《GIS與災(zāi)害評(píng)價(jià)》課程的教學(xué)設(shè)計(jì)

鄧榮鑫，趙東保，許德合，王小東

（華北水利水電大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，河南鄭州 450046）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)地理信息系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的加深，各國(guó)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中也越來(lái)越重視地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。地理信息系統(tǒng)（GIS）行業(yè)的快速發(fā)展，需要高校的地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)教育適時(shí)地適應(yīng)市場(chǎng)需求，更新人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)具有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)、良好的實(shí)踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才[2]。根據(jù)地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)，我校地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置在基礎(chǔ)理論課程學(xué)習(xí)之外，也開(kāi)設(shè)了很多注重應(yīng)用和實(shí)踐的課程，《GIS與災(zāi)害評(píng)價(jià)》就是一門(mén)將理論與應(yīng)用相結(jié)合的專(zhuān)業(yè)選修課程。

1 課程總體設(shè)計(jì)

《GIS與災(zāi)害評(píng)價(jià)》是該校地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)針對(duì)大四本科生開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)選修課程。鑒于該階段學(xué)生已經(jīng)有了較為充分的專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)和積累，該課程的目的是能夠?qū)W(xué)生的理論知識(shí)系統(tǒng)化和專(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用化。因此，該課程以應(yīng)用GIS方法進(jìn)行災(zāi)害評(píng)價(jià)為目的，以GIS空間數(shù)據(jù)處理流程為主線(xiàn)，交叉地理學(xué)、遙感（RS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、地圖學(xué)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合實(shí)際案例分析，使學(xué)生能夠提升對(duì)GIS理論的理解層次，并能夠運(yùn)用GIS方法進(jìn)行災(zāi)害評(píng)價(jià)等方面的實(shí)際應(yīng)用，提高學(xué)生該本專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)認(rèn)知和動(dòng)手能力。為達(dá)到以上目的，該課程首先側(cè)重于技術(shù)方法，以GIS技術(shù)方法和處理過(guò)程為主線(xiàn)，介紹所需要的GIS功能及其基礎(chǔ)理論；同時(shí)側(cè)重于應(yīng)用和實(shí)踐，以運(yùn)用GIS進(jìn)行災(zāi)害評(píng)價(jià)為中心，講述如何進(jìn)行問(wèn)題分析、如何設(shè)計(jì)技術(shù)流程并最終如何實(shí)現(xiàn)災(zāi)害評(píng)價(jià)；在教學(xué)方法上，該課程實(shí)行融合式、探究式和交互式等教學(xué)方法，融合式教學(xué)體現(xiàn)在課程講述過(guò)程中綜合其他相關(guān)課程知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生形成專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系；探究式教學(xué)方法體現(xiàn)在以問(wèn)題導(dǎo)向?yàn)橹行?，引?dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題；交互式教學(xué)方法體現(xiàn)在組織課堂討論的形式展開(kāi)對(duì)相關(guān)問(wèn)題的探討。

2 課程理論設(shè)計(jì)

