面向地理科學專業的地理信息技術實踐教學體系的改革與實踐

吳紅波，張瑞君

(1.陜西理工大學 地理科學系，陜西 漢中 723000； 2.西北大學 陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室，陜西 西安 710127)

地理信息科學是集成地圖學、測量學、地理模型、遙感技術、環境資源、社會學、全球定位系統等一體的綜合性學科，闡述人地關系、生地關系、社地關系和天地人機關系的機理過程與科學問題[1]。地理信息系統(Geographical Information System，GIS)概念自20世紀60年代在加拿大提出后，GIS空間分析技術得以飛速發展，社會對GIS類技術人才的需求較為迫切。21世紀初，互聯網+、物聯網、人工智能、虛擬可視、移動互聯、云計算、大數據等技術飛速發展和應用[2]，使我國地理信息產業步入高速發展期，迅速促進地理信息技術的推廣與普及。GIS應用系統軟件的日趨成熟[3]，使GIS市場在數據服務、系統軟件服務、傳感網服務、地學知識服務上呈現多元化需求[4]。因此，在“新工科”和“卓越工程師教育培養計劃”建設背景下[5]，地理信息技術的內涵、應用領域、表達形式、發展方向需要重新思考[6]，培養適應時代發展需求的GIS技術人才已成為地理信息技術課程教學改革的當務之急[7]。

隨著知識經濟和高新科技的飛速發展，地理信息技術類的畢業生所需要的GIS知識的數量和學科融合程度也在不斷增大[8]；以地理信息系統(GIS)、遙感(Remote Sensing，RS)、全球定位系統(Global Positioning System，GPS)為核心的地理信息技術實踐課程，具有較強專業性、實踐性、技術性和創新性。地理信息產業市場需求及復合型人才培養，必須依托于師范、工科、農業、林業、地質、海洋等領域發展，不能脫離行業應用的特色。從辦學層次來看，在我國GIS教育主要以本科和研究生培養為主[9]，高等職業技術教育培養偏少[10]。目前，各個培養院校在本科層次教學質量、師資力量和辦學條件存在差異，核心課程體系課程設置也不相同[11]，學生的GIS實踐水平良莠不齊，與地理信息產業發展趨勢及用人單位需求不相符。地理信息技術類課程教學內容側重點的差異、課程教學內容的滯后，與社會應用脫節，導致GIS實踐技能與其他學科的創新能力不足[12]，因此，地理信息技術實踐教學應適應社會市場需求和地理信息技術發展趨勢。為適應提升實踐課程教學質量和服務學生個性化發展，以陜西理工大學地理科學專業為例，結合2015—2017年間地理信息技術實踐課程的教學體系優化、教學內容設計和教學模式改進，探討模塊化和案例式教學方法引入地理信息技術實踐課程學習、學科競賽與學生創新能力培養，旨在為地方高校地理科學專業的內涵建設強化和轉型升級提供實踐參考。

1 地理信息技術實踐教學現狀

1.1 師資結構不合理，生源質量較差

陜西理工大學地理科學專業自2008年開辦以來，致力于地理師范類人才培養，本科辦學時間短，GIS教學水平有限。目前，2名專任教師負責GIS課程教學，分別負責GIS理論基礎和實踐課程教學，GIS基礎知識掌握較弱，教師GIS實踐經驗不足，對于GIS二次開發和地理信息技術動態前沿授課未引起足夠重視。面對高考人數擴招和生源質量持續下降，我校地理科學專業本科生多為高考調劑志愿生源，文理兼招，學生對GIS的認知水平較低，懼怕實驗技能操作偏多的實踐課程。

1.2 實踐教學與技術應用脫節，人才培養缺乏特色

地理科學專業課程包括公共必修課、專業基礎課、專業課程等3個層次課程體系。然而，在教學環節中注重地理學基礎理論學習，忽視地理信息技術技能培養。作為實踐性、技術性、綜合性較強的GIS實踐課程，授課內容過于陳舊、前沿技術應用匱乏、GIS工程與實踐教學脫節，難以保證實踐教學質量和應用水平。在GIS相關實踐課程教學過程中，將學生培養成單純的數據采集與處理、二次開發、專題制圖的人才，而缺乏某一領域的深入研究[13]。即使大部分學生掌握了GIS軟件基本操作和初級二次開發能力，但是忽略學生發展的實際環境，未能有效利用行業或者區位優勢資源，缺乏特色實踐專題訓練。

