智慧城市发展背景下地理信息系统原理课程改革探索

摘 要：智慧城市的兴起给地理信息科学、人文地理学等学科发展和人才培养带来机遇和挑战。地理信息系统（Geographic Information Science，GIS）原理教学是多个学科人才培养的重要环节，但目前的课程教学方法具有一定的局限性，无法满足智慧城市发展背景下的人才培养任务和要求。该文重点探究在智慧城市发展背景下的地理信息系统原理课程教学改革设想，包括理论教学内容设计、实际操作能力培养、师资结构优化等方面。期望通过这些措施的实践，为地理信息科学、城市地理学等领域培养更多具备智慧城市建设素养和GIS技术能力的综合型人才。

关键词：智慧城市；地理信息系统原理；人才培养；教学实践；教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）33-0005-04

Abstract： The rise of smart cities presents both opportunities and challenges for the development and talent cultivation in disciplines such as Geographic Information Science （GIS） and human geography. The teaching of Principles of Geographic Information Systems is a crucial component in nurturing talents across various disciplines. However， the current methods of course instruction have certain limitations and fall short of meeting the demands and requirements for talent development in the context of smart city development. This paper focuses on exploring potential reforms in the teaching of Principles of Geographic Information Systems in the backdrop of smart city development， which includes the design of theoretical content， the cultivation of practical operational skills， and the optimization of faculty structure. This study hopesthat the implementation of these measures will contribute to the cultivation of comprehensive talents in the fields of Geographic Information Science and urban geography， which are with competencies in smart city development and GIS technology skills.

Keywords： smart city; Principles of Geographic Information Systems; talent cultivation; teaching practice; teaching reform

随着全球化加速和技术的飞速进步，城市化已成为当代社会的显著趋势。据联合国数据预测，到2050年，全球将有近70%的人口居住在城市中。这一剧烈的转变使得城市成为了增长的引擎，带动了社会、经济、文化乃至技术的全面发展。然而，城市化的快速发展同样带来了众多挑战，其中最为突出的包括资源配置不均、环境污染、社区分化和基础设施压力等问题[1-2]。为了应对这些问题，人们逐渐寻求利用先进科技创造更加智能和可持续的城市环境，即智慧城市的理念由此诞生。

智慧城市不仅仅是将技术应用于城市管理的过程，它更深层次的内涵在于利用数据驱动的方法优化城市功能，提高居民生活质量，并实现环境的可持续发展。这一理念在过去十年中得到了迅速发展和广泛应用，从而形成了一个人文地理学、地理信息科学、城市地理学等多学科交叉的发展领域，涉及人工智能、大数据分析、物联网技术和云计算等多种前沿科技。这些技术的融合应用，不仅改善了城市基础设施管理，还优化了交通、公共安全、健康管理等多个方面，显著提升了城市管理的效率和效益[3-4]。

在这一背景下，地理信息系统（Geographic Information Science，GIS）显得极为重要。GIS作为一门集合了地理空间数据收集、存储、管理、分析和可视化的技术，是多个地理学专业的核心课程[5]，为城市规划和管理提供了强大的支持。它能够对复杂的城市数据进行有效整合和分析，帮助决策者理解城市结构和动态变化，优化城市资源分配和规划布局。例如在交通管理领域，GIS可以分析交通流量和模式，指导交通疏导和优化公共交通系统；在环境保护领域，GIS有助于监控污染源和评估环保政策的效果。

尽管GIS在智慧城市中扮演着核心角色，但现有的GIS教育模式并不完全满足智慧城市的需求。传统的GIS教育过于侧重于理论知识的传授和基础技能的训练，而忽视了与新兴技术的整合和实际应用能力的培养。此外，智慧城市的建设离不开多学科知识的融合，需要GIS人才掌握跨领域的知识和技能，如人工智能、大数据分析等，以更好地解决城市面临的复杂问题。

