地理信息系統專業空間數據庫課程教學內容的思考

朱海勇

（北京聯合大學 應用文理學院城市科學系，北京 100191）

地理信息系統專業空間數據庫課程教學內容的思考

朱海勇

（北京聯合大學 應用文理學院城市科學系，北京 100191）

空間數據庫是地理信息系統專業開設的一門專業必修課程，對學生掌握空間數據組織、存儲和管理等相關知識起到重要作用。本文從學科角度和就業市場需要兩方面，分析了在教學上存在的問題，通過對長期的教學實踐過程總結，進一步梳理空間數據庫課程的教學內容及教學方法。

地理信息系統；空間數據庫；教學內容；實踐

數據是信息的具體表現形式，數據管理在社會信息流程中占有重要地位。近年，隨著在數據庫中存儲和處理復雜地理數據的需求越來越多，GIS（地理信息系統，Geographic information system）中管理和分析的空間數據不斷增長，這些因素都導致了空間數據庫組織與管理成為了近20年來活躍的研究領域。

一、空間數據庫課程在高校中的現狀

近年來，國際上成立了許多專門制定空間數據標準的聯盟，商業數據庫公司推出了針對空間數據庫管理的系統，一些大學陸續開設了空間數據庫方面的課程。并且近二十年以來空間數據庫的研究已經產生了大量的空間數據模型、空間操作、空間查詢方面的技術[1]。在空間數據庫教學過程中選擇什么，以及如何更好地在大學課堂教授空間數據庫的知識成為高等教育所關注的一個問題。目前，我國開設地理信息系統專業的有超過170所高校，加上一些科研機構，全國約有200多個教育單位，每年培養GIS畢業生近萬人[2]。各高校開設地理信息系統專業的學科背景不同，數據庫相關課程教學內容和教授方法會形成差異，下面列舉幾門我國高校地理信息系統專業開設的與數據庫相關課程，如數據庫應用與技術、數據庫原理、數據庫原理與技術、空間數據庫原理、空間數據庫技術等，從課程名稱上可以得出自教學內容中有些高校偏重原理，有些高校偏重技術實踐。從數據流的角度來看，數據作為GIS的基礎，在采集、編輯、存儲、管理、查詢、分析、制圖輸出等各個GIS的應用環節中都要涉及到。空間數據的組織與管理是地理學研究的一個重要領域，時空數據挖掘與知識發現、時空數據結構與數據模型、空間數據管理等方向，無一不是現今地理信息系統研究中的熱點問題，因此，可以說空間數據庫是GIS的核心，由上述可知，《空間數據庫》課程是一門較新的GIS專業課，同時也是GIS專業的核心課程，通過本課程的教學，目的是讓學生能夠清楚空間數據庫的基本概念、基本原理，掌握關系數據庫與空間數據庫系統的應用，并能完成合理的數據庫設計；同時掌握Geodatabase相關理論，能夠應用Geodatabase實現數據庫，對部分學生要求具備地理信息專業領域中數據庫的設計開發能力。因此針對于學生能力的培養，如何在《空間數據庫》的教學中布置教學內容，如何合理地安排教學環節，對我們的教學工作提出了要求。

二、空間數據庫課程相關問題

1.學科體系不同對教學內容的影響。在我國涉及地理信息系統的學科有工學、理學和管理學等，工科學校注重學生的工程系統的設計和實現能力，理科學校更注重培養學生的地理學思考和分析能力，但GIS領域人才培養的專業體系應不同于學科體系的劃分，而是要針對人才培養的目的來確定。本科專業劃分強調GIS領域各行各業人才的需求，即為就業教育，而不強調專業教育[3]。

