地理空間信息工程專業體驗式教學實踐

汪馳升 高青 易生奧 祝兒安

摘? 要：教育部于2016年度新批準設立地理空間信息工程專業，深圳大學在2017年在全國首次開展了地理空間信息工程專業的招生。作為國內第一所開設地理空間信息工程專業的院校，如何引領專業本科生對新設專業產生專業認同，形成專業學習興趣，從而實現專業人才培養目標，是地理空間信息工程專業教學老師需要認真思考和解決的問題。本次教學實踐基于體驗式教學理論，結合深圳大學荔園文化，以參加深圳大學第七屆建筑文化節為激勵，帶領深圳大學2018級地理空間信息工程專業新生制作深圳大學荔園果香圖。本次實踐幫助學生們形成對地理空間信息數據采集內容的初步認識，培養學生們的專業興趣和成就感，從而為未來幾年的專業學習提供動力。

關鍵詞：地理空間信息工程;體驗式學習;荔園果香圖;深圳大學

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）04-0102-04

Abstract： In 2016， the Ministry of Education approved the establishment of Geospatial Information Engineering （GIE） undergraduate program， and Shenzhen University launched the first national recruitment of Geospatial Information Engineering undergraduate students in 2017. As the first institute with students majoring in GIE in China， how to guide these students to develop interests in geospatial information engineering is an urgent problem. Under this background， we carried out a teaching practice based on experiential teaching theory. The teaching content is to produce fruit tree map of Shenzhen University， which will be presented in the 7th Architectural Culture Festival of Shenzhen University. Through this experiential learning， the students learnt the basic concepts of geospatial information data acquisition and developed interests in GIE. This teaching practice can facilitate their professional course studies in the next few years.

Keywords： Geospatial Information Engineering; experiential learning; Fruit tree map; Shenzhen University

一、背景介紹

地理空間一般表示為地球表面的一切實物形成的相對位置空間[1]。信息是事物及其屬性標識的集合，是經過重新組織的，能夠揭示出現實世界中存在的機理，從而對研究產生有利影響的數據[2]。地理空間信息是空間信息的一個重要組成部分。與其他信息相比，地理空間信息一般具備以下四個特征：屬性特征、時間特征、空間特征、幾何特征。隨著計算機科學的飛速發展，在上世紀60年代產生了世界上第一個真正投入應用的地理信息系統（GIS）。進入80年代，各種領域對地理信息需求的增加，各國相繼推出了商用的GIS。隨著信息學科和地球學科的進一步相互交叉，也逐漸衍生出了一系列相關的學科（如地理空間信息工程、地理信息科學、地球信息科學等）。近些年來，在智慧城市、人工智能、大數據等技術的驅動下，國內外地理空間信息工程的學科和產業也得到了飛速的發展[3-4]。

地理空間信息工程專業是國家教育部2016年新批準的工科特設專業。面向國家城市化與信息化兩大發展趨勢，融合了計算機科學、測繪科學、地理信息科學、城市科學等基本理論，為智慧城市的建設培養高端復合型人才。畢業生能夠從事地理信息工程、智慧城市、國土資源、城市規劃、城市環境、城市安全、城市防災等領域的應用研究、技術開發和生產管理工作。專業方向包括智慧城市、地理信息系統設計與開發、城市智能感知、時空大數據分析等（圖1）。

深圳大學地理空間信息工程專業開設于2017年，專業依托于海岸帶地理環境監測自然資源部重點實驗室、廣東省城市空間信息工程重點實驗室、建筑與城市規劃學院城市空間信息工程系等科研教學實體。專業在創辦之初已經擁有優越的教學環境和條件作為支撐。作為國內第一所開設地理空間信息工程專業的院校，如何引領專業本科生對新設專業產生專業認同，形成專業學習興趣，從而實現專業人才培養目標，是地理空間信息工程專業教學老師需要認真思考和解決的問題[5]。

本論文研究基于體驗式教學理論，依托深圳大學荔園文化，以深圳大學荔園果香圖制作為途徑，帶領深圳大學2018級地理空間信息工程專業新生對本專業的內容進行初步認識，培養學生們的專業興趣和成就感，為未來幾年的專業學習提供支持和幫助。