因此，GIS原理课程面临着重大的改革压力。本文通过全面分析智慧城市的需求和GIS教育的现状，结合教学实践经验，探讨如何优化课程内容、更新教学方法、加强实践环节和优化师资队伍，以期在智慧城市发展背景下培养出更多具备高级技术能力和全面理解能力的GIS专业人才，从而推动中国式现代化的高质量发展。我们希望通过课程改革不仅提升学生的专业技能，更要增强他们的问题解决能力和创新能力，使其能在未来智慧城市的建设中发挥关键作用。

一 智慧城市对GIS人才的新要求

智慧城市作为城市发展的新范式，在政策的推动下持续快速发展，已经成为引领城市发展核心战略的重要驱动力。从国家各级政策的制定，到参与者在各类智慧城市产业链各环节的积极涌入，再到新兴技术、信息融合、政府数据开放、智慧应用普及和特色小（城）镇发展等因素的影响，都将推动智慧城市建设模式的不断创新，逐步引导市场力量的参与[6-7]。

传统GIS人才与智慧城市专业人才之间存在显著的区别。传统GIS人才通常具备空间分析、地理数据处理和地图制作的技能，而智慧城市专业人才除了这些基础技能外，还需要更广泛的知识和技术能力。首先，需要了解和适应新兴技术的融合，包括物联网（IoT）、大数据、云计算和人工智能等，具备更强的技术综合能力[8]。其次，需要学习计算机、城市规划、生态环境和交通等多领域专业知识，具有跨学科协作和沟通能力。此外，面向智慧城市的GIS人才需要具有解决智慧城市建设中实际问题的能力，如利用GIS技术解决城市规划中的实时交通监控、智能建筑中的能源管理、城市更新中的土地利用效率评估等问题。

二 传统GIS原理课程的不足

传统GIS原理课程由理论课程和实践操作两部分组成，理论课程包括地理信息系统基础概念、地理数据采集与处理、地图制作与可视化、空间分析技能和地理数据库设计与管理等内容，实践操作是通过使用ArcGIS软件，学习创建地图、分析地理现象，并了解地理数据的组织和检索。然而，智慧城市的崛起对GIS原理课程提出了新的需求。在理论方面，智慧城市的复杂性要求GIS原理课程更广泛地涵盖跨学科知识，包括物联网、大数据、云计算等新兴技术，以使学生更好地理解智慧城市系统的综合性质。此外，理论层面还需要强调地理信息系统在智慧城市治理、规划和决策中的战略性角色，以提高学生对GIS在城市管理中战略应用的认识。在实践方面，传统的GIS实践主要侧重于地理数据的采集、处理和制图，而智慧城市需要更多的实际应用能力，应强调实际案例的学习，培养学生在城市规划、交通管理、环境监测等领域中应用GIS解决实际问题的能力。新的需求要求GIS课程更紧密地与智慧城市发展趋势相结合，培养学生全面应对城市管理挑战的能力。

综上所述，智慧城市对GIS课程提出了更高层次的要求，既要求学生具备更广泛的理论知识，又要求他们能够在实际项目中灵活运用这些知识。这不仅需要GIS课程更新内容，引入新的技术和理论，还需要强调实践操作，培养学生更全面、实用的GIS技能，以适应智慧城市发展的多样化需求。

三 GIS课程的教学改革路径

（一） 融合专业知识、课程思政与GIS理论的教学内容设计

课程思政，是当前教育改革的关键组成部分，强调在专业课程教学中渗透思想政治教育，引导学生形成正确的世界观、价值观、人生观。这一教学理念不仅着眼于学科知识的传授，更加强调提高学生的社会责任感和公民意识。在智慧城市的发展背景下，GIS理论课程的教学内容设计必须创新，以适应新时代信息化社会的需求（图1）。

首先，教学内容设计应以GIS理论的专业框架为基础，深度融合智慧城市相关的知识。GIS技术在智慧城市建设中的运用极其广泛，涵盖了数据收集、分析和应用等多个层面。例如通过GIS技术，城市管理者可以对交通流量进行实时监控，优化交通指挥；环境保护部门可以追踪污染源并有效规划绿地；公共安全机构能够通过地理数据提高应急响应效率。因此，教学内容不仅要介绍这些技术的操作方法，更应深入解析其在智慧城市各领域应用的案例，帮助学生全面理解智慧城市的内涵、核心技术及其广泛的应用场景。