2.畢業生就業中存在的問題。根據《2009年中國地理信息產業高校畢業生就業報告》及《2010年中國地理信息產業高校畢業生就業報告》的調查結果顯示，招聘單位認為畢業生自身能力上的不足及學校課程設置不合理這兩個原因，已經連續兩年成為地理信息系統方向就業困難的主要因素。用人單位關注求職者的特點中，“擁有較強的動手能力，保證短期內上崗”這一要求也在近兩年的調查中處于首要位置。在具體的行業應用中，空間數據庫的應用十分廣泛，現在我國城市道路交通管理、城鎮社會信息管理、國土資源管理等諸多方面都會使用空間數據庫技術。但是地理信息系統專業本科畢業生在這些行業中能做什么，用人單位面向本科畢業生提供的崗位是什么性質，這些問題，對實際的教學工作提出了要求。

3.根據本專業教學計劃制定課程內容。在本專業的專業課程當中，空間數據庫課程的先導課程地理系統原理，在該門課程中空間數據模型、空間數據結構和空間索引技術等內容會作為重點講述內容，那么，在空間數據庫課程中如何更好地承接之前學習過的知識，如何布置教學計劃。同時，空間數據庫能夠對學生學習后續課程有什么作用，也是空間數據庫課程要注意的問題。

三、空間數據庫教學內容探討

1.合理組織空間數據庫內容。在針對于本科生的教學中，要重視基本概念的講解，為學生將來的自我學習打下一個較好的基礎，因此空間數據庫課程中應該涵蓋空間數據模型、空間數據結構、空間數據管理、空間查詢語言（SQL基礎及空間查詢）、空間數據行業規范等內容。同時，在原理部分要對應一定的上機實習，例如在實際教學中遇到過學生對Arcgis中的數據模型不理解，創建數據集的時候不知道屬性到底是什么，那么在講授地理數據模型時既要講清楚相關概念，可以以ArcGIS應用平臺中的Geodatabase模型為例，由教師首先在文件地理數據庫中創建一整套的北京市的數據，包含行政區劃、主干道、軌道交通、餐飲、住宿、文化設施等內容，通過實際的例子告訴學生地理數據模型到底是什么，怎么建立模型，怎么通過數據庫、數據集、要素類來逐層地組織數據，數據表中的每一行代表一個現實中的對象，每一列是對象特征的抽象，怎么表現數據，建立好的模型適用于什么應用，這樣使得學生可以更好地理解原來較為抽象的概念。在原理內容的講解中還要盡量避免和地理信息系統原理、地理信息系統應用技術等前導或后繼課程的內容重復。

2.圍繞空間數據庫建模開展教學。在教學過程中，要讓學生從初始就注重空間數據庫建模流程。空間數據庫的設計和創建與關系數據庫建庫流程相仿，也需要經過概念設計、邏輯設計和物理設計這樣三個步驟。這樣，就需要在教學過程中要重點講解數據庫的概念設計和邏輯設計環節，使學生掌握通過對具體問題進行需求分析進行概念模型設計，并掌握概念模型向邏輯模型的轉換方法。在這一環節中可以引入一個貫穿于整門課中的案例，要求學生按照擴展ER模型來抽象實體，描繪實體屬性，并構建實體之間的聯系；通過規則將擴展ER模型中的實體和屬性合理地轉換到地理數據庫中的要素類和數據集中，并按實體之間的聯系建立相關規則；最后向建立好的數據集導入空間數據和屬性數據。同時，這類內容可以讓學生通過以分小組討論的方式來分析問題和解決問題，以此來帶動學生的學習興趣。

3.SQL語言及其擴展。SQL語言對于所有數據庫的學習來說都是最為核心的部分，因此在空間數據庫教學中，也應該要求學生掌握SQL相關內容。在ArcGIS等地理信息系統軟件中，對于屬性數據和空間數據的查詢都是封裝好的，查詢工作主要通過點選按鈕以及列表選擇為主，這樣使得學生對于創建及查詢數據只能看到表面現象，沒有辦法去了解軟件的底層到底做了哪些工作，為了使學生能更好地理解數據的組織及應用，我們在課程中就要讓學生使用SQL來對數據進行操作。在這一教學內容中可以分為以下兩個階段，第一，掌握標準SQL語言，包括數據表的創建，數據的查詢，在這一階段主要用標準SQL語言對非空間數據進行操作。第二，利用Oracle Spatial學習擴展SQL語言，包括創建具有SDO_GEOMETRY數據類型的表、創建控件索引、創建空間索引、插入空間數據、利用空間計算函數實現空間查詢等。

