地理國情監測專業“時空數據庫”課程建設探索

張鵬林，杜 娟，余長慧，周軍其，艾明耀

(武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079)

地理國情監測專業“時空數據庫”課程建設探索

張鵬林，杜 娟，余長慧，周軍其，艾明耀

(武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079)

依據地理國情監測新型專業的特點，結合“時空數據庫”的教學與實踐，針對地理國情監測專業的專業規劃和培養目標，對“時空數據庫”課程的目標、特點、內容體系、教學方法和實踐環節進行了探討和論述，為時空數據庫課程建設和內容的優化提供了建議。

地理國情監測；時空數據庫；課程建設；教學

早在2010年地理國情監測提出之初，陳俊勇院士就前瞻性指出地理國情反映的是一個國家賴以存在的疆域、地形地貌、自然資源、土地利用、土地覆蓋、生態、環境、氣候等因素的狀態，以及它們所呈現出的區別于其他國家的量化信息、動態過程和空間特征[1]。此間不難發現，地理國情監測與地理現象的時空過程有著天然不可分割的聯系。時空數據庫成為地理國情動態過程和空間特征監測的科學基礎和驅動。培養時空數據組織和管理的專業人才或掌握相關基礎理論和技能的人才成為一項重要的工作。特別是教育部于2012年2月公布了2011年度高等學校本科專業設置備案或審批結果，其中，明確規定地理國情監測(080905S)為高等學校本科專業[2]。同年，武漢大學率先在國內高校開設了地理國情監測本科專業并開始招生。在武漢大學的組織下，經過相關行業和專業的專家充分醞釀、討論和修改后，提出的地理國情監測專業人才培養方案中將時空數據庫作為該專業的基礎課程。陳江平等[3]將“空間數據庫”課程列為地理國情監測技術專業的專業主干課程。因此，時空數據庫課程的內容設置和建設對地理國情監測專業技術人才的培養具有非常重要意義。

課程建設一般包括大綱建設、理論教學內容規劃、實踐教學和教材等環節的建設。然而，根據本文研究所了解的信息，國內外高校的相關專業中，除武漢大學地理國情監測專業外，鮮有將時空數據庫設置為一門獨立的專業基礎課程的。因此，關于課程大綱、理論教學內容、實踐教學，在武漢大學的地理國情監測專業建設中雖經過了反復討論和修改，但隨著地理國情專業建設的逐步完善，時空數據庫課程的建設還需要進一步完善。教材的建設是課程建設的重要內容之一，時空數據庫有關的編著近年在圖書市場中雖不能說空白，但針對專業基礎教材的要求，其內容體系的完整性和系統性有待進一步完善。

基于“時空數據庫”課程設置的必要性，并針對“時空數據庫”課程建設的現狀，本文從地理國情監測專業的特點出發，探討“時空數據庫”課程目標、內容、實踐環節和教學方法等的建設思路，為“時空數據庫”課程內容的優化和體系的完善提供建議。

1 課程特點

“時空數據庫”課程是針對地理國情監測專業對于時變動態數據管理的需求而設置的課程。地理國情監測數據具有動態性、空間幾何、非結構化、空間關系、多源、多尺度和海量的特征[4]。因此，相對于常規數據庫或空間數據庫而言，地理國情監測時空數據管理和時空數據庫顯得更為復雜。為了適應地理國情監測動態數據管理的需求，“時空數據庫”課程的特點可以歸納為以下幾點：

(1) 內容全面。為了讓學生掌握動態、非結構化和具有時空關系數據的組織管理理論和技術，“時空數據庫”課程不僅要涵蓋常規數據庫、空間數據庫、時態數據庫的理論技術，更需要包括時空一體化組織、存儲和管理的一般理論方法。

(2) 模型復雜。時空數據庫模型要求能對既有空間參考又有時間參考的數據進行組織，即實現時變空間數據的邏輯組織，因此，其模型相對于常規數據庫模型、空間數據庫模型和時態數據庫模型要復雜得多。

(3) 實踐性強。時空數據庫不僅要求學生掌握數據管理、數據庫有關的基礎理論和一般性技術，還要求學生能夠掌握如何將一般性理論應用于實踐，解決地理國情普查、監測動態數據管理的問題。

(4) 時空分析復雜。不同于空間數據庫，時空數據庫用于管理海量的時變數據，其分析不僅涉及空間關系問題，還包括時間關系；不僅是空間分布問題，更重要的是時空動態建模是可靠性地理國情監測的基礎理論[5]。因此，時空數據庫分析模型和方法比常規數據庫、空間數據庫都要復雜得多。

