計算思維在WebGIS開發與應用教學中的研討

楊元維 高賢君

摘要：地理信息科學專業中計算思維模式的培養越來越受到廣大高校教師的關注?！禬ebGIS開發與應用》是一門綜合性和實踐性較強的課程，對于學生思維能力、理解能力、實踐能力、創新能力以及其綜合素質等方面起著至關重要的作用。對基于計算思維能力培養的WebGIS開發與應用教學進行研究和分析，設計以計算思維模式為主線的課程教學目標及內容，分析計算思維在本課程中的應用及效果評價。

關鍵詞：計算思維；WebGIS；實踐教學；Web編程；空間分析

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）28-0100-02

Teaching Thinking of Oriented Computational Thinking of Web Program Design Course

YANG Yuan-wei， GAO Xian-jun

（1.School of Geosciences， Yangtze University， Wuhan 430100， China）

Abstract： In recent years， the cultivation of Computational Thinking Mode in geographic information science is attracting more and more attention from university teachers. WebGIS Development and Application is a comprehensive and practical course， which plays an important role in students' thinking ability， understanding ability， practical ability， innovative ability and comprehensive quality. This paper studies and analyzes the WebGIS development and application teaching based on the cultivation of Computational Thinking ability， designs the teaching objectives and contents with the computational thinking mode as the main line， and analyzes the application and effect evaluation of the computational thinking mode in this course.

Key words： Computational thinking； WebGIS； practice teaching； Web programming； Spatial Analysis

WebGIS（網絡地理信息系統，Web Geographic Information Science）是指在Web環境下既能實現空間數據的檢索、查詢、制圖輸出、編輯及空間分析等GIS基本功能，又能提供地理信息服務發布、共享和交流協作等高級功能的GIS系統[1]。其通常作為地理信息科學專業的基礎必修課，其先修課程包括《計算方法》、《C#程序設計》、《網絡編程（Java）》和《地理信息信息原理》等課程，是一門理論與實踐緊密結合且應用廣泛的課程。該課程有益于培養學生的WebGIS工程項目設計與實現能力。

由于《WebGIS開發與應用》課程涉及的知識面相對較廣，在講授該課程時分為兩個部分。第一部分是Web基礎知識，此部分授課目的是使學生能夠迅速掌握Web開發的基本要領，如面向對象程序設計、HTML、CSS、JavaScript、Ajax以及JSP、ASP.NET前端開發方面的內容，通過此部分內容的學習使學生掌握必要的Web前端開發知識，為后續學習做準備；第二部分是WebGIS開發及應用，具體包括WMTS、WMS、WFS、WCS等多源數據加載、圖形繪制及編輯、標注、動態投影、空間分析等GIS功能，該部分將以目前WebGIS最盛行的開源開發包OpenLayers3作為開發庫進行講解，此部分授課目的是使學生掌握基于Web環境的GIS基本開發能力。該課程總課時為48學時，其中課堂講解部分為32學時，實踐部分為16學時。由于該課程學時少、內容多，且知識點關聯度低，講授該課程有一定的難度，如何讓學生全面理解、掌握及實踐本課程是亟待解決的問題。為解決上述問題，以計算思維的方式講授該課程，以構建學生計算思維為主導的教學方式提升學生對WebGIS開發的知識理解能力和實踐能力，不著眼于傳統計算機編程課程中對算法、數據結構及語法，而更注重于學生計算機編程思維模式的培養。

1 計算思維模式的課程教學體系建設

計算思維（Computational Thinking）是借助計算機科學的基本原理和核心概念去解決問題、設計程序和理解人們的日?；顒?，是計算機類相關課程不可或缺的基礎思維模式[1]。計算思維主要特點是采用啟發式推理方式對問題進行建模求解，換言之，不確定情況下的規劃、學習和調度[2-3]。近些年，許多高校將培養學生的計算思維能力作為計算機基礎教學的核心任務。實際上，在地理信息科學專業的培養方案也期望融入計算思維培養，然而部分教師和學生對計算思維綜合理解程度仍然不深[4-5]，因此需對本課程進行大力改革，將計算思維的啟發式思想融入教學中，提高學生的計算機編程類課程的關聯度和耦合度。

