地理信息系統課程教學體會及改革實踐

韋 娟， 劉乃安(西安電子科技大學 通信工程學院，西安 710071)

0 引 言

隨著云時代的來臨，大數據(Big data)也吸引了越來越多的關注。如何讓大數據時代的空間信息更快、更好、更充分地發揮作用已成為全球研究的熱點[1]。各級核心競爭力越來越依賴于對信息的占有量及處理和利用能力。數字地球[2]、數字區域[3]、數字國家[4]、智慧城市[5]、智慧社區[6]及智能大廈[7]的建設急需大量的空間信息技術人才。空間信息與數字技術正是在這樣一個強烈的需求下應運產生的一個新興交叉邊緣學科，2004年，《自然》雜志把空間信息技術稱為繼生物技術和納米技術之后發展最為迅速的第三大新技術[8]。

2004年，武漢大學設立全國第一個“空間信息與數字技術”專業并開始招生，標志著空間信息與數字技術專業的誕生。2005年我校也適應我國現代化對空間信息領域人才的迫切需要而創設了空間信息與數字技術專業。旨在培養一批具有空間信息科學、現代通信理論、計算機網絡與軟件、可視化、數字化技術、空間信息傳輸系統設計和集成電路設計等方面的基礎理論知識和技術綜合能力的人才。其課程設置是在通信工程專業的基礎上進行了部分改制，地理信息系統是其中一門重要的專業基礎課，它結合空間技術、信息技術和各類應用技術，主要研究空間信息的采集、儲存、管理、運算、分析、顯示等理論、方法與技術[9]。不僅如此，這門課程對提高學生的綜合素養、訓練與提高學生的邏輯推理能力與抽象思維能力都有重要作用。

1 基本知識的教與學

在基本知識的教學中，教師要研究和把握概念認識過程的特點和規律性，根據學生的前期課程基礎及認識接受能力來選擇適當的教學方式。因此，在基本概念教學中應注意以下幾點。

1.1 相關知識的回顧及拓展應用

多學科交叉是地理信息系統的一大特點，而對于空間信息與數字技術專業的學生來說，前期的基礎知識只有相關數學及數據結構與數據庫等課程內容，其他的專業基礎知識如地理學、地圖學、遙感學等學生一概不知。在這樣的形勢下教學，就要求老師在有限的課時情況下，如何合理優化地補充相應的專業知識，并能帶領學生及時回顧相關課程的知識點。在此基礎上對知識進行拓展應用，激發學生的學習興趣，提高學生運用知識，融會貫通的靈活性。

1.2 融合式教學

GIS與GPS、RS(即3S技術)以及GPS/INS、AGPS等技術也都是學生感興趣的內容[10]。教師教學時，在講清楚基本概念后，準備一些實用的素材或者將科研中的相關內容進一步融合進來，將理論與實踐相結合，可極大地提高學生的學習熱情。

1.3 啟發式教學

教學中，要“授之以魚，更要授之以漁”，不僅需要傳授基本知識，更應注重啟發學生的思維，調動學生的學習興趣，培養其應用知識的實踐能力。教師根據每部分內容，可以提出一些與生活息息相關的問題，讓學生嘗試著去分析解決。如在講授緩沖區分析和疊加分析內容時，通過課堂討論的教學方式開展。學生們提前搜集與這兩部分內容相關的實際應用，并在課堂上針對噪聲污染、空氣污染等內容展開激烈的討論，極大激發了學生的學習興趣，獲得了很好的教學效果。

1.4 互動式教學

地理信息系統課程的工程實踐性很強，實際教學中往往以講解基本知識為主。教師在教學活動中，可廣泛結合一些具體的工程實際項目的例子與學生一起探討[11]，這樣可以調動學生積極性，培養學生的創新意識和創新能力，繼而達到較好的學習效果。

1.5 多媒體教學

對于在計算機軟、硬件系統支持下的地理信息系統課程來講，采用多媒體教學方法，可以生動形象、直觀明了地展現教學內容，也可將工程實踐和科研成果以示例、動畫演示給學生，大大增加了課堂教學的信息量[12]。例如在講解GIS的基本功能時，可以將各項功能表示出來，再進行逐一講解，便于學生理清各項功能之間的關系。

2 實驗教學中存在的問題與改革措施

2.1 存在的問題

地理信息系統自形成起，就需要將理論與實踐緊密結合，將知識應用到具體的實際工作中[13]。但在目前的實驗教學中，普遍存在一些問題：

(1) 實驗內容單一。目前的大部分實驗教學主要是學生根據實驗指導大綱，按部就班地完成實驗操作[14]。學生沒有更多選擇的機會，導致部分學生對實驗內容缺乏興趣，不利于發揮學生的個體特長，教學效果自然不佳。

(2) 實驗題目陳舊，內容更新慢。隨著計算機和信息技術的迅猛發展，知識體系也快速更新，新技術轉化為實際工程應用更是飛速發展。但通常實驗內容的使用周期往往是好幾年，內容更新緩慢[15]，跟不上新技術新應用的發展，因此，學生對過時的技術應用沒有很大的學習興趣，實踐效果并不理想。

