地理信息系統綜合應用實習課程的建設與創新

曾文　龔君芳　王慧敏

摘 要 技術實踐能力培養是地理信息系統相關專業教學的重要內容。雖然地理信息系統相關實踐課程眾多，但往往針對具體專門領域的訓練，綜合性實踐課程仍然缺乏。針對設計的中國地質大學（武漢）地理信息科學專業課程——地理信息系統綜合應用實習，本文介紹了課程目標、內容設置和實施過程方面的創新設計，并對連續4年的實習情況進行了分析。實踐證明，學生通過該課程學會了將專業知識進行綜合整理，并應用到具體項目之中，既提高了實踐技能，又培養了分析解決問題和團隊合作的能力。

關鍵詞 地理信息系統 實踐教學 綜合應用實習 課程改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.10.062

Construction and Innovation of Geographic Information

System Comprehensive Practical Course

ZENG Wen， GONG Junfang， WANG Huimin

（School of Information Engineering， China University of Geosciences， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract Cultivating technical practice ability plays an important role in geographic information system （GIS） education. Although there are many GIS-related practical courses， most of them are designed for specific training purposes and meanwhile comprehensive practical courses are still lacking. This paper introduces the design of GIS comprehensive practical course of geographic information science specialty in China University of Geosciences （Wuhan）. Purposes， contents and procedures of this course are all innovatively designed and implement results during the last 4 years are analyzed. It is proved that completion of the course helps students integrate and apply professional knowledge into a specific project， and hence promote their practical skills as well as their abilities of analyzing & handing problems， and working together as a team.

Keywords geographic information systems； practice teaching； comprehensive practical course； curriculum reform

0 引言

近年來，隨著數字地球、智慧城市以及各行業信息化建設的推廣和升級，地理信息系統（Geographic Information System，GIS）技術及其應用得到了快速發展，[1]GIS專業人才的需求急劇增長。各個行業日益廣泛的 GIS應用工程，對高校 GIS專業培養的學生提出了更高的要求，要求他們在扎實理論基礎之外，更要具備過硬的實踐能力與系統實現能力。[2]

中國地質大學（武漢）的GIS專業非常重視實踐教學，開設了一系列實踐課程，[3]僅獨立的課程設計就涵蓋計算機高級語言、面向對象程序設計、數據結構與算法、數據庫原理與應用、空間數據庫等方面，還有自然地理與地質學野外實習、測量學實習、地圖學實習等實習課程。學生通過這些課程的學習，自身實踐能力有一定的提高。但是，這些實踐課程只針對專門課程或具體知識點，相互之間缺少配合與銜接，不利于學生掌握系統性完整性的知識和技能，難以滿足社會對 GIS 應用人才的需求。[4]

因此，我們從2014年開始，在大三下學期期末開設了GIS綜合應用實習課程。為期三周，合計4.5個學分。該課程面向實際應用和工程需求，引導學生消化梳理所學專業基礎知識，自主分析思考，綜合應用所學知識與技能，依據 GIS 數據工程和軟件工程的原理和方法，自己動手，實現一個綜合性GIS應用系統。[5]

1 定位與目標——知識貫通，綜合實踐，構建完整系統

GIS專業的學習涉及地理學、信息科學、測繪科學、地圖制圖學等眾多學科，覆蓋面極廣，[6][7]需要在對專業基礎知識有了一定的積累之后進行系統的整理歸納，通過實習實踐綜合應用于現實問題，提高自主思考、自主解決實際問題的能力。[8]

GIS 綜合應用實習課程的設置，高度契合GIS專業的培養目標，是培養GIS工程師或設計師的重要教學環節，同時也是學生畢業設計與實習的提前操練。課程目標是促使學生：（1）加深對測繪工程、GIS原理、GIS工程、空間分析、GNSS等專業課程的理解掌握，將所學的GIS知識進行綜合整理；（2）通過構建一個完整的 GIS 應用原型系統，熟悉掌握數據采集、處理、分析和展示的技術設備和技術手段，為實際工作中的GIS應用構建打下基礎；（3）理論聯系實際，學會獨立分析、積極思考、創新設計，并精益求精地解決問題；（4）培養GIS需求分析和系統設計能力；（5）培養團隊精神，以及任務分工和協同工作能力。