GIS可簡(jiǎn)單地定義為用于采集、模擬、處理、檢索、分析和表達(dá)地理空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[3]。其中，空間數(shù)據(jù)是GIS的處理對(duì)象，空間分析是其核心。GIS基本理論是GIS課程的關(guān)鍵所在[4]，而具有應(yīng)用技能水平則需要系統(tǒng)的學(xué)習(xí)地學(xué)、計(jì)算機(jī)、GIS等相關(guān)課程[5-6]。鑒于大四學(xué)生已有相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，該課程理論部分的講授從應(yīng)用的角度，以空間數(shù)據(jù)為對(duì)象，以GIS空間數(shù)據(jù)技術(shù)處理流程的順序，設(shè)計(jì)基本理論、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)等環(huán)節(jié)（如圖1所示）。在GIS概念的講授中，通過(guò)融合式的教學(xué)方式，從地理學(xué)的角度理解GIS的應(yīng)用目的，從地理信息的角度展示GIS的獨(dú)特特征，從信息系統(tǒng)的角度分析GIS的數(shù)據(jù)處理過(guò)程；在空間數(shù)據(jù)獲取部分的講授中，指出空間數(shù)據(jù)即為GIS處理的對(duì)象，從應(yīng)用的角度講解GIS空間數(shù)據(jù)類(lèi)型和獲取方法、不同數(shù)據(jù)類(lèi)型和格式間的轉(zhuǎn)換方法以及空間數(shù)據(jù)的組織方式，其中遙感技術(shù)是獲取GIS空間數(shù)據(jù)的重要手段；在地理空間部分的講授中，強(qiáng)調(diào)空間數(shù)據(jù)區(qū)別于普通數(shù)據(jù)的根本是具有地理坐標(biāo)，空間數(shù)據(jù)間的復(fù)合基礎(chǔ)是地圖投影，主要講解常用的地圖投影參數(shù)、地圖投影的轉(zhuǎn)換方法；在空間分析部分的講授中，強(qiáng)調(diào)空間分析是GIS的核心，是GIS理論部分的重點(diǎn)，從災(zāi)害評(píng)價(jià)的角度，利用小型案例講解GIS的疊加分析、緩沖分析、DEM分析、統(tǒng)計(jì)分析等空間分析方法；在數(shù)據(jù)表達(dá)部分的講授中，強(qiáng)調(diào)地圖（以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)）是GIS的“臉面”，地圖可視化是GIS數(shù)據(jù)處理和分析結(jié)果的展示，結(jié)合地圖學(xué)的內(nèi)容講解地圖制圖設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)重現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析、管理和制圖的全過(guò)程。

在理論課程的設(shè)計(jì)中，既注重了課程的整體性，展現(xiàn)了GIS空間數(shù)據(jù)處理的一般過(guò)程，融合了該專(zhuān)業(yè)其他課程相關(guān)知識(shí)，搭建了GIS相關(guān)理論框架，又將每個(gè)部分的知識(shí)點(diǎn)與應(yīng)用結(jié)合，加深了學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，增加了GIS理論認(rèn)知的深度。

圖1 課程理論教學(xué)體系

3 課程案例設(shè)計(jì)

結(jié)合學(xué)校和學(xué)院特色，從農(nóng)業(yè)干旱、地質(zhì)災(zāi)害、森林火災(zāi)、城市熱島等方面進(jìn)行案例分析，剖析GIS災(zāi)害分析和評(píng)價(jià)的一般思路，并綜合運(yùn)用3S（GIS、RS和GPS）技術(shù)講解GIS災(zāi)害分析和評(píng)價(jià)的一般過(guò)程，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，能夠讓學(xué)生掌握GIS災(zāi)害分析和評(píng)價(jià)的具體方法。該文以地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)為例，分析該部分內(nèi)容的授課方法。

3.1 提出問(wèn)題

某區(qū)域是滑坡易發(fā)區(qū)，滑坡的發(fā)生能夠掩埋房屋，摧毀建筑，堵塞河道，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失。對(duì)區(qū)域滑坡發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)具有重要的意義。

3.2 思路分析

如何進(jìn)行滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)呢？需要有合理的評(píng)價(jià)體系；如何建立評(píng)價(jià)體系？需要有科學(xué)的評(píng)價(jià)因子；如何選擇評(píng)價(jià)因子？需要掌握引起滑坡發(fā)生的誘發(fā)因素；如何能夠利用GIS技術(shù)完成區(qū)域滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)？首先需要將滑坡發(fā)生的誘發(fā)因素轉(zhuǎn)化為空間數(shù)據(jù)，通過(guò)空間數(shù)據(jù)處理建立地理數(shù)據(jù)庫(kù)，其次構(gòu)建滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并利用空間分析方法基于評(píng)價(jià)模型實(shí)現(xiàn)滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，最后利用地圖制圖方法完成區(qū)域滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)專(zhuān)題圖。因此，在問(wèn)題分析過(guò)程中，從根本上要掌握滑坡發(fā)生的機(jī)理和過(guò)程，建立滑坡易發(fā)性的評(píng)價(jià)體系，然后再利用GIS技術(shù)，明確相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析和輸出方法，最終完成目標(biāo)。