(5) 數據的多維性。時空數據庫管理的是隨時間變化的時變空間數據，數據維數在空間維的基礎上增加了時間維，因此，時空數據庫的結構具有多維性。

2 理論教學探討

任何一個專業要培養適應社會發展的創新性人才,必須要有新的課程理念、課程制度、課程實施方法及手段，以確保學生在社會環境中個性能夠健康發展,尤其是創新思想、創新意識和創新能力的培育與發展[6]。因此，針對地理國情監測對時空動態數據的管理需求，本文對“時空數據庫”課程的內容體系和教學方法進行了探討。

2.1 理論教學內容

根據創新、以人為本和地理國情監測人才知識結構的需求，本著不再增加前導基礎課程，同時保證知識體系的完整性和系統性，“時空數據庫”課程的課堂教學內容應包括：數據庫基礎、空間數據及其表達、時空數據組織、時空數據邏輯模型、時空數據管理和時空數據分析與挖掘等模塊?！皶r空數據庫”課程的具體內容體系如圖1所示。

圖1 時空數據庫課程內容體系

圖1中，時空數據庫的內容設置兼顧了數據庫、空間數據庫和時態數據庫的知識及其理論方法。通過“時空數據庫”課程的學習，讓學生具備數據、空間數據、時態數據和時空數據的組織、存儲、管理和分析的能力。這樣，一方面可以減輕因需要開設數據庫、空間數據庫等先導課程而給學生造成的課程負擔；另一方面，可以有效避免基礎理論在內容上的重復。

2.2 理論教學方法

針對地理國情監測對時空動態數據管理人才的能力需求，本文認為“時空數據庫”課程的理論部分仍應以主講模式為主，配合以適當課時的案例教學模式，以激發學生獨立思考的能力。

2.2.1 主講模式

主講模式是以主講教師的講授為主體的教學模式，也是目前大多課堂采用的主流教學模式。對于地理國情監測專業而言，“時空數據庫”課程的主講階段應主要介紹地理時空數據管理與分析各環節中必須的理論和方法基礎，包括地理時空數據庫的概念、地理時空數據的存儲和索引機制、地理時空數據庫的完整性、時空長事務處理、時空查詢語言、時空間數據標準、元數據、時空數據共享及時空大數據挖掘與分析等理論、技術和方法。通過課堂的主講可使學生對地理時空數據的存儲、組織和管理技術有較全面的了解，讓學生掌握地理國情監測領域地理時空數據庫設計與實現的一般理論和方法，為將來從事地理國情動態監測數據管理和分析奠定一般性理論和方法基礎。

2.2.2 案例模式

互動教學長期以來是高等教育所倡導的理論教學方式之一，但如何加強主講教師和學生之間的互動確是一個難題，因此，理論教學往往以教師主講的模式為主。因此，時空數據庫課程的理論教學中應將在重要知識環節中引入案例教學作為課堂教學的探索，通過案例實現教師和學生雙向交流的同時激發學生獨立思考的能力和創造性。本文研究認為，一個案例的設計應包括以下幾個方面：

(1) 案例精選，根據理論知識內容，精選具有代表性的典型案例。

(2) 案例分析。分析案例問題的層次結構，即，要做什么？→已知和未知是什么？→怎么做？→結果是什么？通過案例分析，讓學生明白案例的學習目標、用到的知識、重難點和方法。

(3) 案例實施。以案例分析為基礎，學生應用所掌握的知識，自主探究、分析案例問題，協同實施，共同取得案例成果。

(4) 案例評價。對案例的實施效果進行評價。

3 實踐教學探討

實踐教學體系是應用型人才培養的重要環節[7-8]?！皶r空數據庫”是一門理論性和實踐性相互促進的課程，作為專業基礎課的“時空數據庫”除了需要向學生闡釋清楚基本原理、技術思路、技術特點外，更重要的是要學生明白，如何應用所講的理論知識和技術方法解決生產問題。通過實踐環節加強對理論和技術的感性認識，促進理論應用。正如文獻[9]指出，理論教學和實踐教學是互釋、互補和互融的關系。因此，為了更好地配合理論教學，同時提升學生對理論知識的應用能力，本文認為“時空數據庫”課程應設計課間實習和課程實習兩階段。

