地理信息系統(tǒng)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)探討

陳占龍+吳亮+趙雷

摘 要 地理信息系統(tǒng)簡(jiǎn)稱GIS是一種最典型的信息系統(tǒng)實(shí)例。本文通過對(duì)地理信息系統(tǒng)基本原理內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)，使學(xué)生能更好地了解地理信息系統(tǒng)的產(chǎn)生背景與意義、特點(diǎn)與功能、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展方向;在課堂講授中將GIS中基本的算法，如緩沖區(qū)算法、疊置分析算法等與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使得學(xué)生對(duì)所學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有更深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)加深學(xué)生對(duì)GIS的認(rèn)識(shí)，并初步獲得利用GIS解決問題的能力。

關(guān)鍵詞 地理信息系統(tǒng)課程 教學(xué)設(shè)計(jì) 高等教育

中圖分類號(hào)：G642 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.09.033

Geographic Information System Course Design

CHEN Zhanlong[1]， WU Liang[1]， ZHAO Lei[2]

（[1] Faculty of Information Engineering， China University of Geosciences， Wuhan， Hubei 430074;

[2] Kunming Surveying and Mapping Management Center， Kunming， Yunnan 650500）

Abstract Geographic information system referred to GIS， is one of the most typical examples of information systems. Based on the basic principles of GIS content and design experimental teaching， so that students can better understand the background and significance of geographic information systems， features and functions， applications and development direction; taught in the classroom will be a fundamental GIS algorithms， such as buffer algorithm， overlay analysis algorithms， data structures and computer combined so students have learned a deeper understanding of data structures， while deepening understanding of GIS students and initially acquire capacity to use GIS to solve problems.

Key words GIS; teaching design; higher education

0 序言

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）結(jié)合了地理學(xué)、地圖學(xué)、 遙感及計(jì)算機(jī)科學(xué)，已被廣泛應(yīng)用于在不同的領(lǐng)域。地理信息系統(tǒng)在信息專業(yè)中是一門難度較大的課程。GIS中的許多基本算法如：空間分析算法、疊置分析算法、緩沖區(qū)分析算法等都會(huì)用到以后的以空間信息為基礎(chǔ)的信息工程專業(yè)中，但由于地理信息系統(tǒng)開課靠前，許多學(xué)生認(rèn)識(shí)不到地理信息系統(tǒng)原理的重要性，學(xué)生普遍的反映是這門課難學(xué)，又枯燥乏味，提不起興趣。因此對(duì)于教學(xué)模式的探討是很有必要的。

1 現(xiàn)階段GIS課程教學(xué)問題分析

21世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、飛速發(fā)展，GIS技術(shù)也日新月異，GIS教育也迎來(lái)了迅速發(fā)展時(shí)期，學(xué)生人數(shù)的迅速擴(kuò)大使得GIS教學(xué)內(nèi)容合和實(shí)踐環(huán)節(jié)嚴(yán)重不足，GIS教育無(wú)規(guī)則、無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循， 教學(xué)內(nèi)容差異巨大。使得指導(dǎo)教師在有限的課程內(nèi)無(wú)法全面地指導(dǎo)學(xué)生，影響了學(xué)生在該課程上的學(xué)習(xí)興趣的發(fā)展、掌握程度的提高及動(dòng)手能力的培養(yǎng)。現(xiàn)階段的GIS課程體系結(jié)構(gòu)不完善，課程設(shè)置具有一定隨意性，課程的目標(biāo)定位也具有盲目性;如GIS課程結(jié)構(gòu)安排上理論與實(shí)踐課程的不均衡性，GIS課程的教學(xué)內(nèi)容也僅局限于課本知識(shí)，且課程章節(jié)之間脫節(jié)，教學(xué)內(nèi)容重復(fù)冗雜;同時(shí)GIS課程的教學(xué)方法也較為單一，拘泥于傳統(tǒng)的講課式授業(yè)而忽視教學(xué)過程設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程案例缺乏等也導(dǎo)致實(shí)踐課程部分的薄弱。

2 教學(xué)任務(wù)與內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)信息工程專業(yè)的實(shí)際教學(xué)需要，將GIS教學(xué)由32學(xué)時(shí)的理論課與16學(xué)時(shí)的算法實(shí)驗(yàn)課組成。教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配如表1所示：

表1

3 實(shí)施過程

GIS課程主要介紹GIS的基本概念與理論、方法。在講授過程中結(jié)合科研項(xiàng)目中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)講解，重點(diǎn)對(duì)GIS中的關(guān)鍵運(yùn)算算子、可視化并行算子、地圖專題圖設(shè)計(jì)、地圖數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之投影方法及坐標(biāo)系進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并利用課堂計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作和基本原理介紹，使學(xué)生對(duì)GIS相關(guān)功能和技術(shù)產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)。具體實(shí)施過程如下：