《WebGIS開發與應用》課程具有綜合性與實踐性較強等特點，不同于其他GIS專業課程，由于Web和GIS技術的快速發展，通常造成教材無法及時滿足教學的需要，以往機械的教學方式已無法滿足學生掌握WebGIS開發及實踐能力的需要[6-7]。培養學生計算機編程設計類課程思維模式至關重要，能夠讓學生建立自身的計算思維模式，計算思維相比于機械重復的固定編程語言教學模式，具有更強的目標性、自主性以及趣味性[8]，運用面向計算思維模式的WebGIS開發與應用設計教學，實現對具有關聯性編程理念、思想、方法的理解與掌握，以此起到觸類旁通的效果。

2 計算思維模式在WebGIS開發與應用課程教學設計

2.1教學目標的設立

在開展學習本課程前，學生已完成計算機編程類若干先修課程的學習，通過《C#程序設計》的學到C#中面向對象的類、接口、命名空間、委托與事件等方面內容。基于此，在確立本專業《WebGIS程序設計》課程教學目標時，應充分考慮當前授課對象、先修課程及學習能力，重點培養學生面向計算思維WebGIS開發編程設計能力，并據此設計本課程面向計算思維的教學目標。

由于先修課程《C#程序設計》涉及相對較少計算思維培養方面，造成學生學習的編程相關知識相對比較零散，缺乏整體性和側重性。因此，在制定《WebGIS程序設計》課程教學目標時，充分挖掘計算思維在計算機編程課程中的核心作用，利用思維模式的培養代替編程語言的培養模式。實際上，在本課程教學過程中，計算思維能力不僅僅作為一種核心能力來培養，同時也是教學中的核心內容?！禬ebGIS程序設計》課程教學中以理論教學與實踐教學相結合，教學目標主要為計算機思維的培養，教學主要內容為程序設計思維的引導與構建，并在課上進行適當的案例程序調試演示，并結合上機實踐增加學生學習本課程的計算思維實踐能力的培養，在上機實踐中，為學生準備若干上機編程測試題，并將其作為實踐訓練，并將完成編程測試完成較好的同學的作品作為范本，并提供其在講臺上匯報、講解其編程作品的機會。

2.2教學內容的設計

在GIS學科中，本課程屬于理論與實踐并重型課程。運用理論與實踐結合的方式，具體地，結合每一章節所需完成的知識目標和技能目標，將本課程的教學模塊分為兩個部分：分別是Web基礎編程和WebGIS開發與應用。教學內容安排及教學目標如表 1所示。

JS基礎編程（2學時） 能夠擴展至網頁編程領域，靜態頁面運行原理、設計方法及基于事件驅動的JavaScript運行，并對輕量級組件JQuery以一定了解，對目前廣泛使用的數據獲取方式Ajax進行掌握。 WebGIS開發與應用 多源數據加載（4學時）

空間分析（2學時） 實現Web編程設計的WebGIS化轉移，能夠利用加載OGC標準的常用數據類型，如WMS、WMTS、WFS、WCS等。能夠實現基于Web圖形繪制及編輯。并掌握基于Web空間分析原理及方法。 ]

從表 1中可以看出，將教學內容分為理論和實踐教學兩個部分，其課時安排為32：16學時。平均來講，每周4學時的理論課和2學時的實踐課。在第一部分Web基礎編程中，由于學生之前并未開設相應的Web基礎課程，因此，首先安排6個學時的Web基礎知識，分別是HTML+CSS+Javascript，通過該部分知識的學習，使學生迅速掌握網頁前端開發的基本要領，并借助實踐課程實現對該部分知識的鞏固。由于在WebGIS開發與工程應用中，有大量讀取GML、KML、Geojson等類型格式數據的需求，而這些格式數據的讀取方式多為Ajax異步形式，因此，在Web基礎課程部分，新增Ajax內容的學習，而在Ajax中需要大量使用輕量級JQuery組件，因此在講授Ajax內容之前，需對JQuery進行簡要講解。