2 內容設置——校園為題，數據為基，鼓勵應用創新

課程設計了與學生最熟悉的校園環境相關的若干綜合性項目課題，如數字校園、校園房產、校園管網等，學生自主組成3～5人的團隊，針對所選題目，進行外業測量、數據采集、數據建庫、專題展示、查詢統計分析、成果輸出，并構建桌面 GIS（C/S結構）、WebGIS （B/S 結構） 或移動GIS（M/S結構）形式的軟件系統。

題目具體要求如下：

（1）三維數字校園。建立三維虛擬校園，清晰逼真展示校園內的每棟建筑、道路、綠化帶、運動場等區域的外在形象及周邊環境，實現場景放大、縮小和漫游，并根據需要提供文字、圖片、視頻，360全景多角度標記展示功能。系統在三維建模和場景展示的基礎上，應開發功能，針對特定人群（學生、教師、游客等）提供有價值的空間信息服務，例如指路、導購等。

（2）校園房產系統。對校園房產數據（包括校園東區、西區、北區的教學樓、宿舍樓、實驗樓、辦公樓、家屬樓、圖書館等）進行采集、整理、數字化，完成屬性數據和圖形數據的建庫處理，進行系統需求分析、功能設計、系統實現，實現對校園房產的輸入、編輯、瀏覽、查詢、統計與輸出等數字化管理。系統應在房產數據管理的基礎上，自主添加輔助專題數據，開發專題管理或分析決策功能，如：管理和養護房屋相關資產和設備，統計對比二級單位房屋、設備資產占有量，提供自習教室查詢及分析上課地點安排合理性，等等。

（3）校園管網數字化系統。地下管網擔負物資、能源和信息的傳輸作用，是校園重要的基礎設施，是學校生存和發展的物質保證之一。隨著教育事業的發展和校園規模的擴大，校園地下管網變得越來越復雜，已涵蓋給排水網、熱力管網、天然氣管網、電力網、通訊網等多種類型。本課題旨在應用GIS理論與技術對校園地下管網系統進行管理，有效地解決管網資料的存儲、查詢、管理和分析。學生應基于自己的知識背景和行業理解，在系統中提供一定的生活服務或輔助決策功能，例如：漬澇易發點識別管理、 管道間距安全分析、應急關閥分析、WiFi 熱點覆蓋分析，等等。

從以上題目的設置可以看到，課程任務并非封閉和固化，并未對軟件架構、開發語言、GIS 平臺、數據庫等技術實現細節作出限定，每個題目的內容都有“規定動作”和“自選動作”。但是，鑒于課程的定位和目標，實習指導書強調了對實現方案的基本要求：（1）數據必須體現空間性，具有明確的坐標參照；（2）系統必須進行地圖展示，支持圖上查詢；（3）必須運用空間分析方法實現自選功能。

3 實施與考核——分組執行，自主設計，管控實施過程

課程教學采取以學生為主體，教師從旁協助輔導的方式，最大化地鍛煉和展示學生能力。學生自主選題，自主設計實施細節。老師重點在于前期參與學生選題的討論，嚴格過程管理，抓實中期檢查和后期考核，以考促學。

課程管理采用專業—班級—小組3級體系，通過嚴格的考核制度保證實習紀律和實習時間，通過里程碑式檢查保證任務按時完成。3～5人的實習小組按照性格貼合、能力互補、分工明確的方式組合，形成團隊綜合能力最大化模式。工作成果及實習報告以小組為單位提交，實習報告及終期匯報中需要明確說明組內各成員的工作內容以及實際貢獻，結合實習過程中的階段性檢查，基本杜絕了濫竽充數情況的發生。

課程相關工作分為外業和內業兩部分。實地測繪、數據收集和移動終端應用測試在地大校園進行，數據整理、數據入庫、軟件開發和系統構建在實驗室進行。

學生的最后成績由平時表現、中期檢查、結課檢查三部分構成，平時表現和中期檢查各占比20%，結課檢查（實習報告和終期匯報）占比60%，最終評分結構如表1所示。

4 實習情況分析——興趣濃厚，形態多樣，體現技術趨勢

多數學生在本課程學習中表現出很大的興趣和創造熱情，在備選題目范圍內實現了有趣而多樣的應用。一些小組將幾個題目的內容融合在一起實現，比如“校園三維房產管理系統”；一些小組將校園三維場景與互聯網商務相結合，如“舌尖上的地大”；還有小組將房產與課表結合起來，分析評估各學院學生一天的平均行走距離。