其次，课程设计需要融入思政教育的核心理念，注重培养学生的伦理道德观和社会责任感。智慧城市的建设涉及大量的个人及公共数据处理，这不仅是技术问题，更是伦理问题。教学中应引入数据安全、个人隐私保护、信息伦理等内容，引导学生讨论和思考这些问题在智慧城市背景下的具体表现和解决策略。例如探讨如何在提高城市管理效率和保护个人隐私之间找到平衡点，或者如何确保技术应用不加剧社会不平等。

再次，课程应特别注意增强思辨性学习的环节，鼓励学生通过辩论、讨论及小组合作项目，从多角度、多维度分析智慧城市技术的利弊和应用挑战。例如通过分组讨论活动让学生探讨GIS在城市规划中的应用如何影响城市贫困区居民的生活质量，或者如何通过智慧城市技术助力可持续发展目标。通过这些活动，不仅锻炼了学生的批判性思维能力，也为他们将来在此领域的职业生涯打下坚实的基础。

最后，结合课程思政的要求，应设计与智慧城市建设紧密相关的项目任务。通过这种方式，学生可以将GIS理论知识应用到解决具体问题中，如设计一个解决方案来缓解城市交通拥堵，或制定一个方案来优化城市水资源管理。通过实际参与这些项目，学生能够更好地理解和评价自己的设计方案对社会的影响，增强其解决实际问题的能力，强化其作为城市科技工作者的社会责任感。

通过上述多维度、深层次的课程内容设计，GIS理论教学的改革不仅传授专业的技术知识，更通过融合智慧城市知识与课程思政，以培养具有全球视野、责任感和高尚思想品德的综合性人才。这种教学模式的转变，有助于学生在未来职业生涯中更好地服务于“美丽中国建设”和全球智慧城市的发展，为社会作出更大的贡献。

（二） 培养智慧城市发展中GIS应用的实际操作能力

为了有效支持智慧城市项目，GIS课程在培养学生的实际操作能力上必须进行彻底和系统的改革（图2）。这种改革应该基于理论知识，将实际的城市管理案例融入教学中，不仅提高课程的实操性，还要拓宽学生的视野和应用领域。

首先，实践课程的内容设计要紧密结合智慧城市的实际需求。这包括将智慧城市中的现实问题如多规“一张图”、城市体检评估、城市智慧交通和“双碳”等转化为实际操作的课程内容。学生可以通过这些案例来理解GIS在实际中如何进行数据处理、坐标转换、空间统计与分析及数据可视化等操作。

其次，涉及数据安全和隐私的教育是不可或缺的一部分。随着数据泄露事件频发，如何安全地处理和存储数据成为了GIS操作中必须面对的问题。在课程中加入数据安全的教学不仅能增强学生对数据保护重要性的理解，同时也能让他们在未来的工作中更加注意数据处理的合法性和伦理性。通过分析真实世界中的案例，如城市公共安全监控系统数据的保护，学生可以具体了解在不同的国家和地区，数据隐私和安全的法律环境。

再次，课程应该增加更多的开放性项目设计，使学生能够在真实或模拟的智慧城市环境中实际操作并解决问题。通过这样的开放项目，学生不只是使用GIS工具，更是在实际环境中应用他们的知识。这些项目不仅能提升他们的技术能力，也能激发他们的创新思维和解决问题的能力。

最后，教育不仅要围绕现有技术，还应关注未来技术的发展趋势。随着技术的不断进步，GIS软件和工具也在不断更新，未来可能会集成更多先进的技术，如增强现实（AR）、机器学习等。在课程中加入这些内容，可以帮助学生预见技术变迁，并为未来的职业生涯做好准备。

通过这些深入且系统的课程改革，GIS教学不仅能够符合智慧城市的发展需求，还能为学生提供一个全面了解和应用GIS技术的平台，真正做到理论与实践的结合，为学生将来在智慧城市相关行业中的工作打下坚实的基础。