4.教學平臺的選擇。教學中緊貼現有技術的發展，讓學生掌握最新的相關知識數據庫的管理，例如數據庫中事務的管理及版本控制等。在授課中選取Geodatabase、Oracle及數據存儲中間件ArcSDE這樣三個空間數據組織管理比較成熟的產品來進行練習，實踐內容主要圍繞以下幾部分：Oracle中屬性查詢和空間查詢相關方法、通過空間算子進行查詢、如何在Oracle中進行事務管理；ArcSDE的安裝及其與Oracle的連接配置，ArcSDE的版本管理機制；在Geodatabase文件地理數據庫中進行數據加載，規則創建以及數據組織。

四、集中實踐環節教學方法

在完成《空間數據庫》的學期末，會有一周的集中實踐環節，主要目的是以實踐來帶動學生的積極性，用實踐來為學生解決《空間數據庫》課程中的疑難問題。在此期間，教師會對學生進行分組，以多人協作的方式完成所布置的題目，題目以貼近現實應用為主。在實踐環節中，讓學生能夠快速直觀地看到成果是非常重要的，在以往的教學中，有些實驗練習一方面是數據不貼合實際，學生看了沒興趣，更多的時候是學生做完以后沒有后續的應用支撐，以至于缺乏進行的動力，我們利用Esri公司的Portal for ArcGIS產品搭建了校內的云GIS門戶，通過portal能夠實時地將學生每個階段的成果作為地圖發布出來，在學生完成題目以后，可以將學生的作品作為Web應用發布，快速地讓學生完成空間數據的管理與制圖、成果的發布與共享。這樣的話，學生既可以在后期不斷地豐富自己的工作，另一方面也可以把自己的工作展示給其他人，更加具有成就感。

綜上所述，對于地理信息系統專業空間數據庫教學，要培養學生的廣泛的知識面并貼近實際應用，應做好以下環節：（1）為學生打好地理信息系統相關的知識基礎，進一步夯實空間數據庫中的基礎概念。（2）設計課程緊跟就業需求，在講課過程中，以成熟的地理信息系統應用為案例，引起學生的興趣，然后再講解相關的數據模型、數據結構等內容。（3）結合現實中常用的地理信息系統應用，例如百度LBS云或者Arcgisonline中的中國地圖集，演示其中的地圖數據和功能，讓學生先有直觀認識和體會，再結合課程中的原理，讓學生有的放矢，學習目的性更加明確。（4）在優化空間數據庫課程內容結構的同時，從上機實習和集中實踐2個方面提高教學質量，體現專業特色，提高地理信息系統專業學生的實踐能力。

[1]Shashi Shekhar，Siva Ravada，Xuan Liu.Spatial Databases Accomplishments and Research Needs[G].IEEE TRANSACTIONS ON KNOWLEDGE AND DATA ENGINEERING，JANUARY/FEBRUARY 1999，VOL 11：45-55.

[2]湯國安.我國GIS專業高等教育現狀調查與分析[J].中國大學教學，2013，（6）：26-31.

[3]史培軍，李京，潘耀忠，陳軍，劉慧平，王平.中國地理信息系統學科建設與人才培養探討[G].首屆全國“地理信息系統”專業教育研討會，北京，2003.

[4]楊春成，張清浦.Oracel8i新特性及其在空間數據庫實現中的應用[J].測繪學院學報，2002，19（4）：296-299.

G642.0

A

1674-9324（2014）43-0232-03

“北京聯合大學人才強校計劃人才資助項目（BPHR2012E01）”；“北京市屬高校教師發展基地研修項目”

朱海勇，講師，北京聯合大學應用文理學院。