資源勘查工程專業(yè)GIS實驗教學(xué)改革與探討

劉桂萍 陳川 楊焱青 展新忠

摘要：地理信息系統(tǒng)是一門實踐應(yīng)用性很強的課程，實驗教學(xué)占有重要地位。文章以新疆大學(xué)在資源勘查專業(yè)開設(shè)地理信息系統(tǒng)課程為例，結(jié)合該專業(yè)特點，提出以ArcGIS軟件為平臺，建立適合該專業(yè)學(xué)生的地理信息系統(tǒng)課程實驗教學(xué)內(nèi)容，并探討了立體化教學(xué)、案例教學(xué)、推進“產(chǎn)學(xué)研”結(jié)合和鼓勵學(xué)生參加地質(zhì)類技能競賽的實驗課程教學(xué)方法和手段，對提升課程教學(xué)效能具有一定的參考值。

關(guān)鍵詞：資源勘查工程；實驗教學(xué)內(nèi)容；實驗教學(xué)方法；地理信息系統(tǒng)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）11-0077-03

目前地理信息系統(tǒng)（簡稱GIS）在地質(zhì)礦產(chǎn)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用日益廣泛和深入，特別是GIS發(fā)展到空間數(shù)據(jù)庫階段，地質(zhì)礦產(chǎn)信息在GIS平臺上集成已成為必然要求，大量相關(guān)行業(yè)規(guī)范出臺，都預(yù)示著新一輪應(yīng)用高潮的到來[1]，作為地質(zhì)礦產(chǎn)相關(guān)行業(yè)的資源勘查工程專業(yè)的學(xué)生，掌握這門技術(shù)及相關(guān)理論也已成為必然要求。資源勘查專業(yè)開設(shè)GIS課程，可以使GIS優(yōu)勢應(yīng)用在地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)礦產(chǎn)預(yù)測、地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘查評價等方面，以更好地服務(wù)于社會[2]。但地理信息系統(tǒng)是一門理論性和實踐都很強的學(xué)科，要求學(xué)生在掌握基本理論與方法的同時，必須加強教學(xué)實驗和實踐[3]。文章以ArcGIS10軟件為實驗平臺，對我院資源勘查工程專業(yè)的GIS課程安排、實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)方法和手段等進行了探討。

一、教學(xué)目標(biāo)和課程安排

非GIS專業(yè)本科生開設(shè)GIS課程以具體應(yīng)用為目的，倡導(dǎo)將所學(xué)GIS技術(shù)盡可能地服務(wù)于所學(xué)專業(yè)[4]，課程教學(xué)目標(biāo)為：讓學(xué)生了解并掌握GIS的基本原理和方法，學(xué)會利用GIS對地質(zhì)礦產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集、輸入、管理、存儲、處理、分析、顯示和輸出，更好地將GIS服務(wù)于礦產(chǎn)資源勘查領(lǐng)域。該門課程的教學(xué)大綱、教學(xué)計劃和實習(xí)大綱必須根據(jù)該專業(yè)特點制定，確定合理的課時、學(xué)分、授課方式、實驗比例等，要根據(jù)專業(yè)需要對授課內(nèi)容進行必要的調(diào)整、刪改、精簡或者拓寬應(yīng)用，合理地分配理論課和實驗課之間的課時[5]。教學(xué)采取理論和實踐并重的教學(xué)模式，實驗教學(xué)要以課程中的相關(guān)內(nèi)容為主線，時間安排要與課堂教學(xué)穿插進行，目的是使學(xué)生通過實驗加深對課堂教學(xué)中GIS的相關(guān)理論知識和內(nèi)容的學(xué)習(xí)，并熟悉主流GIS工具軟件的使用與操作等[6-8]。基于以上要求并結(jié)合本專業(yè)特點，我院資源勘查工程專業(yè)的GIS課程安排在三年級上半學(xué)期開設(shè)，一方面考慮到這個階段的學(xué)生已有了一定的專業(yè)知識基礎(chǔ)，具備理解和掌握運用GIS技術(shù)處理本專業(yè)應(yīng)用問題的一定能力；另一方面，是因為這個階段的學(xué)生完成了基礎(chǔ)課和部分專業(yè)課的學(xué)習(xí)，有充裕的時間熟悉和掌握GIS的實際操作。從教學(xué)計劃安排來看，課程總計為54學(xué)時，理論授課30學(xué)時，上機實驗24學(xué)時，學(xué)時比近1∶1，這也體現(xiàn)了實驗在該課程教學(xué)中的重要地位。

