地理信息系統(tǒng)專業(yè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程教學(xué)內(nèi)容的思考

摘要：空間數(shù)據(jù)庫(kù)是地理信息系統(tǒng)專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)專業(yè)必修課程，對(duì)學(xué)生掌握空間數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)和管理等相關(guān)知識(shí)起到重要作用。本文從學(xué)科角度和就業(yè)市場(chǎng)需要兩方面，分析了在教學(xué)上存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程總結(jié)，進(jìn)一步梳理空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；空間數(shù)據(jù)庫(kù)；教學(xué)內(nèi)容；實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）43-0232-03

數(shù)據(jù)是信息的具體表現(xiàn)形式，數(shù)據(jù)管理在社會(huì)信息流程中占有重要地位。近年，隨著在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)和處理復(fù)雜地理數(shù)據(jù)的需求越來(lái)越多，GIS（地理信息系統(tǒng)，Geographic information system）中管理和分析的空間數(shù)據(jù)不斷增長(zhǎng)，這些因素都導(dǎo)致了空間數(shù)據(jù)庫(kù)組織與管理成為了近20年來(lái)活躍的研究領(lǐng)域。

一、空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程在高校中的現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)際上成立了許多專門(mén)制定空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)盟，商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)公司推出了針對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理的系統(tǒng)，一些大學(xué)陸續(xù)開(kāi)設(shè)了空間數(shù)據(jù)庫(kù)方面的課程。并且近二十年以來(lái)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的研究已經(jīng)產(chǎn)生了大量的空間數(shù)據(jù)模型、空間操作、空間查詢方面的技術(shù)[1]。在空間數(shù)據(jù)庫(kù)教學(xué)過(guò)程中選擇什么，以及如何更好地在大學(xué)課堂教授空間數(shù)據(jù)庫(kù)的知識(shí)成為高等教育所關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。目前，我國(guó)開(kāi)設(shè)地理信息系統(tǒng)專業(yè)的有超過(guò)170所高校，加上一些科研機(jī)構(gòu)，全國(guó)約有200多個(gè)教育單位，每年培養(yǎng)GIS畢業(yè)生近萬(wàn)人[2]。各高校開(kāi)設(shè)地理信息系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)科背景不同，數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容和教授方法會(huì)形成差異，下面列舉幾門(mén)我國(guó)高校地理信息系統(tǒng)專業(yè)開(kāi)設(shè)的與數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)課程，如數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用與技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理、數(shù)據(jù)庫(kù)原理與技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)原理、空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，從課程名稱上可以得出自教學(xué)內(nèi)容中有些高校偏重原理，有些高校偏重技術(shù)實(shí)踐。從數(shù)據(jù)流的角度來(lái)看，數(shù)據(jù)作為GIS的基礎(chǔ)，在采集、編輯、存儲(chǔ)、管理、查詢、分析、制圖輸出等各個(gè)GIS的應(yīng)用環(huán)節(jié)中都要涉及到。空間數(shù)據(jù)的組織與管理是地理學(xué)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域，時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)、時(shí)空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)管理等方向，無(wú)一不是現(xiàn)今地理信息系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題，因此，可以說(shuō)空間數(shù)據(jù)庫(kù)是GIS的核心，由上述可知，《空間數(shù)據(jù)庫(kù)》課程是一門(mén)較新的GIS專業(yè)課，同時(shí)也是GIS專業(yè)的核心課程，通過(guò)本課程的教學(xué)，目的是讓學(xué)生能夠清楚空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基本概念、基本原理，掌握關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)與空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的應(yīng)用，并能完成合理的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)；同時(shí)掌握Geodatabase相關(guān)理論，能夠應(yīng)用Geodatabase實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)部分學(xué)生要求具備地理信息專業(yè)領(lǐng)域中數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力。因此針對(duì)于學(xué)生能力的培養(yǎng)，如何在《空間數(shù)據(jù)庫(kù)》的教學(xué)中布置教學(xué)內(nèi)容，如何合理地安排教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)我們的教學(xué)工作提出了要求。

