地理信息系統課程新型教學方法初探

岳書平，閆業超

（1.南京信息工程大學 地理與遙感學院，江蘇 南京 210044）

地理信息系統課程新型教學方法初探

岳書平1，閆業超1

（1.南京信息工程大學 地理與遙感學院，江蘇 南京 210044）

在分析GIS課程性質及特點的基礎上，針對當前GIS教學中存在的教學手段單一、理論與實踐失衡及課程考核方式單一等問題，提出了充分利用現代信息技術和網絡資源、構建不同層級的實踐教學體系、增加課程考核次數等相應措施，以期得到較好的教學效果，實現既定的教學目標。

地理信息系統；教學改革；教學方法

GIS是傳統科學與現代技術結合的產物，是多種學科交叉的產物。隨著相關科學與技術的不斷發展，GIS的內涵也在不斷深化，從最初的采集、存儲、管理、分析和顯示有關地理現象的技術系統逐漸發展成一門學科，形成了完整的理論體系和學科體系。進入21世紀，隨著遙感等信息技術、互聯網技術、計算機技術等的應用和普及，地理信息系統已經從單純的技術型和研究型逐步向地理信息服務層面轉移。目前，GIS憑借其快速處理和分析信息的優勢，已成為國家宏觀決策和區域多目標開發的重要技術工具，在資源管理、規劃設計、災害監測、醫療衛生、國防以及軍事上都有廣泛的應用[1]。隨著應用領域的擴展和應用程度的不斷加深，GIS理論研究和技術方法也日益受到重視。作為3S技術的核心之一，GIS 課程將地理空間基礎理論、地理信息系統技術方法和地理信息系統的實踐融為一體，使學生在學習地理信息系統技術方法的同時，掌握與地理信息系統技術實現和方法應用有關的基礎理論，從而真正領會GIS技術的科學性、技術性和實踐性。因此，GIS課程對地理信息系統及相關專業的學生來說是非常重要的一門專業基礎課[2]。

1 GIS課程的性質及特點

地理信息系統課程是地理信息系統專業本科生的專業主干課程，通過該門課程的學習，使學生掌握地理信息系統的基本原理、基本方法、常用GIS軟件的操作，要求學生牢固地掌握地理信息系統的組成、空間信息的描述、空間數據結構、空間數據庫的建立、空間數據模型的建立、空間分析方法、空間數據的可視化等方面的知識，為后續其他GIS課程的學習打下基礎。跟GIS的發展歷史緊密相關，GIS課程也體現出如下特點：

1）多學科交叉，綜合性強。GIS集成了地理學、地圖學、測繪學、遙感科學、計算機科學、數據庫、信息科學等相關的理論和技術，是多種學科交叉的產物，研究領域廣泛。但是，由于涉及領域跨度比較大，在GIS課程教學中要求學生既要具有地理學的相關知識，也要具有計算機科學、遙感及地圖學等方面的基礎。并且要注意相關課程開設的先后順序，比如，地圖學、測量學、計算機基礎等課程作為基礎課程，應該在GIS課程開設之前進行，遙感原理課程可與GIS課程同時開設，這樣才能使學生學習起來更容易理解和掌握。在GIS教學中，既要考慮計算機應用與軟件開發能力的培養，傳遞GIS與計算機領域最前沿的理論方法研究動態，又要充分注重培養學生利用GIS技術解決實際問題的能力。一個GIS專業的本科生起碼要掌握一門計算機語言，掌握2種以上常見GIS軟件操作，并具有二次開發能力。因此，要鼓勵學生在認真學習GIS基本理論的同時，自學一門編程語言，如Java、C++、.Net、Python等，并能結合GIS二次開發語言進行系統開發。