二、實驗教學(xué)內(nèi)容

為了使學(xué)生更好地掌握書本知識和課堂講授內(nèi)容，鍛煉學(xué)生的實際操作能力，應(yīng)選擇與本專業(yè)相關(guān)的GIS實驗配套教材，實驗內(nèi)容設(shè)計除與教學(xué)內(nèi)容同步外，還應(yīng)與學(xué)生專業(yè)背景緊密結(jié)合，最好是以學(xué)生所學(xué)專業(yè)問題為實驗?zāi)繕?biāo)[9]，基于以上考慮，我院選取《ArcGIS軟件基礎(chǔ)》為實驗教學(xué)參考書，并自編了《ArcGIS上機實驗指導(dǎo)書》，該指導(dǎo)書結(jié)合本專業(yè)特點，以ArcGIS10軟件為平臺，選取教師科研項目中的典型地質(zhì)數(shù)據(jù)——新疆巴里坤黑眼泉煤礦北部礦區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)作為實驗案例數(shù)據(jù)，實驗內(nèi)容主要包括軟件介紹、圖像配準(zhǔn)和矢量化、GIS數(shù)據(jù)庫的建立、空間分析、空間可視化、地圖制圖及排版等。

三、實驗教學(xué)內(nèi)容體系設(shè)計

對于資源勘查工程的學(xué)生而言，只有將圖像配準(zhǔn)和矢量化、GIS數(shù)據(jù)庫的建立、空間分析、空間可視化、地圖制圖及排版等主要內(nèi)容具體應(yīng)用在本學(xué)科，才能真正理解和掌握這門課的理論知識和應(yīng)用方法，因而，構(gòu)建實驗教學(xué)體系具有極大的意義。實踐分兩個部分：（1）GIS基礎(chǔ)操作練習(xí)。主要熟悉GIS工具軟件的使用和操作。（2）GIS應(yīng)用練習(xí)。主要是指利用空間數(shù)據(jù)編輯、空間查詢、空間分析等理論，采用給定的數(shù)據(jù)來分析實際案例，達到理論教學(xué)與實驗教學(xué)的統(tǒng)一。本課程實驗以新疆巴里坤黑眼泉煤礦北部礦區(qū)為例，設(shè)計了教學(xué)內(nèi)容體系。具體實驗內(nèi)容設(shè)計如下：

第一，圖像配準(zhǔn)和矢量化，主要目的是讓學(xué)生掌握圖像校正和矢量化方法。將給定JPG格式的新疆巴里坤黑眼泉煤礦北部礦區(qū)地質(zhì)圖，使用ArcGIS影像配準(zhǔn)工具，定義坐標(biāo)系進行圖像地理配準(zhǔn)，并在給定的點、線、面要素類基礎(chǔ)上對已配準(zhǔn)的地質(zhì)圖進行矢量化，將新疆巴里坤黑眼泉煤礦北部礦區(qū)地質(zhì)圖中的地層（面要素）、巖漿巖（面要素）、斷層（線要素）及鉆孔點（點要素）勾繪出來，并輸入相應(yīng)的屬性。

第二，GIS數(shù)據(jù)庫的建立，主要目的是讓學(xué)生理解空間數(shù)據(jù)庫概念與設(shè)計，熟悉GIS中數(shù)據(jù)的處理和管理方式及GeoDatabase數(shù)據(jù)模型，掌握ArcCatalog創(chuàng)建地理數(shù)據(jù)庫流程，主要內(nèi)容是根據(jù)所提供的資料和數(shù)據(jù)，設(shè)計和創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、要素集、要素類和屬性表等，如創(chuàng)建新疆巴里坤黑眼泉煤礦北部礦區(qū)地質(zhì)個人地理數(shù)據(jù)庫。

第三，空間查詢，主要目的是讓學(xué)生熟悉和掌握空間數(shù)據(jù)查詢的理論與方法，主要內(nèi)容是利用前幾次實驗成果進行數(shù)據(jù)的空間查詢、屬性查詢（SQL查詢）和聯(lián)合查詢，如使用空間查詢功能，查詢距斷層一定距離范圍內(nèi)的鉆孔信息，并顯示查詢結(jié)果，使用屬性查詢（SQL查詢）功能，可查詢礦區(qū)內(nèi)某一地層或巖漿巖的信息，顯示查詢結(jié)果。