二、空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程相關(guān)問(wèn)題

1.學(xué)科體系不同對(duì)教學(xué)內(nèi)容的影響。在我國(guó)涉及地理信息系統(tǒng)的學(xué)科有工學(xué)、理學(xué)和管理學(xué)等，工科學(xué)校注重學(xué)生的工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力，理科學(xué)校更注重培養(yǎng)學(xué)生的地理學(xué)思考和分析能力，但GIS領(lǐng)域人才培養(yǎng)的專業(yè)體系應(yīng)不同于學(xué)科體系的劃分，而是要針對(duì)人才培養(yǎng)的目的來(lái)確定。本科專業(yè)劃分強(qiáng)調(diào)GIS領(lǐng)域各行各業(yè)人才的需求，即為就業(yè)教育，而不強(qiáng)調(diào)專業(yè)教育[3]。

2.畢業(yè)生就業(yè)中存在的問(wèn)題。根據(jù)《2009年中國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)高校畢業(yè)生就業(yè)報(bào)告》及《2010年中國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)高校畢業(yè)生就業(yè)報(bào)告》的調(diào)查結(jié)果顯示，招聘單位認(rèn)為畢業(yè)生自身能力上的不足及學(xué)校課程設(shè)置不合理這兩個(gè)原因，已經(jīng)連續(xù)兩年成為地理信息系統(tǒng)方向就業(yè)困難的主要因素。用人單位關(guān)注求職者的特點(diǎn)中，“擁有較強(qiáng)的動(dòng)手能力，保證短期內(nèi)上崗”這一要求也在近兩年的調(diào)查中處于首要位置。在具體的行業(yè)應(yīng)用中，空間數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)在我國(guó)城市道路交通管理、城鎮(zhèn)社會(huì)信息管理、國(guó)土資源管理等諸多方面都會(huì)使用空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。但是地理信息系統(tǒng)專業(yè)本科畢業(yè)生在這些行業(yè)中能做什么，用人單位面向本科畢業(yè)生提供的崗位是什么性質(zhì)，這些問(wèn)題，對(duì)實(shí)際的教學(xué)工作提出了要求。

3.根據(jù)本專業(yè)教學(xué)計(jì)劃制定課程內(nèi)容。在本專業(yè)的專業(yè)課程當(dāng)中，空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程的先導(dǎo)課程地理系統(tǒng)原理，在該門(mén)課程中空間數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間索引技術(shù)等內(nèi)容會(huì)作為重點(diǎn)講述內(nèi)容，那么，在空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程中如何更好地承接之前學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)，如何布置教學(xué)計(jì)劃。同時(shí)，空間數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?qū)W(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程有什么作用，也是空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程要注意的問(wèn)題。

三、空間數(shù)據(jù)庫(kù)教學(xué)內(nèi)容探討

1.合理組織空間數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容。在針對(duì)于本科生的教學(xué)中，要重視基本概念的講解，為學(xué)生將來(lái)的自我學(xué)習(xí)打下一個(gè)較好的基礎(chǔ)，因此空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程中應(yīng)該涵蓋空間數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)管理、空間查詢語(yǔ)言（SQL基礎(chǔ)及空間查詢）、空間數(shù)據(jù)行業(yè)規(guī)范等內(nèi)容。同時(shí)，在原理部分要對(duì)應(yīng)一定的上機(jī)實(shí)習(xí)，例如在實(shí)際教學(xué)中遇到過(guò)學(xué)生對(duì)Arcgis中的數(shù)據(jù)模型不理解，創(chuàng)建數(shù)據(jù)集的時(shí)候不知道屬性到底是什么，那么在講授地理數(shù)據(jù)模型時(shí)既要講清楚相關(guān)概念，可以以ArcGIS應(yīng)用平臺(tái)中的Geodatabase模型為例，由教師首先在文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建一整套的北京市的數(shù)據(jù)，包含行政區(qū)劃、主干道、軌道交通、餐飲、住宿、文化設(shè)施等內(nèi)容，通過(guò)實(shí)際的例子告訴學(xué)生地理數(shù)據(jù)模型到底是什么，怎么建立模型，怎么通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)集、要素類來(lái)逐層地組織數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表中的每一行代表一個(gè)現(xiàn)實(shí)中的對(duì)象，每一列是對(duì)象特征的抽象，怎么表現(xiàn)數(shù)據(jù)，建立好的模型適用于什么應(yīng)用，這樣使得學(xué)生可以更好地理解原來(lái)較為抽象的概念。在原理內(nèi)容的講解中還要盡量避免和地理信息系統(tǒng)原理、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)等前導(dǎo)或后繼課程的內(nèi)容重復(fù)。