1.3 GIS工程思維較弱，創新能力培養不足

在地理信息技術實踐環節中[14]，采用傳統的“課堂-上機-考試”教學模式，而缺乏相應的專業知識和系統構思能力，忽視創新思維的培養。學生對某一應用目標的實現或專題信息提取，認為按照原有的體系模型做即可，不能融會貫通的解決實際問題，思維經常局限于實踐課程基本內容和操作。因此，需要把握地理信息技術課程知識體系的遞進關系、內在關聯、難易程度，從課程設計、教學內容、教學模式上強化GIS工程實踐和系統性思維。

2 教學改革內容與設計

2.1 優化實踐課程體系，強化實踐教學內容

地理信息技術課程體系主要由理論基礎、技術系統、應用方法組成(見圖1)。針對傳統課堂講授效果不佳、實踐內容陳舊、教學體系跟不上地理信息產業發展需求、技術更新等問題，根據對地理信息技術課程教學的深度和側重點的把握，適當調整GIS課程體系結構，采用案例式、模塊化教學和“以賽促學”模式應用于GIS實踐課、GPS實踐課、RS實踐課。為了強化GIS方法、應用案例和GIS前沿動態，課程學習不僅引入模塊化和案例式教學模式，也通過特色專題任務訓練和上機考試題庫模擬，突出針對性、專業性、關聯性較強的實踐環節，并結合GIS前沿技術、理論與方法進行深度講解。根據用人單位意見反饋和畢業生崗位職責要求，GIS實踐教學中的地理信息類軟件，以ArcGIS、ArcGIS Pro、MapGIS、SuperMap等軟件為主，兼顧遙感、GPS數據處理、制圖軟件學習，重點強化學生的GIS實踐水平和創新能力。

圖1 地理信息技術實踐課程體系

2.2 教學方法靈活應用，課程考核體系多元化

為克服以課堂板書和多媒體演示為主的傳統授課思維的僵化，以利于學生系統性地掌握知識，強化學生實踐應用及創新能力培養，地理信息技術實踐環節引入模塊化、案例式混合教學進行授課。GIS、RS和GPS實踐教學內容及教學模式設計見表1。

課程考核綜合成績由上機成績(權重為70%)、實驗報告和作業成績(權重為20%)、平時成績(權重為10%)3部分求和。此外，社會調查報告、大學生科創成果、假期見習、GIS二次開發軟件等作品，均可加權計入課程考核成績。

2.3 突出實踐教學內容，強化實踐水平

根據“GPS原理與應用”“GIS空間分析”“專題地圖制圖”“遙感數字圖像處理”“現代測量技術”和“GIS二次開發”等課程教學目標與實踐要求，構建了地理科學專業的地理信息技術的主要實踐內容及考核指標(見表2)。按照學生掌握模塊數量和實踐能力，采用優秀、良好、中等和較差等級評估體系，考察在校本科生的GIS實踐內容掌握程度，針對突出問題和較多難點反饋，動態調整授課內容，逐步提升地理信息技術實踐教學質量和學生實踐水平。

2.4 強化專題模塊訓練，以賽促學

根據地理科學專業培養計劃和課程設置要求，地理信息技術課程實踐環節既有遙感應用、GIS基礎實驗、土壤、水文、氣象學等關聯性較強的實驗設計，也有基礎性、驗證型、綜合型和創新性實驗。本科生可以根據計算機特長、編程能力、研究興趣和就業方向，組建創新活動項目小組，參與專題任務學習和GIS類學科競賽活動(見表3)。對于GIS、遙感、測量實踐內容感興趣的同學，授課老師可安排難易適中的科研實驗、數據處理與分析、社會調查任務，進一步深化學生自學能力、專業應用能力、獨立創新能力的培養。

表1 地理信息技術實踐教學實踐與設計

表2 GIS、RS和GPS實踐內容模塊要求

表3 地理信息技術實踐專題任務內容與技能要求

續表3

以賽促學是將模塊化教學內容、專題任務訓練融入到實踐課程教學體系中[15]，把GIS前沿知識、工程經驗、教學理念帶到實踐課堂，是日常教學活動的一種升華[16]。隨著師資力量、教學科研基礎條件及教學交流的不斷提升，學校已連續3年舉辦校級GIS應用技能選拔大賽，鼓勵本科生參與大學生課外科技創新大賽、全國GIS技能大賽等活動，鼓勵學生參加企業見習、GIS類培訓、自主申報大學生科技創新基金、撰寫地理信息類相關學術論文，拓寬視野和綜合學術素質，培養學生解決實際問題的能力。