2）理論性與應用性并重。GIS是在地理學研究和生產實踐的需求中產生的，GIS的應用促使技術系統不斷完善，并逐漸發展了GIS的理論；理論研究又指導開發新一代高效GIS，并不斷擴展其應用領域，加深應用的深度；GIS的應用，又對理論研究和技術方法提出了更高的要求，這3個方面的內容是相互聯系相互促進的[3]。因此，GIS把基本理論研究、技術系統設計和應用方法研究3方面作為自己的研究內容，它既是一門基礎理論科學，又是一門應用性較強的技術性科學。在GIS教學中，要求教師具有較高的素質和技巧，對于基本理論中的重點、難點要給學生講清楚。例如，在講解空間疊合分析時，可以通過實例分析的方式闡明空間疊合分析的基本原理及實現方法。同時，為了培養學生的創造性思維能力和利用GIS解決實際問題的能力，在講授基本原理的同時，采用ArcGIS軟件現場演示clip、erase、union、identity等空間疊合分析命令，通過對比疊合分析前后圖形數據和屬性數據的變化，使學生理解和掌握空間疊合分析的基本原理及不同類型疊合分析之間的區別，然后在實踐教學中通過“市區擇房分析”這個實例，讓學生將基本理論與實際應用結合起來，既有利于對抽象理論的理解，又可以提高學生運用GIS解決實際問題的能力。

3）基礎性與前沿性相結合。自20世紀60年代提出以來，GIS發展至今已有50多年的歷史，它已經形成了完整的理論體系，成為人類認識自然、改造自然的重要基礎性手段和技術方法。目前，GIS也已廣泛應用到土地利用、資源管理、環境監測、交通運輸、城市規劃、災害防治、經濟建設及政府各職能部門和企業管理部門等，幾乎深入到社會生活領域的各個角落。隨著社會需求的不斷增加和相關技術的日益成熟，GIS也表現出不同的發展趨勢，比如移動GIS、Open GIS、3D&4D GIS、Cyber GIS等[4]，GIS技術的發展和更新速度可謂日新月異。因此，GIS表現出基礎性與前沿性相結合的特性。作為地理信息系統專業的核心課程，該課程授課中，在介紹地理信息系統的基本原理與技術方法的基礎上，要將基礎知識與GIS前沿問題結合，要求教師緊跟研究熱點，及時更新教學中所用實例，拓寬學生的研究思路與創新思維。例如，近年來最熱門的是以云計算技術為代表的高性能GIS，在GIS課程中及時添加相關信息，講解異構空間數據集成技術、異構功能資源集成技術及異構功能資源的互操作與搭建式開發技術等云GIS關鍵技術，移動GIS與云GIS及大數據的關系等等，讓學生在掌握基礎理論的同時，及時了解GIS的發展前沿，增加學生的學習興趣，拓寬學生的知識面。

2 目前GIS教學中存在的主要問題

據不完全統計，目前國內有180多所高校開設了地理信息系統專業。圍繞GIS課程教學改革，不同學者也都結合自身實踐經驗從不同角度進行了分析。總體來看，目前GIS教學中主要存在以下問題：

1）教學手段單一，內容局限于課本知識，抽象難以理解。相對于地理學、測繪學等專業而言，地理信息系統屬于新興學科，因此在GIS的教學和研究方面積累不足，相關教材不多且比較抽象，再加上當前國內的GIS教材內容重復較多、更新速度慢，存在滯后現象。這種狀況與GIS在現實社會中的廣泛應用不相適應，諸多的應用實例并沒有體現在教材中，致使目前以課堂講授為主的“填鴨式”教學中，教學內容也主要局限于課本上的理論知識。學生聽起來感覺非常抽象，難以理解、枯燥乏味，無法激發學生的學習興趣，致使學生學習效率低下，對應該掌握的知識點理解不透，囫圇吞棗，無法奠定扎實的專業基礎，不利于后續開設的相關課程的理解。

2）在理論與實踐的教學中，過于偏重理論，實踐教學內容缺乏層次性。GIS課程的理論性和技術性都很強，來源于實踐，應用于實踐，應用性非常強[5]。但是，從理論和實踐教學的課時分配來看，當前的GIS教學模式主要強調對理論知識的掌握，弱化了 GIS 專業的實踐性特點。教師在教學過程中也往往會避重就輕，學生的實踐能力沒有充分重視，致使學生在學習 GIS中未能真正學有所用，出現實習、實踐環節薄弱等問題[6]。例如，筆者所在的大學測繪工程專業所開設的地理信息系統原理課程，總課時為32學時，其中實習課為4學時，僅占總學時的1/8，大多數學生反映上機實踐時間偏少，無法在課堂上完全掌握實踐教學的所有知識點。目前，很多高校即使開設了實踐課程，也基本停留在實踐教學的初級階段。在實踐教學內容的設置中，主要以驗證性、認知性的實踐內容為主，課堂上學生按照老師既定的實習內容，根據實踐指導書按部就班地模擬一遍，缺乏綜合性、分析性的實踐內容。這種僅以知識的驗證或者再現為基本目的的傳統實踐教學模式，不能很好地訓練學生解決實際問題的能力，更不利于培養學生善于思考和自主創新的能力。此外，GIS實踐內容主要通過個人努力完成，不注重培養團體合作意識。