第四，空間分析，主要目的是讓學(xué)生理解空間分析的原理，掌握空間分析（緩沖區(qū)分析和疊加分析）的方法。緩沖區(qū)分析主要包括點、線、面的緩沖區(qū)的創(chuàng)建，如創(chuàng)建新疆黑眼泉煤礦北部礦區(qū)內(nèi)斷層緩沖區(qū)；疊加分析，主要針對點和面、線和面的疊加，如將該礦區(qū)內(nèi)的鉆孔與已建立的斷層緩沖區(qū)進行疊加分析，顯示距斷層一定范圍的緩沖區(qū)內(nèi)的鉆孔信息。

第五，空間可視化分析，主要目的是讓學(xué)生熟悉ArcScene，掌握應(yīng)用鉆孔數(shù)據(jù)建立地質(zhì)體三位可視化模型的流程和方法，主要內(nèi)容是使用礦區(qū)內(nèi)鉆孔點，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)所記錄的巖性信息，分別選擇某巖性層的上下表面點并根據(jù)上下表面點生成TIN，使用ExtrudeBetween工具生成體數(shù)據(jù)，然后使用Merge工具對體數(shù)據(jù)進行合并，最后使用Intersect3D工具進行剖面分析，并使用CutFill工具進行儲量計算等。

第六，地質(zhì)圖的制作與地圖排版，主要目的是讓學(xué)生掌握ArcMap制圖技術(shù)，并完成地質(zhì)圖的繪制。主要內(nèi)容是在學(xué)生完成前幾次實驗的基礎(chǔ)上，使用學(xué)生的數(shù)據(jù)成果，學(xué)習(xí)地層、巖漿巖、斷層、鉆孔等圖層的符號化和設(shè)色方法，完成設(shè)置紙張大小后，加圖名、指北針、比例尺、坐標(biāo)網(wǎng)格和圖例等一系列整飾過程，最后輸出圖片文件（JPG格式或PDF格式）。從多年的教學(xué)實踐經(jīng)驗來看，實驗在安排上要注重各實驗內(nèi)容前后聯(lián)系，前一次實驗的成果應(yīng)是后一次實驗的基礎(chǔ)，并最終形成一個整體，實驗教學(xué)內(nèi)容體系設(shè)計見下表：

四、探索實驗教學(xué)方法和手段的改革

1.使用高效的立體化教學(xué)。實踐教學(xué)講解宜采用多媒體進行，主要用于實驗內(nèi)容、要點、難點的講解，課件應(yīng)條理清晰、利于更新；另外，上機實驗應(yīng)廣泛采用網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代教育技術(shù)，在網(wǎng)上公布所有教學(xué)資源，包括相關(guān)實驗課件、實驗指導(dǎo)書、實驗數(shù)據(jù)等，充分體現(xiàn)“互動教學(xué)”的特點；課堂上實行以學(xué)生自行操作ArcGIS軟件為主，教師指導(dǎo)為輔的互動模式，充分讓師生之間及時反饋教學(xué)信息，促進教學(xué)質(zhì)量的提高。

2.實行案例教學(xué)法，提高教學(xué)效果。資源勘查工程專業(yè)的GIS教學(xué)宜采用案例教學(xué)模式，在教學(xué)過程中，應(yīng)盡量運用形象的實例來說明與專業(yè)的實際應(yīng)用問題，如多元信息的成礦預(yù)測中，可運用GIS的空間分析技術(shù)綜合評價和圈定成礦有利區(qū)，其中緩沖區(qū)分析可用來統(tǒng)計斷層或褶皺軸兩側(cè)不同寬度范圍內(nèi)礦床或礦（化）點的分布情況，這些GIS在資源勘查領(lǐng)域的應(yīng)用比比皆是，通過案例教學(xué)，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，同時也使其熟悉用GIS解決實際問題的流程和空間分析的基本方法和特點，從而提高學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力。

3.推進“產(chǎn)學(xué)研”結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。一方面，鼓勵學(xué)生參加教師的科研項目，通過參與科研活動，大大鞏固學(xué)生的理論知識，同時打破了學(xué)習(xí)知識全部來源于課堂教學(xué)的局面，科研活動本身具有的創(chuàng)新屬性，可培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的綜合能力，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力；另一方面，學(xué)校應(yīng)努力尋找企事業(yè)地礦單位需要的實際課題，由教師和有關(guān)科技人員合作承擔(dān)，讓學(xué)生參與有專題性、技術(shù)性的實踐。如在新疆地礦局的大力支持下，新疆第一區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊、新疆地質(zhì)一大隊、新疆地質(zhì)三大隊、新疆地質(zhì)六大隊、新疆地質(zhì)九大隊在科研和生產(chǎn)項目上都與我院有合作，這樣，既密切了學(xué)校與企事業(yè)單位的聯(lián)系，在一定程度上也解決了企事業(yè)單位的某些實際問題，也使學(xué)生受到實實在在的訓(xùn)練，能夠為將來順利走上工作崗位打下堅實基礎(chǔ)。