“時空數據庫”的課間實習穿插于理論教學期間，是為幫助學生加深對關鍵理論方法的理解和感性認識而設計的實踐環節。本文研究認為應針對數據庫基礎、時空數據模型、時空索引3個專題進行設計。數據庫基礎實習的目標是增強學生對數據庫的感性認識，了解數據庫的基本操作和典型數據庫模型；時空數據模型應設計統計數據、空間數據和時空數據的組織存儲，讓學生掌握邏輯模型在數據庫中的作用，以及不同類型數據在數據庫中的邏輯組織；時空索引專題是使學生認識索引的作用，掌握不同類型數據庫的索引建立方法。

課程實習是在理論教學結束之后，應有益于學生對時空數據庫理論、技術方法和過程的全面理解。因此，本文認為“時空數據庫”課程的實習內容不僅應加強和豐富課間實習中所設置的基本內容，還應包括時空數據庫訪問、時空數據庫查詢、時空數據庫完整性約束、事務處理機制和時空數據庫分析等內容的實習。

4 結 語

地理國情監測的發展為我國測繪行業的飛速發展注入了新的活力,提供了新的契機。因此，地理國情監測專業基礎課程設置“時空數據庫”也是地理國情監測動態數據管理的要求,是順應地理國情普查和地理國情監測數據管理的需要。“時空數據庫”作為當前地理國情監測專業的一門重要的專業基礎課程，其特點是具有一定的理論性，同時有較強的實踐性。因此，改變傳統的理論教學觀念和方式，不斷改革探索新的教學模式和方法,充分調動學生的學習積極性,提高學生的學習興趣,更好地講授“時空數據庫”這門課程,力爭培養出具有良好時空數據管理技術的地理國情監測技術人才，是必要的，也是培養地理國情監測專業技術人才的要求。

[1] 陳俊勇. 地理國情監測的學習札記[J].測繪學報，2012，41(5)：633-635.

[2] 中華人民共和國教育部. 教育部關于公布2011年度高等學校本科專業設置備案或審批結果的通知[EB/OL].2012-02-28[2016-03-24].http:∥www.gov.cn/zwgk/2012-02/28/content_2078487.htm.

[3] 陳江平，潘勵，單杰. 淺談地理國情監測技術專業課程體系建設[J]. 測繪通報，2013(10): 125-128.

[4] 史文中. 地理國情監測理論與技術[M]. 北京：科學出版社，2013.

[5] 史文中, 秦昆, 陳江平，等. 可靠性地理國情動態監測的理論與關鍵技術探討[J]. 科學通報，2012，57(24)：2239-2248.

[6] 許才軍. 測繪工程專業課程創新體系初探[J]. 測繪通報，2007(11):74-77.

[7] 張明華, 肖桂榮, 張愛國,等. 面向經濟建設的測繪工程專業課程體系探討[J]. 測繪工程，2013, 22(3):93-96.

[8] 焦明連．產學合作教育培養測繪應用型創新人才的探索[J]．測繪工程，2011，20(1):74-76．

[9] 甄阜銘. 理論教學與實踐教學的同構關系[J]. 現代教育科學，2011(5):78-80.

[10] 趙健赟，宋宜容.測繪工程專業地理國情監測人才體系的構建與探索[J].測繪通報，2015(2)：125-128.

InvestigationonCurriculumConstructionofSpatio-temporalDatabaseforMajorofNationalGeographicStateMonitoring

ZHANG Penglin,DU Juan,YU Changhui,ZHOU Junqi,AI Mingyao
(School of Remote Sensing and Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430079， China)

According to the characteristics of the major of National Geographic State Monitoring, aiming at the plan and objectives of the major of National Geographic State Monitoring, combining the teaching and practice of the spatio-temporal database course, this paper investigates the instructional objectives, characteristics contensts and content construction. Moreover, teaching methodology and practice teaching are also the main content in the paper. The purpose of the paper is to provide some useful suggestions for curriculum construction of spatio-temporal database.

National Geographic State Monitoring; spatio-temporal database; curriculum construction; teaching

張鵬林，杜娟，余長慧,等.地理國情監測專業“時空數據庫”課程建設探索[J].測繪通報，2017(10)：148-150.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0335.

2016-09-18

2015湖北省高等學校省級教學研究項目(2015035)

張鵬林(1970—)，男，教授，主要從事變化檢測與分析、時空數據管理、地理國情監測相關的科研與教學工作。E-mail：zpl@whu.edu.cn

杜 娟。E-mail：dujuan_rs@whu.edu.cn

G64

A

0494-0911(2017)10-0148-03