“GIS工程設計”的實驗教學模式研究

郭慶勝,蔡忠亮

(武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079)

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“GIS工程設計”的實驗教學模式研究

郭慶勝,蔡忠亮

(武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079)

摘要：“GIS工程設計”的教學目的是培養(yǎng)學生GIS設計的綜合能力，因此,該課程的實踐教學很重要。本文提出將“GIS工程設計”的實踐教學體系分為基礎實驗和綜合設計兩部分，研究實踐教學安排，改善實習的考核體系和輔助教學方法，形成一套高效的實踐教學模式。

關鍵詞：實驗教學；GIS工程；基礎實驗；教學模式

地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem，GIS)專業(yè)是一個綜合性的多學科交叉的實踐型學科，在教學過程中考慮面向工程和面向應用是非常必要的[1-2]。在“GIS工程設計”課程教學過程中，不僅要培養(yǎng)學生使用GIS軟件構建一個GIS應用系統(tǒng)的能力，還要重視培養(yǎng)學生的GIS軟件設計與開發(fā)能力。因此，在“GIS工程設計”課程中設計科學的實驗內容，探討符合學科特點的教學方法，建立有效的實驗教學模式是非常必要的。

“GIS工程設計”是武漢大學地理信息系統(tǒng)專業(yè)課程體系中一門重要的專業(yè)必修課程，旨在培養(yǎng)學生設計GIS的綜合能力。該課程也是一門涉及多門學科的綜合性課程，在學習這門課程之前, 學生需要學習相關基礎課程, 具備一定的背景知識和扎實的理論基礎。具體來說, 這些課程主要包括: 地理信息系統(tǒng)原理、地圖學、計算機圖形學、計算機程序設計、數據結構、數據庫原理等[3-4]。

“GIS工程設計”也是一門實踐性很強的課程，除了在課堂上用一些案例輔助教學外，還要充分利用基礎實驗和綜合設計等實踐手段。基礎實驗教學作為該課程關鍵的教學實踐環(huán)節(jié)之一,能夠加強學生對課程知識點的理解和掌握。在學生具備一定的GIS設計與開發(fā)的基礎知識之后，就可以進行應用型的GIS開發(fā)綜合性設計。通過綜合性、設計性、研究性的GIS設計與開發(fā)的訓練，能有效地培養(yǎng)學生的專業(yè)性思維方式，提高學生分析專業(yè)問題和解決專業(yè)問題的能力，促使學生養(yǎng)成良好的專業(yè)科學素養(yǎng)。在GIS專業(yè)的實驗教學方面,很多學者探討了開放式實驗教學方法[5]，重點研究了GIS軟件設計中實驗教學的實驗內容[6-11]，并分析了教師隊伍的建設方法[12]。在教學過程中總結出一種比較有效的“1(基礎)+1(綜合)+D(多元環(huán)境)”的實驗教學模式，該模式可以提高學生的自主學習和動手能力，避免扼殺GIS專業(yè)學生的主動性和創(chuàng)新性。

1實驗環(huán)境的選擇

實驗教學重在培養(yǎng)學生實際解決專業(yè)問題的能力，GIS工程與計算機軟件密切相關，因此在實驗教學中應當特別注意選擇所使用的開發(fā)平臺、程序語言和軟件開發(fā)方式。所依據的重要原則是：學生的實驗環(huán)境盡量與當前GIS產業(yè)發(fā)展的需要相適應，面向國家發(fā)展需要[1-2]，面向GIS工程。

.NET平臺是由一組用于建立Web服務應用程序和Windows桌面應用程序的軟件組件構成，包括.NET框架和.NET開發(fā)工具。.NET平臺有很多優(yōu)點：支持多種語言的互操作，可跨多種操作平臺，具有很高的安全性，支持HTTP、XML等各種網絡標準和協(xié)議。如今，多數地理信息系統(tǒng)的開發(fā)均基于COM技術，而.NET平臺對COM技術有很好的支持。同時，該平臺自身的優(yōu)越性也決定了其在開發(fā)地理信息系統(tǒng)中的廣泛使用。C#是從C和C++語言演化而來，是Microsoft專門為使用.NET平臺而創(chuàng)建的。其語法比較簡單，但是功能非常強大，相比其他語言具有很多優(yōu)點，學生學習入門也比較快。

ArcGISEngine(簡稱AE)是用于構建定制應用的一個完整的嵌入式的GIS組件庫。利用ArcGISEngine對GIS進行開發(fā)可以滿足用戶的需求,所設計的應用程序具有直觀、便捷等特點。利用這種技術, 可以極大地縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期, 提高開發(fā)效率。可見，這種基于組件式的GIS二次開發(fā)具有廣闊的應用前景。