4.鼓勵學(xué)生參加學(xué)科競賽，提高學(xué)生綜合技能。學(xué)科競賽不僅能提升學(xué)生的專業(yè)知識、專業(yè)素養(yǎng)，還能提升學(xué)生的交流表達能力、與人合作能力、解決問題能力、改革創(chuàng)新能力、自我創(chuàng)新能力、自我學(xué)習(xí)能力，使得大學(xué)生的綜合素質(zhì)和綜合能力得到全面提升。如由中國地質(zhì)調(diào)查局和中國地學(xué)協(xié)會地質(zhì)教育研究分會發(fā)起的“全國大學(xué)生地質(zhì)技能競賽”，已成功舉辦了4屆并取得良好的效果，該競賽分為“地質(zhì)技能綜合應(yīng)用”、“野外地質(zhì)技能”“地質(zhì)標(biāo)本鑒定”和“地學(xué)知識”4個競賽環(huán)節(jié)，其中在“地質(zhì)技能綜合應(yīng)用”這個環(huán)節(jié)中，需要學(xué)生運用GIS軟件，完成競賽圖區(qū)中地質(zhì)圖成圖并在已完成的地質(zhì)圖內(nèi)布置一條圖切剖面，最后根據(jù)該區(qū)內(nèi)出露的地層和提供的地層表數(shù)據(jù)，按提供的標(biāo)準(zhǔn)格式及規(guī)定比例尺繪制競賽圖區(qū)綜合地層柱狀圖等，旨在考察學(xué)生運用GIS理論和技術(shù)解決競賽中相關(guān)的地質(zhì)問題和按規(guī)范制作相應(yīng)圖件的綜合分析和解決問題的能力。因此，鼓勵資源勘查工程專業(yè)的學(xué)生參加這類地質(zhì)技能競賽，不但能夠激勵他們學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，還能推動地質(zhì)類院校地理信息系統(tǒng)的課程實踐教學(xué)內(nèi)容和方法的改革，從而提高地學(xué)專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

五、結(jié)語

總之，GIS課程教學(xué)是一門理論性、實踐性、應(yīng)用操作性都很強的課程，規(guī)范和完善資源勘查工程專業(yè)的GIS實驗教學(xué)內(nèi)容與體系，探索行之有效的實驗教學(xué)方法和手段，不但有助于學(xué)生掌握GIS的基礎(chǔ)知識，使GIS與其專業(yè)背景知識融合為一體，還有助于學(xué)生切身體會到GIS在礦產(chǎn)資源勘查的作用，掌握應(yīng)用GIS技術(shù)來解決專業(yè)相關(guān)問題的方法，順應(yīng)了礦產(chǎn)資源勘查發(fā)展的總體趨勢。

參考文獻：

[1]王莉.GIS在礦產(chǎn)資源勘查開發(fā)的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景展望[J].中國礦業(yè)，2008，17（7）：90-92.

[2]王菁菁，王錫亮，張志華.地理信息系統(tǒng)在礦產(chǎn)資源勘查領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].技術(shù)與創(chuàng)新管理，2009，30（2）：247-249.

[3]董建軍.基于ArcGIS的地理信息系統(tǒng)實驗教學(xué)改革探討[J].教育教學(xué)論壇，2015，（12）：253-254.

[4]王世界.非地理信息系統(tǒng)專業(yè)GIS課程實驗教學(xué)改革與探索[J].測繪與空間地理信息，2013，36（8）：55-57.

[5]施冬.資源勘查工程專業(yè)GIS課程教學(xué)探討[J].挑戰(zhàn)與機遇·2010高校GIS論壇論文集，2010：44-47.

[6]陳正江.關(guān)于“地理信息系統(tǒng)”課的實踐教學(xué)[J].高等理科教育，2002，4（44）：69-71.

[7]柯麗娜.基于ArcGIS的地理信息系統(tǒng)軟件實驗教學(xué)模式初探[J].地理空間信息，2012，10（6）：55-56.

[8]尚穎娟.“地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)與實踐[J].西南師范大學(xué)學(xué)報.2007，32（5）：171-174.

[9]盛世華.“地理信息系統(tǒng)”課程教育的實踐與思考[J].測繪通報，2000，（6）：40-42.