2.2 改革措施

針對上述問題，我們進行了實驗教學改革，主要體現在以下幾方面：

(1) 實驗題目多樣化，內容新穎。實驗內容要隨著實際應用及時更新，要貼近實際，最好選擇一些與我們生活密切相關的內容。在實驗課程開始之前一個多月，筆者給出了若干個內容新穎，貼近生活的綜合實驗題目，如“GIS在新農村規劃中的應用”“校園地理信息系統”“西安電子科技大學東門口丁字路口紅綠燈(交通燈)設計”“西安電子科技大學的公共自行車服務評價及優化處理”“西安市南二環噪聲地圖研究”“基于GIS的樂購平臺”“城市電信地理信息系統”“地鐵對西安市陸路交通空間可達性的影響分析研究”“PM2.5的擴散模擬及預測分析模型”“數字化城市的理解和設想”基于GIS空間分析的不同人群購房需求模型”“霧霾多尺度監測和預報”“GIS在物流系統中的應用”等。學生可根據自己的興趣愛好在這些題目中選題，以2或3人自由組合的形式協同完成選定實驗題目。

從綜合實驗題目多樣化的實施效果看，學生對這些貼近生活實際的實驗題目興趣濃厚，并能夠根據自身特長選定適合的題目。另外綜合實驗題目可選擇的余地很大，極大激發了學生的積極主動性。實驗課程的自由度大大放松，給學生提供了一個自由施展的空間，也使他們的學習更富有創造性。而且每組的實驗內容不盡相同，鼓勵各小組之間相互學習、相互討論、集思廣益，充分發揮學生的創造力去實現自己的想法，同時也培養了學生的組織合作及交流創新能力。

(2) 多種方式結合，提高學生學習熱情。學生通過“自由選題—查閱資料—制定方案—具體實施”等幾部分完成綜合實驗。在此基礎上，篩選出優秀成果參加各種級別的專業競賽，如鼓勵一些學生積極申報相關內容的國家級科創項目，或者參加每年度的“Esri杯中國大學生GIS軟件開發競賽”。

當然需要為學生提供相應的專用場地和設備，地理信息實踐環節主要是通過計算機技術、GIS專業軟件和GPS軟硬件相結合，進行實踐性軟件二次開發的過程。我校空間信息與數字技術實驗室是為配合地理信息系統教學而專門建設的，實驗室主要擁有ArcGIS軟件，服務器，掃描儀，繪圖儀，GPS原理實驗平臺等軟件和設備。通過該實驗室的建設和開放，為學生實現創新開發搭建了很好的平臺。

(3) 改進考核方式。以前的地理信息系統實驗課程是通過筆試和實驗兩部分進行考核，有很大的局限性，學生尤其反感機械僵硬式地筆試部分。在近兩年的實驗教學改革中，最終的實驗考核是根據學生的基礎實驗及綜合實驗的設計報告、設計的完成情況和現場答辯綜合完成[16]。從根本上杜絕了相互抄襲現象，最終成績能夠反映學生的真實情況。進而調動了學生的主觀能動性，培養了創新思維的科學意識和能力。

2.3 初步取得的成果

現場答辯的情況大大出乎意料，可以看出學生從“材料準備—現場演講—回答問題”的每個環節都投入了很多的時間和精力。如選題“GIS在新農村規劃中的應用”的這組學生將題目具體化為“GIS在新農村規劃中的應用——以陜西省彬縣雅店村為例”。雅店村是一位該小組成員的家鄉，學生利用五一放假專門回家進行了信息收集，拍了很多照片作為素材，向村長和其他人員了解該村的歷史，現狀及其發展，分析了該村的高程地形，人口分布，土地類型，社會經濟情況，洪水災害分析及預防，河谷地區規劃以及新農村的建設和規劃等方面，完成了一份詳細完整的專業基礎論文。“GIS在防災減災中的應用”組的同學以我國的主要自然災害為例展開分析。如近幾年的地震情況，流行病分布情況，以及暑期長江流域的洪澇災害等，對其進行了詳盡的分析，并給出了適當的解決設想和具體實施方案。“西安市南二環噪聲地圖研究”組的學生也毫不遜色，他們利用周末和節假日去南二環的特征點采集數據，記錄和整理南二環的地形、建筑物以及橋梁等的分布，為后期的具體實施奠定了較好的基礎。

部分實踐結果如圖1～3所示。其中圖1給出了西安電子科技大學新校區矢量圖，圖2是基于GIS/GPS/GSM的車輛監控調度系統中的查詢車輛當前狀態并顯示結果，圖3給出了西安市南二環GIS模型3D圖。

圖1 西安電子科技大學新校區矢量圖

圖2 基于GIS/GPS/GSM的車輛監控調度系統—查詢車輛當前狀態并顯示

圖3 西安市南二環GIS模型3D圖

3 結 語

在地理信息系統課程的教學過程中，教師在基本理論教學的基礎上，應注重各種地理信息系統的實踐活動。通過各種實踐環節，使得學生進一步理解理論課知識，學會如何利用理論知識解決實際生活中的復雜工程問題，提高學生綜合應用相關知識的能力。通過實踐也可使學生對科學研究的全過程有一次切身的體會，學會查閱資料，針對課題進行總體規劃、詳細設計、編程實現及完成后撰寫有關論文，培養學生嚴謹的科學態度及科學作風。

總之，通過多種方式的教學方法、教學手段和實踐應用，把基礎理論、實際問題、實驗和實踐有機結合起來，才能達到傳授知識、培養能力的教育根本目的。

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