2.圍繞空間數(shù)據(jù)庫(kù)建模開(kāi)展教學(xué)。在教學(xué)過(guò)程中，要讓學(xué)生從初始就注重空間數(shù)據(jù)庫(kù)建模流程。空間數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)和創(chuàng)建與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)流程相仿，也需要經(jīng)過(guò)概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)這樣三個(gè)步驟。這樣，就需要在教學(xué)過(guò)程中要重點(diǎn)講解數(shù)據(jù)庫(kù)的概念設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握通過(guò)對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行需求分析進(jìn)行概念模型設(shè)計(jì)，并掌握概念模型向邏輯模型的轉(zhuǎn)換方法。在這一環(huán)節(jié)中可以引入一個(gè)貫穿于整門(mén)課中的案例，要求學(xué)生按照擴(kuò)展ER模型來(lái)抽象實(shí)體，描繪實(shí)體屬性，并構(gòu)建實(shí)體之間的聯(lián)系；通過(guò)規(guī)則將擴(kuò)展ER模型中的實(shí)體和屬性合理地轉(zhuǎn)換到地理數(shù)據(jù)庫(kù)中的要素類和數(shù)據(jù)集中，并按實(shí)體之間的聯(lián)系建立相關(guān)規(guī)則；最后向建立好的數(shù)據(jù)集導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。同時(shí)，這類內(nèi)容可以讓學(xué)生通過(guò)以分小組討論的方式來(lái)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，以此來(lái)帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。endprint

3.SQL語(yǔ)言及其擴(kuò)展。SQL語(yǔ)言對(duì)于所有數(shù)據(jù)庫(kù)的學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)都是最為核心的部分，因此在空間數(shù)據(jù)庫(kù)教學(xué)中，也應(yīng)該要求學(xué)生掌握SQL相關(guān)內(nèi)容。在ArcGIS等地理信息系統(tǒng)軟件中，對(duì)于屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的查詢都是封裝好的，查詢工作主要通過(guò)點(diǎn)選按鈕以及列表選擇為主，這樣使得學(xué)生對(duì)于創(chuàng)建及查詢數(shù)據(jù)只能看到表面現(xiàn)象，沒(méi)有辦法去了解軟件的底層到底做了哪些工作，為了使學(xué)生能更好地理解數(shù)據(jù)的組織及應(yīng)用，我們?cè)谡n程中就要讓學(xué)生使用SQL來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。在這一教學(xué)內(nèi)容中可以分為以下兩個(gè)階段，第一，掌握標(biāo)準(zhǔn)SQL語(yǔ)言，包括數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建，數(shù)據(jù)的查詢，在這一階段主要用標(biāo)準(zhǔn)SQL語(yǔ)言對(duì)非空間數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。第二，利用Oracle Spatial學(xué)習(xí)擴(kuò)展SQL語(yǔ)言，包括創(chuàng)建具有SDO_GEOMETRY數(shù)據(jù)類型的表、創(chuàng)建控件索引、創(chuàng)建空間索引、插入空間數(shù)據(jù)、利用空間計(jì)算函數(shù)實(shí)現(xiàn)空間查詢等。

4.教學(xué)平臺(tái)的選擇。教學(xué)中緊貼現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展，讓學(xué)生掌握最新的相關(guān)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，例如數(shù)據(jù)庫(kù)中事務(wù)的管理及版本控制等。在授課中選取Geodatabase、Oracle及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中間件ArcSDE這樣三個(gè)空間數(shù)據(jù)組織管理比較成熟的產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行練習(xí)，實(shí)踐內(nèi)容主要圍繞以下幾部分：Oracle中屬性查詢和空間查詢相關(guān)方法、通過(guò)空間算子進(jìn)行查詢、如何在Oracle中進(jìn)行事務(wù)管理；ArcSDE的安裝及其與Oracle的連接配置，ArcSDE的版本管理機(jī)制；在Geodatabase文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)加載，規(guī)則創(chuàng)建以及數(shù)據(jù)組織。