3 教學效果與學科競賽情況分析

3.1 課堂效果及成績考核反饋

地理科學2013級43人(2個班級)、2014級110人(4個班級)和2015級60人(2個班級)地理信息技術實踐課程教學中，采用模塊化、案例式、多媒體、板書課堂授課模式授課課時比重見圖2，其中模塊化、案例式的授課課時分別占到35.0%、30.0%，多媒體占到25%，板書課堂達到10%，這表明模塊化和案例式教學更容易受到學生的喜愛。本科生參加GIS類學科競賽、模塊化任務專題、參加教師科研項目的本科生人數比重見圖3，分別占到調查學生人數的37.0%、19.0%和15.0%；其中，參與大學生課外科技創新活動的學生人數比重為12.0%，學生對課程基礎實驗、實習、企業見習和其他實踐形式的積極性較低，僅為5%、5%和7%。

以“GIS空間分析技術”和“遙感數字圖像處理”主干實踐課程為例，分析地理科學2013級、2014級和2015級本科生GIS、RS實踐能力和操作掌握程度。與地理2013級“GIS空間分析技術”和“遙感數字圖像處理”課程考核成績區間分布相比(見圖2和圖3)，地理2014級、2015級學生的課程考核成績良好(成績區間80～89分)和優秀(成績區間90～100分)的學生比重持續增加，這表明學生自主學習興趣有所增強，大多數學生能夠獨立操作和使用主流的GIS、遙感圖像處理類軟件。此外，模塊化專題任務和案例式講授方式能幫助學生加深實驗原理和操作過程的理解，激發學生學習興趣和動手能力，促進GIS和遙感圖像處理技能的熟練掌握和靈活應用。

圖2 “GIS空間分析技術”課程考核成績區間

圖3 “遙感數字圖像處理”課程考核成績區間

3.2 GIS類學科競賽情況

2015—2017年期間本科生在北京超圖公司的“SuperMap杯全國高校GIS大賽”、ESRI公司“ESRI杯中國大學生GIS軟件開發競賽”、中地數碼集團的“全國高校GIS技能大賽”、“挑戰杯”全國大學生系列科技學術競賽、大學生創新創業訓練計劃項目等各類別學科競賽中獲國家級獎勵13項，其中三等獎及以上6項(見表4)。2015—2017級本科生在各類別GIS類學科競賽的獲獎人數持續增加，已累積達到72人次，占到地理科學在校本科生總人數的33.8%。而且，國家級GIS類學科競賽獲獎學生人數和項數的增加，表明通過參加GIS類學科競賽活動和培訓，使學生的團隊協作、學術能力和實踐能力得到強化，激發了學生的創新意識和自信心，對地理信息技術課程實踐教學質量的提升起到推進作用。

表4 2015—2017年本科生在GIS類學科競賽的獲獎情況 項/人次

4 結束語

目前，我國地理信息產業市場對人才數量和質量的需求日益增加。正確認識學生的工程實踐能力和創新能力內涵建設，成為地方院校地理科學專業GIS類實踐課程改革和教學質量提升的當務之急。在面臨就業壓力大、實踐教學水平較弱、課堂體系僵化的背景下，我校地理科學2013級、2014級和2015級的地理信息技術實踐課程體系從課程優化、教學內容組織與設計、教學方法和課程考核體系方面進行改革，制定有效的專題任務訓練，主要表現在：1)結合秦巴地區相關自然地理、人文、旅游資源的區位優勢，引導學生自主創新，使實踐環節和內容具有較好的完整性和一致性。2)為強化學生創新實踐能力和個性化思維，地理信息技術實踐課程從GIS、RS和GPS實踐教學環節進行了模塊化、案例式教學模式講授，模塊化和案例式的課堂講授學時比重，分別占到35.0%、30.0%；而且，考核成績良好(成績區間80～89分)和優秀(成績區間90～100分)的學生人數比重持續增加。3)地理信息技術類專題任務學習和學科競賽活動的內容，緊密聯系地理信息技術的前沿動態、應用案例和工程實踐，構建具有區域特色的實踐教學創新訓練，很大程度上激發學生的學習積極性和自信心，提升GIS、RS和GPS實踐操作水平和學科融合應用能力。因此，在地理信息技術實踐課程體系優化和教學改革的基礎上，進一步探索GIS工程思維和創新人才培養，適應當今社會GIS技術發展和創新能力要求的復合技能型人才，具有重要的現實意義和借鑒價值。