基礎實驗和綜合設計均是在.NET平臺下利用ArcGISEngine組件庫進行GIS軟件設計與開發(fā)。考慮到學生學習該課程時所掌握的計算機基礎知識，學生依據自己對計算機程序語言的熟悉程度選擇VC，C#，VB或C++等，這樣就增加任課老師的教學工作量和講課的難度。實驗平臺選擇的多元化有利于學生根據自己的知識結構選擇最節(jié)省的計算機語言學習時間，把主要精力投入GIS工程設計中。

“GIS工程設計”教學與有些課程是緊密關聯的，在GIS專業(yè)的教學計劃安排上就應當考慮這個問題，同時也應當在該課程開設之前讓學生們明白這種關系。就知道要學好“GIS工程設計”必須先掌握哪些基礎知識。其次，主講老師在課程的教學過程中也容易調整教學內容和分配教學時間，以便學生能順利理解和掌握該課程的學習內容。“GIS工程設計”課程的前期核心課程包括：計算機編程語言(VC，VB，C#或C++等)、地理信息系統(tǒng)基本原理、GIS軟件應用(ARCGIS)。由于該課程的課時有限，因此需要學生在上該課程之前復習這些前期課程，特別是需要熟悉計算機編程語言。

計算機編程語言是GIS工程中的基本工具，隨著計算機技術的發(fā)展，編程語言的種類非常多，應當讓學生明白：在學習過程中應該注重培養(yǎng)自己快速掌握編程語言的能力，至少應當熟練掌握GIS專業(yè)常用的編程語言。為了顧及學生所熟悉的計算機編程語言有所不同，學生在構建GIS軟件時可以選擇自己熟悉的某一編程語言，也可以用指定的編程語言，在教學過程中主要用VB或C#。

2基礎實驗內容的設置

基礎實驗是與課堂理論教學同步且緊密結合的上機操作課，要求學生通過基礎實驗環(huán)節(jié)能夠掌握地理信息系統(tǒng)工程設計與開發(fā)的基礎知識。

根據課堂理論教學內容與實驗教學內容相結合的原則，對理論知識體系和基礎實驗內容進行科學分析和整合，確定基礎實驗的內容和實驗教學目標是非常必要的[3]。“GIS工程設計”的基礎性實驗是強調讓學生掌握快速構建一個小型地理信息查詢系統(tǒng)框架的方法及其相關基礎知識。在實習過程中，考慮到教學課時的限制，需要讓學生先快速掌握AE的使用方法，針對他們將要構建的系統(tǒng)而言，主要是掌握使用AE構建一個系統(tǒng)的基本步驟、主要接口的使用方法等。在學生熟悉了所使用的軟件開發(fā)環(huán)境后，就可以依據軟件工程的要求進行軟件設計與開發(fā)。

基礎實驗內容是每個學生必須掌握的基礎知識，“GIS工程設計”課程的基礎實驗內容如表1所示。

3綜合性實驗設計

“GIS工程設計”綜合性實驗基本上涵蓋了該課程的主要知識點，學生利用這些基礎知識解決GIS工程中的問題是該實習的主要教學目標。在教學過程中采用“問題式學習”教學方法，以問題為中心，與課程內容相聯系，學生參與全過程，解決真實的GIS工程設計問題。為此，在實習之前采用基于類似工程或案例的方式進行教學，這是國外許多著名大學所采用的教學方法。 實習要求學生圍繞一個適當規(guī)模的應用型GIS進行軟件設計與開發(fā)，根據所學理論知識和方法進行系統(tǒng)分析、設計，并實現(或部分實現) 系統(tǒng)功能。

綜合性實驗分為兩類：課內的實驗和課外的實踐。課外實踐的方式主要是鼓勵學生參加老師的GIS工程項目或參加有些組織舉行的GIS設計大賽。

表1　基礎實驗的主要內容

3.1綜合性實驗的內容選擇

由于實踐教學環(huán)節(jié)時間限制，讓學生對一個陌生領域GIS系統(tǒng)進行設計與開發(fā)不太可行，那樣會在熟悉專業(yè)知識上消耗學生很多的時間與精力，從而偏離了實踐教學的目的。而像面向新生的校園信息查詢系統(tǒng)、城市公交查詢系統(tǒng)、城市旅游景點查詢系統(tǒng)等系統(tǒng)的業(yè)務功能簡易直觀，和學生日常生活聯系也比較多，學生對此類系統(tǒng)的開發(fā)設計有興趣和熱情，作為待建系統(tǒng)是不錯的選擇。

