奠定基础。可见，GIS原理课程理论知识的学习最终是要服务于生产实践，但目前GIS原理的教学目前普遍存在以下问题。

（一） 课带实验教学仍然采用“老师演示，学生模仿”的方式

GIS原理课带实验主要基于ArcGIS等地理信息软件，对空间数据进行处理与分析，以验证课程理论知识（验证性实验）或培养基于理论知识解决复杂实际工程问题的能力（综合性实验）。目前的实验教学方式主要为“演示+实验作业”的形式[11]，即课堂上老师现场操作ArcGIS等软件，实现老师演示灌输式教学，学生死记硬背老师实验操作软件过程，形成学生模仿式学习。但该教学方式使学生失去了学习思考的主动性、探索性和积极性，同时由于ArcGIS等地理信息软件功能十分复杂，该教学方法很难让学生完全掌握ArcGIS软件功能。如实验“地图投影及其变换”，传统的实验教学方法为老师在课堂上按照步骤完成地形图的配准，老师二十分钟即可完成整个实验操作，学生在老师操作软件完成后，模仿老师半小时即可完成该课带实验。但该实验涉及大量地图学和地理信息的基础核心知识，如地图的分幅与编号、高斯-克里格投影的相关理论与应用、空间坐标变换相关理论等。采用“老师演示灌输，学生模仿”的教学模式，学生机械性地完成了实验，未经过主动性思考，无法实现通过实验反哺与加强理论知识，完成知识内化。

（二） 重知识，轻能力，知识向能力转化效率低

GIS原理专业课程的教学活动中普遍存在“重理论、轻实验、协调难”以及理论教学与实验教学截然分开的现象，进而忽视二者的互动性、互促互进性和统一性，使得实验教学对学生能力的培养以及理论教学对实验教学的促进难以协调统一，理论知识不能有效转换为动手实践能力。如课程第七章“GIS基本空间分析”与工程实践密切相关，“叠置分析”等基本空间分析在工程项目实践中得到广泛应用。但在理论讲授过程中，更多强调空间分析的概念、算法和模型等抽象理论，而不联系工程项目实践，使学生缺乏将理论转化为实践的能力。同时理论与实践脱离不仅使学生失去了对理论知识学习的兴趣，也无法让理论知识有效指导实践。

（三） 学习目的性不强，实践动手能力差，缺少解决复杂工程问题能力

GIS原理是测绘工程本科专业地理信息工程方向的主干基础核心课程，但作为测绘科学与地理信息科学的交叉课程，本科生对该课程的重要性普遍认识不足，学习目的性不强。测绘工程专业的就业与服务领域广泛，其工程实践作业主要分为外业和内业，学生在学习过程中更多关注传统测绘数据获取等外业的动手实践，作为支持测绘数据内业处理与应用的主干课程，学生普遍重视程度不够。随着人工智能与卫星遥感等高新技术的发展，测绘的作业模式发生了巨大变化，解决复杂测绘工程问题，除了对专业知识的掌握外，还需具备信息新技术知识的学习和运用能力，以及对测绘数据进行深加工和再分析的能力。而作为与信息技术联系最为密切的内业，GIS原理教学与实践学习效果不佳已经成为学生实践动手能力差，缺少解决复杂工程问题能力的重要原因。

三 理论与实验互促互进教学改革思想

（一） 改变课带实验教学方式

改变现有“老师演示，学生模仿”的实验教学模式，调动学生的积极能动性，形成“老师引导，学生思考与探索”的实验教学模式。“教师引导，学生思考与探索”实验教学方法在实验过程中采用启发教学，老师讲解实验原理与注意事项，引导学生自己思考实验过程，在此过程中实现将实践内化为知识，反哺理论知识，促进对理论知识的理解与系统掌握，同时通过自主探索学习软件的更多功能。如对于课带实验“地图投影及其变换”，在教学过程中，老师不再逐步向学生演示实验软件操作，而是向学生讲解实验原理、涉及的知识点和实验的大概过程，促进学生在实验的过程中发挥积极能动性，强化理论知识的反哺、联系和理解。同时敦促学生学习该实验未用到的部分软件功能，促进对地理信息软件的深度了解和学习。

（二） 理论联系生产实际，实现项目化理论教学

深改传统课程形态结构，颠覆理论知识占绝对主导的育人模式，设计构建新形态课程，实现以“理论知识向实践知识转化”为目标的教学内容设计。在理论知识讲授过程中，理论联系生产项目，实现理论知识向实践知识转化，提高了对学生综合素质、创新能力与科研能力的培养。如在讲授第七章“GIS基本空间分析”时，对于“叠置分析”“缓冲区分析”“窗口分析”和“网络分析”，分别结合“贵阳市人民大道拓宽工程”“贵州省不同茶树品种种植适应性评价”“百度地图电子导航”等具体项目中应用的空间分析方法，帮助学生理解空间分析的概念，同时提高理论知识向实践能力的转化效率。