對(duì)于序論部分，主要讓學(xué)生了解GIS在信息工程專業(yè)中的定位、以及本課程所包含的基本內(nèi)容，GIS相關(guān)要點(diǎn)在求解實(shí)際問題中的核心地位和基本步驟;使得學(xué)生對(duì)GIS基本概念有初步的認(rèn)識(shí)，對(duì)空間信息處理與分析的意義和作用有基本的認(rèn)識(shí);了解如何利用GIS知識(shí)解決實(shí)際問題，并了解GIS中的基本的概念和分析方法。

對(duì)于地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)部分，主要讓學(xué)生掌握理解棧和隊(duì)列等節(jié)本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概念，熟練掌握棧和隊(duì)列上的常用運(yùn)算，理解和掌握如何使用棧解決GIS的問題;掌握空間數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的區(qū)別與聯(lián)系，理解空間索引的原理與效率分析，了解棧與遞歸的關(guān)系;了解遞歸算法到非遞歸算法的轉(zhuǎn)換機(jī)理和方法以及如何在GIS中進(jìn)行應(yīng)用;掌握如何使用隊(duì)列解決實(shí)際問題。在講解以上知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，筆者嘗試將學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)中函數(shù)調(diào)用過程中用到參數(shù)傳遞以及函數(shù)內(nèi)部成員變量的存儲(chǔ)方式與GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)舉例講解了GIS功能中的棧的使用，同時(shí)對(duì)GIS的空間數(shù)據(jù)管理中的緩存設(shè)計(jì)中的棧的結(jié)構(gòu)實(shí)例進(jìn)行了分析，使得學(xué)生對(duì)該部分的理解更加深刻。

對(duì)于空間分析原理與方法方面，重點(diǎn)讓學(xué)生掌握空間分析的基本原理。同時(shí)，將科研中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行講解，增加學(xué)生的視野。包括多核并行GIS通用算法、高性能基礎(chǔ)空間分析運(yùn)算算子、跨操作系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)引擎及其應(yīng)用接口等。在多核環(huán)境下空間數(shù)據(jù)的分治、空間信息索引框架、索引機(jī)制、空間數(shù)據(jù)的協(xié)同計(jì)算作為高性能GIS的關(guān)鍵技術(shù)問題等。同時(shí)結(jié)合GIS拓?fù)浞治鏊惴ǎ箤W(xué)生掌握?qǐng)D的基本概念，能寫出圖的抽象數(shù)據(jù)類型。理解圖的各種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并能設(shè)計(jì)基于圖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的算法。重點(diǎn)掌握?qǐng)D的周游、最短路徑和最小支撐樹的相關(guān)算法。在講解以上知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，筆者嘗試對(duì)基于圖模型的多邊形自動(dòng)構(gòu)建算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，根據(jù)圖模型中有向閉合環(huán)的特點(diǎn)，對(duì)圖模型進(jìn)行處理，同時(shí)，在該算法中，對(duì)圖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、周游等進(jìn)行了詳細(xì)介紹，使得學(xué)生對(duì)圖這部分的理解更加深刻。

對(duì)于實(shí)踐教學(xué)部分，在教學(xué)中，采用國(guó)產(chǎn)大型GIS軟件MAPGIS系列軟件，重點(diǎn)關(guān)注GIS的空間查詢與存儲(chǔ)處理部分的設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括：設(shè)計(jì)多核計(jì)算環(huán)境下的GIS矢量空間數(shù)據(jù)的存取與處理二次開發(fā)模擬環(huán)境模塊，實(shí)現(xiàn)多核并行計(jì)算環(huán)境下矢量空間數(shù)據(jù)的疊置分析的二次開發(fā)模擬環(huán)境模塊，測(cè)試可用性和易用性。實(shí)現(xiàn)多核并行計(jì)算環(huán)境下矢量數(shù)據(jù)的并行緩沖區(qū)分析運(yùn)行模擬環(huán)境模塊。以多核并行計(jì)算環(huán)境為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)“分發(fā)—回收”模式的高性能空間計(jì)算任務(wù)協(xié)同運(yùn)行模擬環(huán)境模塊。對(duì)GIS中現(xiàn)階段的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)結(jié)合科研經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的講解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)GIS關(guān)鍵技術(shù)的興趣。

4 結(jié)束語(yǔ)

GIS是信息工程專業(yè)的核心專業(yè)課，課堂上理論知識(shí)的講解結(jié)合上機(jī)實(shí)習(xí)操作，既深化了學(xué)生對(duì)GIS基本概念與理論的理解，又提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，結(jié)合科研經(jīng)歷的講授方式極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。作者將理論與科研實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，注重啟發(fā)式教學(xué)，注重夯實(shí)理論知識(shí)、提升動(dòng)手能力和學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，重視教學(xué)反饋、教學(xué)相長(zhǎng)等。采用這種教學(xué)模式不僅使學(xué)生掌握了GIS本身的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)也了解了這些知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，使學(xué)生開闊了視野，取得了較好的教學(xué)效果。

基金項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（ 武漢） 校級(jí)B 類教學(xué)研究項(xiàng)目：基于項(xiàng)目的“雙創(chuàng)型”人才培養(yǎng)模式探索——以信息工程專業(yè)為例;中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（ 武漢） 實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目研究項(xiàng)目：面向多核架構(gòu)的GIS并行實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境開發(fā)

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