GIS專業(yè)《空間數(shù)據(jù)庫》教學(xué)內(nèi)容與方法探討

沈敬偉　周廷剛　郭麗敏　孫晨陽　楊樺

摘要總結(jié)了《空間數(shù)據(jù)庫》的課程定位，并對教材內(nèi)容進行簡要對比，認(rèn)為該課程存在涉及內(nèi)容較多、理論比較抽象、教學(xué)難度較大的特點，其教學(xué)內(nèi)容和方法有待深入探討。在教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，強化教學(xué)實踐，采用多樣化的教學(xué)方法和手段3個方面探討了教學(xué)方法改進的具體出路。實踐證明達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 《空間數(shù)據(jù)庫》；地理信息系統(tǒng)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

中圖分類號S-01文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）04-01270-02

基金項目重慶市高等教育教學(xué)改革研究項目（1203114）研究成果。

作者簡介沈敬偉（1984-），男，河北雞澤人，講師，博士后，從事地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。

空間數(shù)據(jù)庫是描述與特定空間位置有關(guān)的真實世界對象的數(shù)據(jù)集合[1]。隨著空間數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的逐漸深入，很多學(xué)校開設(shè)了《空間數(shù)據(jù)庫》這門課程。目前，《空間數(shù)據(jù)庫》課程教學(xué)還存在一些問題：①教學(xué)中涉及的內(nèi)容較多，既包含空間數(shù)據(jù)的抽象過程，又包含空間數(shù)據(jù)的計算機表達(dá)；既包含關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)，又包含對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)；既包含空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，又包含空間數(shù)據(jù)庫的運行和維護等。②《空間數(shù)據(jù)庫》理論比較抽象，由于空間數(shù)據(jù)涉及二維或者三維空間，建構(gòu)在空間數(shù)據(jù)之上的空間數(shù)據(jù)索引和空間查詢等要比常規(guī)的屬性數(shù)據(jù)相應(yīng)的理論抽象得多。③《空間數(shù)據(jù)庫》教學(xué)難度較大，不僅包含理論知識的學(xué)習(xí)，還包含相應(yīng)的教學(xué)實踐。西南大學(xué)在《空間數(shù)據(jù)庫》課程教學(xué)過程中不斷探索，積累了一些經(jīng)驗，取得了較好的效果，以下對《空間數(shù)據(jù)庫》課程的教學(xué)內(nèi)容和方法進行探討。

1 《空間數(shù)據(jù)庫》課程定位

通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展歷程、空間數(shù)據(jù)的管理方法、空間數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，以及空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展趨勢，從而具備一定的空間數(shù)據(jù)庫管理能力和編程開發(fā)能力，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

從近些年已出版的《空間數(shù)據(jù)庫》教材來看，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對《空間數(shù)據(jù)庫》的內(nèi)容進行描述，如表1所示。從表1可以看出，《空間數(shù)據(jù)庫》教材內(nèi)容差異較大，形式多樣。

為此，結(jié)合地理信息系統(tǒng)專業(yè)的特點和本課程的教學(xué)目標(biāo)，選取合適的教學(xué)內(nèi)容，強化教學(xué)實踐，改善教學(xué)方法和手段成為必然選擇。

2優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、測繪科學(xué)等技術(shù)的進步，空間數(shù)據(jù)的管理已從二維、靜態(tài)和單機管理發(fā)展到多維、動態(tài)和分布式管理。如果在有限的教學(xué)時間內(nèi)涉及三維空間數(shù)據(jù)庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫和分布式數(shù)據(jù)庫等內(nèi)容，顯然不利于學(xué)生對課程的消化和吸收。因此，在《空間數(shù)據(jù)庫》課程教學(xué)中，必須對內(nèi)容進行取舍。空間數(shù)據(jù)庫的核心在于空間數(shù)據(jù)管理。因此，在課程的教學(xué)中，以空間數(shù)據(jù)管理為主線，其他教學(xué)內(nèi)容都圍繞這一條教學(xué)主線展開，如圖1所示。