（三） 采用知识、能力、实践和创新一体化教学模式

在教学过程中要求学生能够应用所学知识、选用先进仪器装备和数据信息处理方法，采用科学方法对测绘领域复杂工程问题开展专业设计、实验、分析与解释数据，对复杂测绘领域工程问题开展预测与模拟研究，并能解释其现象，通过信息综合得到合理有效的结论，实现知识、能力、实践与能力的一体化教学。如“DEM建立与应用”与“三维可视化分析”实验，涉及三维激光雷达、无人机遥感、虚拟现实技术等新技术，且与目前正在实施的“实景三维中国”等国家基础设施项目密切相关。在理论教学和实验教学过程中，将理论知识、实践动手能力和创新能力的培养联系起来，实现一体化教学，以提高学生利用理论知识解决新技术下测绘地理信息复杂工程问题的能力，适应新工科的发展需要。

四 理论与实验互促互进教学改革方法与方案

GIS原理理论知识与课带实验互促互进教学探索与实践的目的是通过理论知识和课带实验教学方法改革，在理论知识教学中联系实践，在课带实验教学过程中反哺理论知识，真正实现理论与实验教学的有效、有机、深度融合，激发学生探索新事物的兴趣、培养理论知识与动手能力具备的高级工程技术与科研人才。在教学中具体实施思路与方案如下。

（一） GIS原理理论知识与课带实验互促互进教学内容

GIS原理课程的理论知识虽然被分为多个章节，但各个章节并不是独立的，而是相互关联的一个整体，而课带实验往往涉及多章的知识内容，可以很好地将各章的知识贯穿连通在一起。为了将理论教学内容与实验教学内容进行有机融合，在实验教学中可以进一步促进GIS原理理论知识的理解与融会贯通，同时通过实验使学生对理论有直观的认识，并对实验背后所隐含的原理有更加清晰和深刻的了解，将GIS原理课程的理论与课带实验融合式教学内容进行设计如图1所示。

（二） 互促互进教学具体内容及过程设计（示例）

以“地图投影及其变换”实验为例，对课带实验与理论知识的互促互进教学进行了设计，如图2所示，其他实验仿照该实验进行设计，以实现理论知识指导实验教学，实验促进理论知识向实践知识转化，并内化为知识。

（三） 互促互进教学实施整体思路

以测绘类企事业单位对测绘工程本科专业学生的现实需求调研结果为依据，以新工科和工程教育认证对工程类专业培养要求为导向，分析现有课带实验与理论知识教学互动性、统一性等教学方面存在的不足，GIS原理课程具体的理论知识与课带实验互促互进教学改革的具体实施思路如图3所示。

（四） 考核方法改革

理论知识与课带实验的互促互进教学是为了培养学生对知识的深度理解并提高实践能力，因此在对学生进行考核时，要有闭卷考试作为结果性考核方式和实验实践作为过程性考核方式，以综合评判学生对专业理论知识的掌握，同时掌握学生的学习态度、动手实践能力以及团队合作精神等，增强学生综合素质等能力的培养和提高[12]。

1  理论考核

书面考试不仅要有选择题、填空题、简答题，以测试学生对地理信息系统基本概念、原理与方法的理解与掌握，更要具有一定比例的综合性试题，用于考核学生综合利用理论知识解决实际复杂测绘地理信息工程问题的能力。

2 实验考核

以学生课带实验的表现作为主要考核标准，主要考查学生在实验时的态度、动手能力和团队协作能力等，同时要求学生在课程规定的时间内完成实验，并提交相关的实验报告。

3 课外实践考核

这种考核方式主要是通过学生参与GIS原理相关的大学生比赛与项目，如全国大学生测绘学科创新创业智能大赛（测绘程序设计比赛、开发设计竞赛和科技论文竞赛）、STR项目、授课老师实际项目，鼓励学生主动结合自己的理论知识和实践能力，对实际问题进行解决和创新。

五 结束语

新工科背景下，不仅要求学生理论知识掌握扎实，同时要具备实践能力和创新思维，并能够打破原有学科的边界，重构新知识体系，将课带实验与理论知识促进共行。作为一门理论与实践综合性极强的课程，GIS原理通过课程实验和理论知识的互促互进融合式教学，促进理论与实践的无缝对接，可以提高学生的学习兴趣和参与度，加深理解和掌握理论知识，促进理论与实践的无缝对接，培养学生的综合能力，帮助学生将理论知识与实际应用相连接，利用所学知识与技能解决各种新问题，从而可以更好地应对未来的工作。

参考文献：

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