四、集中實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)方法

在完成《空間數(shù)據(jù)庫(kù)》的學(xué)期末，會(huì)有一周的集中實(shí)踐環(huán)節(jié)，主要目的是以實(shí)踐來(lái)帶動(dòng)學(xué)生的積極性，用實(shí)踐來(lái)為學(xué)生解決《空間數(shù)據(jù)庫(kù)》課程中的疑難問(wèn)題。在此期間，教師會(huì)對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，以多人協(xié)作的方式完成所布置的題目，題目以貼近現(xiàn)實(shí)應(yīng)用為主。在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生能夠快速直觀地看到成果是非常重要的，在以往的教學(xué)中，有些實(shí)驗(yàn)練習(xí)一方面是數(shù)據(jù)不貼合實(shí)際，學(xué)生看了沒(méi)興趣，更多的時(shí)候是學(xué)生做完以后沒(méi)有后續(xù)的應(yīng)用支撐，以至于缺乏進(jìn)行的動(dòng)力，我們利用Esri公司的Portal for ArcGIS產(chǎn)品搭建了校內(nèi)的云GIS門(mén)戶，通過(guò)portal能夠?qū)崟r(shí)地將學(xué)生每個(gè)階段的成果作為地圖發(fā)布出來(lái)，在學(xué)生完成題目以后，可以將學(xué)生的作品作為Web應(yīng)用發(fā)布，快速地讓學(xué)生完成空間數(shù)據(jù)的管理與制圖、成果的發(fā)布與共享。這樣的話，學(xué)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(duì)于地理信息系統(tǒng)專業(yè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)教學(xué)，要培養(yǎng)學(xué)生的廣泛的知識(shí)面并貼近實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)做好以下環(huán)節(jié)：（1）為學(xué)生打好地理信息系統(tǒng)相關(guān)的知識(shí)基礎(chǔ)，進(jìn)一步夯實(shí)空間數(shù)據(jù)庫(kù)中的基礎(chǔ)概念。（2）設(shè)計(jì)課程緊跟就業(yè)需求，在講課過(guò)程中，以成熟的地理信息系統(tǒng)應(yīng)用為案例，引起學(xué)生的興趣，然后再講解相關(guān)的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。（3）結(jié)合現(xiàn)實(shí)中常用的地理信息系統(tǒng)應(yīng)用，例如百度LBS云或者Arcgisonline中的中國(guó)地圖集，演示其中的地圖數(shù)據(jù)和功能，讓學(xué)生先有直觀認(rèn)識(shí)和體會(huì)，再結(jié)合課程中的原理，讓學(xué)生有的放矢，學(xué)習(xí)目的性更加明確。（4）在優(yōu)化空間數(shù)據(jù)庫(kù)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)的同時(shí)，從上機(jī)實(shí)習(xí)和集中實(shí)踐2個(gè)方面提高教學(xué)質(zhì)量，體現(xiàn)專業(yè)特色，提高地理信息系統(tǒng)專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

[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(guó)安.我國(guó)GIS專業(yè)高等教育現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2013，（6）：26-31.

[3]史培軍，李京，潘耀忠，陳軍，劉慧平，王平.中國(guó)地理信息系統(tǒng)學(xué)科建設(shè)與人才培養(yǎng)探討[G].首屆全國(guó)“地理信息系統(tǒng)”專業(yè)教育研討會(huì)，北京，2003.

[4]楊春成，張清浦.Oracel8i新特性及其在空間數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，19（4）：296-299.

基金項(xiàng)目：“北京聯(lián)合大學(xué)人才強(qiáng)校計(jì)劃人才資助項(xiàng)目（BPHR2012E01）”；“北京市屬高校教師發(fā)展基地研修項(xiàng)目”

作者簡(jiǎn)介：朱海勇，講師，北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院。endprint