《空間數(shù)據(jù)庫》教學(xué)主線在文件管理方式中，空間幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)均采用文件進行管理，因此，重點對矢量、柵格、影像數(shù)據(jù)的文件組織方式進行講授。文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理方式中，幾何數(shù)據(jù)采用圖形文件管理，屬性數(shù)據(jù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行管理，因此，課程的教學(xué)內(nèi)容關(guān)鍵在空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的組織及聯(lián)系形式。全關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理中，屬性數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)同時采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行管理，因此，課程教學(xué)中需要著重講解幾何數(shù)據(jù)的大二進制字段存儲方式。基于中間件的空間數(shù)據(jù)庫管理中，中間件負(fù)責(zé)組織空間數(shù)據(jù)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的存儲，也是空間數(shù)據(jù)的訪問通道，關(guān)系數(shù)據(jù)庫僅僅是存放空間數(shù)據(jù)的容器，因此，教學(xué)過程中，需要對空間數(shù)據(jù)引擎的工作原理，以及基于空間數(shù)據(jù)引擎的數(shù)據(jù)存儲和訪問模式進行講解。對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理中，對現(xiàn)有的關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行擴展，增加空間數(shù)據(jù)類型，解決了空間數(shù)據(jù)存儲問題，需要重點講解擴展的空間幾何字段，以及建構(gòu)在空間幾何字段之上的空間函數(shù)。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理是面向?qū)ο蠹夹g(shù)與數(shù)據(jù)庫管理的結(jié)合體，除具有面向?qū)ο蟮母拍詈头椒ㄖ猓€具有傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的所有功能，因此，需要講解面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的核心概念，以及空間數(shù)據(jù)的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫存取方案。

確定空間數(shù)據(jù)管理這一教學(xué)主線后，空間數(shù)據(jù)庫模型、空間數(shù)據(jù)索引、空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計等章節(jié)內(nèi)容設(shè)計上都要圍繞圖1中的教學(xué)主線展開。

根據(jù)西南大學(xué)學(xué)生開設(shè)專業(yè)課的情況，本課程的學(xué)時安排為54學(xué)時，課程教學(xué)分為理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩大部分，其中理論教學(xué)42學(xué)時，實踐教學(xué)12學(xué)時。結(jié)合課程的教學(xué)目標(biāo)，理論教學(xué)內(nèi)容安排見表2。

3 加強教學(xué)實踐

《空間數(shù)據(jù)庫》是一門實踐性很強的課程，因此實踐教學(xué)在整個教學(xué)過程中處于重要地位。理論教學(xué)和實踐教學(xué)是相輔相成的，加強教學(xué)實踐能夠使學(xué)生理論結(jié)合實踐，鞏固對理論知識的學(xué)習(xí)，并且強化學(xué)生的動手能力和獨立解決問題的能力。根據(jù)圖1中的教學(xué)主線，筆者安排了12個學(xué)時的實踐課程，精心設(shè)計了6個《空間數(shù)據(jù)庫》方面的實驗，如表3所示。

在教學(xué)實踐的過程中，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，避免“填鴨式”的教學(xué)。在實驗過程中，明確教學(xué)實踐的內(nèi)容，細(xì)節(jié)部分由學(xué)生自由發(fā)揮。例如，在“db4o的空間數(shù)據(jù)管理”實驗中，僅需要明確實驗?zāi)康模鴮W(xué)生們可以自由選擇使用空間數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)庫訪問模式以及空間數(shù)據(jù)繪制方式。

4多樣化的教學(xué)方式和方法

課堂教學(xué)中采用多媒體和板書相結(jié)合的教學(xué)方式，并發(fā)揮各自的優(yōu)勢。在教學(xué)過程中，標(biāo)題性的內(nèi)容需要書寫到黑板上，使學(xué)生對課程內(nèi)容有一個整體印象。多媒體課件具有信息量豐富、動態(tài)性等特征，因此在教學(xué)過程中，對于一些空間數(shù)據(jù)庫應(yīng)用案例、圖表、動畫等內(nèi)容，可以用多媒體課件進行表達(dá)。例如，在講解四叉樹空間索引的時候，如果照本宣科地介紹四叉樹空間索引的原理，以及插入、刪除和檢索操作，學(xué)生將難以理解。因此，在講述空間索引這一抽象部分的時候，可以利用大量的圖形進行展示。通過圖形化表達(dá)空間索引，能夠使學(xué)生更好地掌握這部分知識。