3.3 技術(shù)流程

技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)技術(shù)流程

3.4 具體方法

（1）數(shù)據(jù)獲取方法：利用地圖數(shù)字化方法獲取地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)；利用DEM分析方法獲取坡度、坡向、高程和斜坡結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)；利用空間插值方法降雨數(shù)據(jù)；利用遙感信息提取方法獲取道路數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)處理方法：建立統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，建立滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子地理數(shù)據(jù)庫(kù)。（3）數(shù)據(jù)分析方法：基于指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，利用緩沖區(qū)分析、重分類(lèi)等方法建立各因素評(píng)價(jià)等級(jí)；基于評(píng)價(jià)模型（可通過(guò)層次分析法等模型建立），利用地圖代數(shù)方法完成滑坡災(zāi)害易發(fā)性分析。（4）數(shù)據(jù)輸出方法：基于網(wǎng)格法完成專(zhuān)題制圖。

3.5 擴(kuò)展思考

考慮評(píng)價(jià)單元和數(shù)據(jù)獲取等方面因素，空間分析是基于柵格數(shù)據(jù)完成，能否利用矢量數(shù)據(jù)來(lái)完成分析？為便于學(xué)生比較思考，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)課程會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)基于矢量數(shù)據(jù)分析的災(zāi)害分析案例——森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并讓學(xué)生分析解題思路，完成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并比較兩個(gè)案例的異同點(diǎn)，總結(jié)類(lèi)似評(píng)價(jià)方法的一般思路和過(guò)程。通過(guò)相關(guān)案例分析，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生思考分析問(wèn)題的能力和動(dòng)手能力。

4 課程考核設(shè)計(jì)

該課程側(cè)重于技術(shù)應(yīng)用和實(shí)踐，為避免僵硬的理論考查模式，該課程設(shè)計(jì)了多樣靈活的考核模式：（1）實(shí)驗(yàn)考核：通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，側(cè)重于考核學(xué)生對(duì)問(wèn)題的分析和方法的比較，以及實(shí)踐動(dòng)手能力；（2）小組討論：根據(jù)學(xué)生人數(shù)分成若干小組，每組按興趣確立一個(gè)GIS災(zāi)害評(píng)價(jià)相關(guān)的題目，通過(guò)查閱資料獲取相關(guān)研究動(dòng)態(tài)和分析方法，并安排2個(gè)學(xué)時(shí)用作組織匯報(bào)，鍛煉學(xué)生合作能力、自學(xué)能力以及科研匯報(bào)能力；（3）課程報(bào)告：給出一個(gè)災(zāi)害評(píng)價(jià)需求并提供相關(guān)原始數(shù)據(jù)，學(xué)生自行設(shè)計(jì)研究方案，完成相關(guān)災(zāi)害的GIS評(píng)價(jià)，并提交研究報(bào)告。通過(guò)合理調(diào)整綜合成績(jī)構(gòu)成 （例如：10%平時(shí)成績(jī)+20%實(shí)驗(yàn)成績(jī)+20%小組討論成績(jī)+50%課程報(bào)告成績(jī)），能較好地反映學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，以及在分析問(wèn)題和解決問(wèn)題等方面的能力，并使學(xué)生能夠注重提高實(shí)踐中的動(dòng)手和解決問(wèn)題的能力。

5 結(jié)語(yǔ)

基于以上融合式的知識(shí)貫串、探究式的問(wèn)題分析、交互式的課堂討論和靈活的課程考核等教學(xué)模式，通過(guò)課堂氣氛、課堂討論、學(xué)生提問(wèn)和課程報(bào)告等方面的反饋可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)更加明確、理論知識(shí)更加清晰、學(xué)習(xí)更加主動(dòng)積極，學(xué)生分析問(wèn)題和思考問(wèn)題的能力得到了較好的開(kāi)發(fā)，實(shí)際動(dòng)手能力取得了較大的提高，該課程所采用的教學(xué)方法和方式深受學(xué)生的好評(píng)，取得了良好的教學(xué)效果。

在該課程的實(shí)施過(guò)程中，也存在著一些問(wèn)題，如主要講解了GIS災(zāi)害評(píng)價(jià)的一般方法，對(duì)于相關(guān)方面的前沿問(wèn)題和技術(shù)方法，雖然在學(xué)生討論部分有所涉及，但并沒(méi)有能夠?qū)嵺`實(shí)施，相關(guān)內(nèi)容需要進(jìn)一步深化，今后應(yīng)注意將GIS災(zāi)害評(píng)價(jià)的前沿問(wèn)題和方法引入到課程教學(xué)中，這對(duì)教師的科研能力也提出了較高的要求。