根據4年來的教學統計，在選題方面，超過60%的小組開發了校園房產系統，30%左右的小組選擇了三維數字校園，開發校園管網數字化系統的小組較少。通過與學生的交流發現，這種狀況主要源于數據采集的難易程度，也與學生的行業背景知識有關。在數據采集方面，使用全站儀的小組多于使用 GPS 設備的小組，這與前期學生測繪知識和技能的掌握有關。值得指出的是，有小組充分運用互聯網數據資源，將OpenStreetMap 數據、百度地圖和自行測繪得到的數據配準融合使用。

在數據存儲方面，使用 SQL SERVER的小組最多，其次是使用桌面數據庫 MDB，也有少數小組使用 Oracle；在二維 GIS平臺的使用上，涵蓋ArcGIS、MapGIS、SuperMap、QGIS 等常見軟件；三維 GIS 平臺則更為多樣，包括Skyline、Unity 3D、HopeMap 3D、GMGlobe等。

在系統形態方面，基于瀏覽器B/S構架的系統最多，面向桌面系統的C/S構架次之。支持移動智能終端（手機和平板）的系統，都同時開發了瀏覽器訪問頁面。 B/S構架的系統使用 Java Script 占多數，其次是采用.Net 體系。C/S 構架，使用微軟公司 Visual Studio 的 WinForm 框架的系統占主導。但一個值得注意的現象是，2017年開發桌面系統的小組已有近一半使用 Qt框架。為數不多的 M/S移動端開發均基于Android，沒有小組在iOS上進行開發。

5 結語

GIS 綜合應用實習課程的設計，體現了系統性、完整性、全流程和工程化的原則。系統性方面，涵蓋數據、設備、軟件和應用；完整性方面，提出一個具體應用需求，完成完整的解決方案；“全流程”指的是覆蓋數據的采集、建庫、管理、分析和應用；“工程化”指的是按照軟件工程的原則和方法進行開發并提交相關文檔報告。

該課程的建設實踐，則體現出開放性、啟發式、自主性、組織化等特點：（1）自選動作培養學生創新能力；（2）教師全程觀察，適時點撥，授之以漁而非授之以魚；（2）鼓勵自主選擇技術路線和實現方案，實現百花齊放；（4）自由組合，以小組形式完成項目，既考核系統整體，也注重個人貢獻。

在設計和實踐方面的一系列創新，使得課程受到學生普遍歡迎，達到良好的教學效果。連續4個年級的實踐表明，在提煉需求小組討論設計方案分工執行集成匯總解決問題的過程中，學生普遍能夠獨立分析問題和解決問題，系統設計和實現能力得到顯著提高，形成了樂于協作、勇于創新、認真踏實的工作態度。課程的設計和實踐達到了教學目標。

從學生實習成果的分析，可以體察一些明顯的技術趨向（如 Qt 的崛起和開源平臺的流行），也發現了現有專業教學的欠缺（如 GPS 測繪、移動 GIS、3S集成），為 GIS 專業進一步的教學改革提供了有價值的參考。

參考文獻

[1] 龔健雅，王國良.從數字城市到智慧城市：地理信息技術面臨的新挑戰[J].測繪地理信息，2013.38（2）：1-6.

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[3] 鄭貴洲，林偉華，彭俊芳.地理信息科學專業多層次實踐體系構建及學生綜合能力培養[J].測繪與空間地理信息，2018（2）：14-17.

[4] 黃解軍，袁艷斌，張曉盼，詹云軍，崔巍.面向地理信息系統（GIS）專業創新型人才培養的教學改革與探索[J].大學教育，2013（11）：93-94.

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[6] 陳正江，湯國安，任曉東.地理信息系統設計與開發[M].北京：科學出版社，2005.

[7] 張新長，任伏虎，郭慶勝，曾文，王海鷹.地理信息系統系統工程[M].北京：測繪出版社，2015.

[8] 呂建軍，龔君芳，許勇，李干鵬.地理信息系統開發實訓平臺設計與實現[J].實驗技術與管理，2018.35（5）：138-141.