四 其他举措

（一） 师资结构的优化

优化师资结构是培养GIS学生以推动智慧城市建设的重要基石。首先，需要积极引进智慧城市领域的顶尖专家，他们深厚的经验和专业知识能够为学生提供最前沿的智慧城市发展动态、行业需求及挑战[9]。其次，还应积极引进城市规划、环境科学、计算机等跨学科领域的专业教师，以跨学科合作的方式对GIS原理课程进行深度改革，从而为学生提供更加全面、系统的智慧城市技能培养体系[10]。

（二） 教学条件的完善

完善教学条件是确保GIS原理课程改革成功的关键所在。首先，需要不断更新和优化教学设施，确保拥有先进的GIS实验室和技术设备，以满足学生在智慧城市项目中的实践操作需求。其次，还应积极与行业建立紧密的合作机制，促进学校与智慧城市建设相关企业、机构的深度融合。通过校企合作，让学生有更多机会参与到实际项目中，从而更加深入地理解智慧城市的实际需求。最后，还应建设在线学习平台，为学生提供灵活多样的自主学习机会。

（三） 实践能力的强化

鼓励并支持学生积极参与智慧城市相关的竞赛和项目，将课堂所学知识应用于实际情境中，以深化对智慧城市技术的理解和掌握。这不仅是对理论知识的实际应用，更是对学生团队协作、创新思维和解决问题能力的一次全面锻炼。同时，结合本科生导师制，鼓励学生积极参与导师的研究项目，针对不同学生的能力和优势，提供个性化的指导方法，为智慧城市的发展定向培养高素质人才。

五 结束语

在智慧城市的快速发展背景下，以培养能够服务于智慧城市建设的高水平GIS专业人才为目标，不仅是对传统GIS原理课程进行深刻改革的迫切需求，更是当今社会对于跨学科综合型人才培养的殷切呼唤。智慧城市建设的复杂性决定了GIS理论和实践课程改革的探索性特征，每一步前行都伴随着挑战与机遇。

面对这些挑战，期待不同学校能够结合自身学科特色，积极优化专业课程体系和人才培养模式，不断探索和完善改革方案。只有如此，才能确保GIS教育与智慧城市建设的需求紧密相连，为中国的城市高质量发展培养出具备创新能力和实践精神的特色人才。

本文提出的改革举措，旨在为智慧城市与GIS技术的深度融合提供坚实的理论支撑和实践指导。通过持续不断的努力与探索，培养出更多优秀的GIS专业人才，从而为智慧城市的可持续发展贡献智慧和力量。

参考文献：

[1] 苏振坤.基于道路附着系数测算的事故鉴定再现与行车安全距离应用研究[D].徐州：中国矿业大学，2022.

[2] 冯洋.完善城市轨道交通运营机制研究[D].天津：天津商业大学，2013.

[3] 力智华.城市更新理论视角下呼和浩特市智慧水务建设研究[D].呼和浩特：内蒙古大学，2022.

[4] 智慧城市与移动信息化[J].信息系统工程，2013（7）：12-13.

[5] 何媛，袁红，宋秋明，等.3D GIS技术在轨道站点区域地下空间规划的应用探索[J].城市建筑，2021，18（4）：192-195.

[6] 泰华智慧产业集团股份有限公司.智慧城市公共信息管理方法及智慧城市公共信息管理系统：CN201710188794.2[P].2020-01-21.

[7] 木木.我国智慧城市发展的十大趋势[J].智慧中国，2015（1）：45-47.

[8] 周龙飞，张霖，刘永奎.云制造调度问题研究综述[J].计算机集成制造系统，2017，23（6）：1147-1166.

[9] 蒋珣.探究GIS在智慧城市规划中的应用[J].城市地理，2017（8）：56.

[10] 郭仁忠，林浩嘉，贺彪，等.面向智慧城市的GIS框架[J].武汉大学学报（信息科学版），2020，45（12）：1829-1835.