綜合性實驗的初始地圖數據由教師提供, 學生需要結合相應的專題由自己通過網絡獲取相應的專題數據或更新數據。當前網絡上獲取地圖數據的途徑很多，例如，天地圖、GOOGLE等網站。學生再根據自己系統(tǒng)開發(fā)的需要對數據作進一步處理，以此培養(yǎng)學生獲取空間數據和集成空間數據的能力。GIS工程的首要任務就是“需求分析”，其中要確定需求的空間數據，以及獲取途徑。每一組學生需要依據所學的知識，在規(guī)定的時間內完成相應的數據獲取和處理工作，最后進行空間數據的集成。從大工程觀教育理論[2]來看，這樣的實習內容可以培養(yǎng)學生的協(xié)作精神，讓他們形成一種具有專業(yè)精神的工程理念，在數據獲取和整理的過程中讓他們懂得職業(yè)操守的重要性。

為了培養(yǎng)學生嚴格按照軟件工程的要求進行GIS軟件開發(fā)的能力，在綜合性實驗中每個學生必須完成需求分析報告、系統(tǒng)總體設計書和系統(tǒng)詳細設計書的編寫，這些文檔必須符合相應的標準。學生往往認為，這些報告是沒有必要的，他自己一個人就可以完成從需求分析到軟件調試的整個過程。但一個大型的GIS工程需要一個團隊來完成，這些文檔也是軟件工程中按照規(guī)定需要完成的標準化文檔，因此在實驗教學過程中強調“大工程觀”是非常必要的，“大工程觀”是在美國工程教育興起的“回歸工程”浪潮中被提出的，是對工程教育與科學教育進行比較后提出的一個理念[2]。

3.2課外實踐的多元化

學生實踐能力的培養(yǎng)僅僅依靠基礎實驗和課堂的綜合性實驗這兩個部分的學習是不夠的, 還需要通過參加一些GIS工程項目或科研活動來提高動手能力和創(chuàng)造能力。采用多元化的課外實踐活動，讓學生從GIS工程項目的不同方面學會解決專業(yè)問題，這是一種開放式的實驗教學。武漢大學每年都有老師指導的學生自選的科研項目，國家也給大學生提供了有關科研項目的資助；GIS協(xié)會或GIS軟件公司每年主辦的大學生GIS設計與開發(fā)比賽，如ARCGIS、MAPGIS、SUPERMAP等的軟件設計比賽；每年暑假有GIS企業(yè)提供的實習機會；老師提供的有關GIS工程項目的軟件開發(fā)任務或空間數據庫建設任務。當然，學生也可以結合畢業(yè)論文或者GIS課程集中實習來進一步提高他們的GIS軟件開發(fā)能力。

學生在課外學習期間為他們提供必要的學習資料和指導是非常必要的，學校為學生建立了一個教學資源網，其中就設置了教學課件、參考書目、相關軟件、實習指導書、相關信息與數據、專業(yè)網站、學習園地、專題討論等欄目區(qū)。教學資源網可以為學生提供多種可供選擇的學習方式，可以增強教學中的互動性，對學生實踐環(huán)節(jié)起到了輔助和推進作用。在教學資源網上可以提供有關該課程實踐環(huán)節(jié)所需要的資料供學生下載，這些資料可供學生在課內和課外學習，也可以讓學生在規(guī)定的時間內提交需要討論的問題，以便老師集中時間進行指導。

4課程實踐環(huán)節(jié)的考核方法

課程實踐效果的考查是一個非常重要的環(huán)節(jié)，作為實踐性課程，“GIS工程設計”的考核方法應有別于其他的課程，檢驗的重點不是理論成績，而是學生能否理論聯系實際，最終提高自己的動手操作和實踐能力。傳統(tǒng)的考核方式比較單一，過于側重理論，難以真實反映學生掌握知識和應用所學知識解決實際問題的能力。為此，本課程加大了實踐環(huán)節(jié)的考核力度，實踐環(huán)節(jié)的考核分數占本課程總成績的45%，期終考試成績占55%。同時直接與實習有關的教學內容占期終考試內容的50%。

實踐環(huán)節(jié)的總分是100分，其中，按照實習要求完成了基本功能設計與軟件開發(fā)的學生可以得80分，其它20分用于評價學生的自主學習能力、設計的創(chuàng)新能力和GIS工程的專業(yè)素質。自主學習能力主要體現在學生是否依據工程的需要，設計和開發(fā)了超出實習要求的功能模塊；設計的創(chuàng)新能力主要體現在設計的理念和美學效果上；GIS工程專業(yè)素質主要體現在文檔的規(guī)范程度、協(xié)作精神和學習態(tài)度等方面。如果學生只是實現了規(guī)定的軟件功能，而在文檔規(guī)范程度、設計效果、學習態(tài)度、專業(yè)精神等方面沒有達到基本要求就需要扣分。考核過程中，我們采用了互動式和交流式的考核方法，從而考核學生在他所完成的實驗成果中對工程的理解程度，同時還可以發(fā)現是否有抄襲他人成果的情況。