在第二部分WebGIS開發與應用中，主要包括多源數據加載、圖形繪制及編輯、標注、動態投影及空間分析等內容的講解。首先對OGC組織支持的幾類常見的地圖服務類型如WMS、WMTS、WFS、WCS等，以此滿足目前WebGIS主流地圖服務商提供的數據服務類型。對數據加載、數據渲染、地圖圖層切換及移除等功能進行實踐講解，然后在客戶端瀏覽器上進行圖形（點、多義線、矩形、圓、多邊形等）繪制，在講解時重點闡述如何在客戶端瀏覽器上展現這些要素，并根據符號化演示渲染這些要素，其次講解如何利用OpenLayers中的Format來解析數據中的格式，從而獲取數據中的地理空間信息。對于標注和動態投影的講解相對簡略，如標注中的圖片標注、popup標注等類型進行講解，對動態投影的講解可以簡略一些，原因是本專業先修課程中有《地圖學》等課程中已有詳細的講解。對最后一部分基于Web環境下的空間分析的內容需重點講解，如對各種形狀的緩沖區分析、最短路徑分析、流向分析等內容進行講解及實際操作演示，在上機課中配套出相應的題目供學生練習。

在本課程實踐教學方面，將綜合驗證實驗、綜合實驗以及設計性實驗等方式完成實踐教學，積極促進理論知識和方法的理解與運用，使學生在積極動手編程中培養計算思維能力。

2.3教學效果評價

本課程教學的最終目的是分析解決WebGIS工程項目中的開發應用問題，運用計算思維來對問題進行抽象、分析、構建問題模型，對問題從宏觀到微觀層面把握，以此對項目進行總體

設計、詳細設計、編程實現以及測試。計算思維在WebGIS工程項目設計與實施階段均有體現，算法及數據結構是實現計算思維的靈魂，而編程語言是實現計算思維的載體。對于算法及數據結構中的原理、步驟及方法的學習，具有較多相似之處，編程語言的學習亦是如此。對于解決問題的思路、算法、數據結構設計以及編程實現是WebGIS工程項目中問題有效解決的主要手段及過程。應對此過程進行重點講解與考查，避免知識點的孤立與分散，促進學生聚焦本課程所需掌握的WebGIS開發與應用重點知識。

在對本課程教學效果評價方面，評價規則具體地根據學生的平時出勤、提問交流、實踐編程、課后作業的情況以及期末考試卷面成績來進行綜合評定。考慮到本課程是一門GIS類編程設計課程，對實踐能力培養尤其重要，因此，筆者在布置實踐作業方面，應盡量減少書面部分，增加實踐上機部分，多以編程設計成果進行評價與考核。

3 結論

本文針對面向計算思維的WebGIS開發與應用課程的教學目標、內容、方法、考核及評價方式等方面進行了有益的探索，取得了較為良好的教學效果，學生的學習興趣和動手能力得到了大大提高。推廣計算思維計算機編程課程中發揮的功效，更好地滿足學生的就業市場對復合型、應用型人才的需求。

參考文獻：

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[5] 楊孜茁， 方志軍， 黃勃. 《Web程序設計》課程建設策略研究[J]. 軟件導刊（教育技術）， 2017， 16（1）：18-20.

[6] 劉遠剛， 何貞銘， 蔡永香，等. 《WebGIS原理與方法》教學改革與探索[J]. 長江大學學報（自科版）， 2011， 08（6）：133-134..

[7] 張佐幫， 周廷剛， 陳杰，等. 云環境下WebGIS教學改革的研究初探[J]. 農業網絡信息， 2018（1）：58-61.

[8] 葛明珠. 基于計算思維的協作學習模式在中學信息技術課程中的實踐與研究[D]. 陜西師范大學， 2014.

【通聯編輯：王力】