3）課程考核形式單一，難以反映學生的真實水平。與國內中小學考試形式類似，目前大多數高校還是以閉卷考試為主，對于課程的考核也是通過學期末的最后一次考試成績作為對學生成績的考量指標。所以，為了考出好成績，對于一些抽象的概念，學生即使沒有真正理解其內在的涵義，單憑死記硬背也能考出不錯的成績。這種考核方式使學生在平時課堂上不認真聽講，課后也不復習，只是在期末考試前突擊一下；另外，單純的閉卷考試形式容易誘導學生重理論輕實踐，僅憑一次卷面成績難以反映學生們對基本理論知識的掌握程度和實際的操作能力，單一的考試形式必然存在諸多弊端。開設GIS課程的目的不只是讓學生掌握基本理論，最終目的是提高學生的應用能力和動手能力。因此，必須改進當前的課程考核形式，尋求一種能反映學生真實水平的考核方式。

3 GIS課程新型教學方法的探討

1）充分利用現代信息技術，將多媒體教學與傳統教學手段相結合。縱觀GIS的發展歷史不難看出，GIS的發展與計算機技術的迅速發展密不可分。為了能更好地體現GIS課程的基本理論和前沿技術，改善教學效果，必然要充分利用新型的教學技術。多媒體教學圖文并茂、動靜結合，利用相關軟件對教學內容進行分析、歸類、總結、比較，可以直觀地以文字、圖片、音頻、視頻、動畫等方式展示各種枯燥的教學內容，給學生提供了更豐富全面的知識和信息，讓教學過程變得生動、親和，可以提高課堂效率。多媒體教學以其顯著的優勢成為現代化教學的主要方法和手段之一，也成為實現現代教學內容的有效途徑。但是，多媒體教學也會存在不足之處，比如，對公式的推導，如果只是簡單地以課件形式進行演示，沒有詳細的推導過程，則無法加深學生對公式的理解。因此，在GIS課程教學中，應該將多媒體教學與傳統的板書教學結合起來，運用多媒體展示大量的相關信息，利用板書循序漸進地講解知識點，二者的有效結合才能使學生接受并盡可能地當場消化教學中的重點和難點。

2）建立網絡GIS教學、測驗及答疑系統。網絡在促進GIS發生質變的同時，也成為GIS課程的一種新型教學方式。在網絡如此發達的時代，可以充分利用網絡資源建立GIS課程教學網站，任課教師可上傳教學視頻、教學大綱、教案等教學資料至網絡共享，學生可以隨時、隨地借助電腦、智能手機等終端訪問教學網站[7-10]。通過發微博、在線留言的方式，學生之間可以隨時討論問題、交流學習心得，教師也可隨時與學生互動，在線答疑并了解教學效果[11,12]，充分合理地利用網絡教學，可以彌補課時限制的缺陷，特別是上機操作課時較少的限制。教師可以通過網絡布置作業，上傳作業文檔，學生在線完成作業并提交作業成果，然后由教師負責在線批改，并了解學生對知識點的掌握情況。除此之外，還可利用網絡進行在線測驗，將每章中需要掌握的知識點匯集成題庫，測試學生對相關內容的理解，期末考試之前還可以通過網絡隨機抽取試題自動形成樣卷，讓學生自主練習以達到熟練掌握的目的。