課程的課內實習需要強調集體協(xié)作，這體現在空間數據獲取和集成階段，因為空間數據采集的工作量比較大，學生需要以分組的形式完成一個完整空間數據庫的建立。軟件設計書的編寫和軟件開發(fā)任務，每個學生必須獨立完成。在課內實習階段，必須明確每個教學時間單元需要完成的實習任務，否則很難保證完成實習任務，每個實習階段必須有相應的成果，例如：完成的空間數據庫、需求分析報告、總體設計書、詳細設計書、開發(fā)的軟件和實驗報告等。因此，要求學生必須有協(xié)作精神，必須按時完成實習任務，這部分體現在GIS工程專業(yè)素質的考核分數中。

大部分學生的課外實踐往往在該課程結束之后，這部分的考核往往無法在該課程中體現，采取的方法是：在地理信息系統(tǒng)課程集中實習中對這部分學生的成績加分，但是，對于能在該課程結束之前已經完成額外實習任務可以考慮加分的學生，則在他們的平時成績的自主學習能力考核項目中加分。

5討論

該課程的實習只是GIS專業(yè)整個實踐環(huán)節(jié)的一個階段，應該從整個專業(yè)建設的角度來考量，比如：如何處理與計算機基礎課程之間的關系，是否需要考慮整個教學過程中使用一種編程語言，有關GIS工程設計與開發(fā)的所有實踐課程是否需要一個統(tǒng)一的實習環(huán)境(軟件平臺、編程語言、數字區(qū)域)，課外實習應否從“學校模式”向“校企合作模式”轉換，至少針對部分學生可以采用這種教學模式。在教師隊伍的建設上應該更強調面向工程的教學，任課老師和輔導老師應該雙師型，適應GIS產業(yè)培養(yǎng)人才的需要。

參考文獻：

[1]梅曉丹，王延亮，馬俊海. 基于“卓越計劃”的測繪工程專業(yè)GIS教學體系研究與實踐[J], 測繪工程,2013, 22(5): 93-96.

[2]王文福，周秋生，曲建光. 基于大工程觀教育理念的測繪工程文化育人策略[J], 測繪工程, 2011,20( 2):77-80.

[3]田雨,盧秀山,獨知行，等.地理信息系統(tǒng)(GIS) 課程實驗教學研究[J].實驗技術與管理,2008,25(11):153-156.

[4]韓用順,蔣宗立,張捍成，等.“地理信息系統(tǒng)”課程的教學方法改革與探討[J].地理空間信息,2007,5(3):131-134.

[5]王世杰，楊維勞，姚德新.測繪工程專業(yè)開放式實驗教學體系探索[J], 測繪工程,2008,17( 5):6-77.

[6]張恒,劉群.GIS設計與開發(fā)課程實驗教學設計[J]. 實驗科學與技術，2009,7(4)：45-47.

[7]劉亞靜，王政.GIS專業(yè)立體化實踐教學平臺體系研究[J].測繪與空間地理信息，2015，38(11)：7-8.

[8]王小東，張剛.地理信息系統(tǒng)課程實驗教學方法研究[J].測繪與空間地理信息，2015，38(8)：4-6.

[9]馬林兵,王海仙.“GIS軟件工程”課程的多元教學法探討[J].高教論壇,2008(5):17-20.

[10] 孫亞琴,張海榮.GIS軟件工程課程教學實踐與探討[J].測繪通報,2011(5):91-93.

[11] 余旭，馬莉，張興福. 測繪工程專業(yè)“GIS軟件設計”課程教學探討[J], 測繪工程, 2010, 19(4):77-80.

[12] 鄭貴洲，吳信才，晁怡，等. 面向異構環(huán)境的GIS課程教學團隊構建[J], 測繪通報,2008(9):72-75.

[責任編輯：王文福]

A study of experimental teaching pattern for thecourse:The Design of GIS Engineering

GUO Qingsheng，CAI Zhongliang

(SchoolofResourceandEnvironmentScience,WuhanUniversity,Wuhan430079,China)

Abstract：The teaching aim of the course：The Design of GIS Engineering is to train the students’ comprehensive ability of designing GIS, thus the practice teaching of this course is very important. This paper proposes that the practice teaching should consist of basic experiment and comprehensive design in the internship stage of this course.The experimental arrangements are researched,and the examination system and the additional methods of this internship are improved. An effective pattern of practice teaching has been formed.

Key words：practice teaching;GIS engineering;basic experiment;teaching pattern

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.09.017

收稿日期：2014-07-12

基金項目：湖北省高校教學研究項目和武漢大學教學改革研究項目

作者簡介：郭慶勝(1965-)，男，教授，博士生導師.

中圖分類號：

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)09-0077-04