3）重視GIS實踐教學，構建不同層次的實踐教學體系。GIS是一門理論性和技術性都很強的學科，GIS課程應強調針對性和實用性，重視實踐教學環節，適當增加實踐課時，不同學校所開設的GIS課程的總課時量是不同的，但是一般來說實踐課時量應不少于總課時量的1/3，比如，美國喬治梅森大學地理信息系統導論課程每次上課總時間為145 min（中間的休息時間除外），其中實踐教學時間為50 min，每次課中都有實踐教學，理論教學與實踐教學相互交叉，通過實踐教學幫助學生理解和消化抽象的理論教學內容[13]。另外，目前的GIS實踐教學多以軟件應用為主，但簡單地跟著老師進行機械操作是萬萬不行的[14]。實踐教學需要按內容分段、分級進行，設置認知性實驗、綜合性實驗、設計性實驗三級教學實驗內容，逐步形成不同層次、不同等級的獨具特色的實踐教學體系。認知性實驗用于幫助學生熟悉ArcGIS等常用GIS軟件的基本操作，理解GIS理論中的相關概念。比如，給學生提供1幅校園規劃圖，讓學生自己拿GPS在校園內采集控制點，然后生成點狀分布圖層并對校園規劃圖進行幾何糾正，之后再對糾正后的圖層進行數據的采集與編輯，使學生更好地理解幾何糾正和地圖投影，并熟悉數據采集、編輯的具體操作和流程。綜合性實驗以案例分析的形式，使學生學會運用GIS理論和技術解決實際問題。在實踐教學中，筆者運用了湯國安教授《ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程》一書中的“市區擇房分析”為案例[15]，通過該實習既可以讓學生熟悉疊加分析、緩沖區分析等空間分析操作，還可以讓學生深刻體會到GIS在現實生活中的應用，激發學生的學習興趣。設計性實驗是在學生熟悉相關軟件操作及基本功能的基礎上，通過提出相關問題讓學生發散思維，自主設計實驗內容、實驗數據，最終找到解決問題的答案。為了鍛煉學生獨立思考問題的能力和動手能力，筆者設計了“3S技術在學校選址中的應用”，讓學生自己設計實驗方案和實驗步驟，獨立完成實習內容，老師根據學生提交的實習結果和實習報告進行評分。

4）增加課程考核次數，豐富課程考核方式。為了充分體現學生的真實水平，可以增加平時考核的次數。國外大學通常將考試分為若干次，每次考試的成績均按一定比例計入最終成績，這樣有利于督促學生實時掌握已學內容。在出題時適當增加實踐操作題目或應用型題目，或者將其中的某幾次考試完全以上機操作的形式進行，這樣有利于提高學生的學習積極性、主動性與創造性。除了以考試形式進行考核外，還可將平時出勤情況、作業情況、實習報告等內容也納入課程考核體系，根據學生的卷面成績，參考學生的平時表現，從不同角度來考核學生的理解、綜合和創新能力。美國喬治梅森大學地理與地理信息科學系對于地理信息系統導論這門課的考核由5部分組成：上機作業、出勤/小測驗、考試1、考試2、期末考試。其中，上機作業占50%，可見其對實踐課程的重視程度；出勤/小測驗占10%，該校學生幾乎每月都有一次小測驗，通過這些小測驗可以督促學生及時復習已學內容；3次考試中，期末考試占20%，另外兩次考試各占10%[13]。近年來，在實際教學過程中筆者對課程考核形式也進行了嘗試，在最終成績的計算中，出勤、作業/實習報告占20%；期中考試成績占10%；期末考試成績占70%。

4 結 語

進入21世紀，地理信息已經成為非常重要的資源，GIS在現代社會經濟中的應用也越來越廣泛，GIS教育日益受到重視。面對當前GIS教學中存在的問題，筆者結合6 a來地理信息系統原理課程的教學經驗，提出了充分利用現代信息技術和網絡資源、構建不同層級的實踐教學體系及增加課程考核次數等相應措施。從目前的教學情況來看，這些措施在教學過程中起到了一定的作用，教學效果良好。為了更好地完成GIS的教學工作，今后要緊跟GIS的發展，調整課程內容，挖掘教學資源，探索更好的教學手段和方法，不斷提高自身的教學水平。

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P208

B

1672-4623（2015）04-0176-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.063

岳書平，博士，主要從事GIS在資源環境領域中的應用研究。

2014-07-23。

項目來源：國家自然科學基金青年基金資助項目（40901062）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目。