二、體驗式教學模式設計

體驗式教學（Experiential Teaching）是指教師根據教學需求指導學生到具體場景具體氛圍中實踐，以此讓學生獲得情感體驗，幫助學生更好更迅速地理解掌握教學內容，促進學生的心理機能全面和諧發展[6-8]。與傳統的演示教學法不同，體驗式教學注重學生在教學過程當中的主體地位，強調學生以集體而非個人為單位參與學習，同時，師生間的交流互動更是不可或缺的一部分。

國內外的優秀學者們對“體驗式教學”的探討和研究也還一直處于進行時。例如：基于杜威的經驗哲學、皮亞杰的認知發展論及勒溫的體驗學習模式，大衛科爾本在體驗式學習循環圈模型中將學習過程分解成四個循環往復的階段“具體體驗→反思觀察→抽象概括→行動應用”，即體驗式教學模式。該體驗式學習模型是體驗式學習理論的代表[9]。國內學者張蓉根據其體驗式教學模式操作程序的設計構想（表1）得出“情境設置→主體體驗→評價體驗→遷移體驗”操作流程[10]。

2018級地理空間信息工程專業新生剛剛從高中進入大學，教學環境發生很大改變。與高中教學不同，大學教學重心開始從傳授知識，轉向開啟智慧，培養能力。而體驗式教學模式對我們學生能力的培養就有著重要的積極作用。由于學生在體驗式教學模式的學習過程中充當主體地位，學生自然而然地就多了很多獨立思考的機會，例如在實踐前做計劃，實踐中遇到困難而思考解決方案，以及在最后的交流、反思與總結過程中，學生都是需要先自己思考，再在其小團隊中和同學和老師進行積極的交流探討，這些過程都少不了思維的碰撞與磨合，無時無刻不在培養鍛煉同學們的獨立自主學習能力和創新能力[11-13]。

三、深圳大學荔園果香圖體驗式教學實踐

地理空間信息數據采集在地理空間信息工程專業中具有重要的地位。研究一個區域的地理環境，需要收集該區域的地形、地貌、水文、土壤等資料;測量多個點之間的高度差，需要知道這些點的地理坐標與角度關系等;繪制一幅地圖，需要收集地貌、道路、主要地點等數據。采集地理空間信息數據是完成上述任務的過程中一項不可缺少的工作。地理空間信息工程專業開設的目的是培養掌握地理空間信息技術的人才，而認識地理空間信息數據采集過程是地理空間信息工程專業技能形成的基本前提，可以為以后從事智慧城市、城市規劃、災害防范等領域的工作打下良好的基礎。

荔園文化是深大的傳統文化之一[14]。深圳大學的校址原來是一片荒山野林，“荔園”存在的時間比深大更為久遠。據統計，建校之前，這里共有1732棵荔枝樹。深圳特區的“拓荒牛”——時任深圳市市長梁湘強調，在校園建設的過程中，荔枝樹要好好保護，“一棵也不能少”。羅征啟校長把保護荔枝樹和建設校園工作結合起來，認為房子不能太高大，要隱藏在樹叢中，對校園進行精心規劃與建造。建設過程僅移植了三十多棵荔枝樹，造就了“荔園中的深大”。當時每年荔枝成熟時，深圳市都會舉行荔枝文化節，深大也不例外。不少畢業生會出錢包下一棵荔枝樹，同班同學在樹下品荔、敘情。外國學者、客人也經常受學校邀請前來品嘗荔枝。現在，深大已經和荔園緊緊地聯系在一起。深大的吉祥物是以荔枝為主體的“勵勵”，連接后海校區與西麗校區的高峰專線128公交車又被稱作“荔園直通車”，軍訓時學生們高喊“荔園驕子”的口號。不少深大師生都對荔枝林有著很深的感情。

本次教學實踐活動以地理空間信息數據采集為教學內容，借助于新生對深大荔園文化的熱情，設計了荔園果香圖制作的體驗式教學實踐活動，最后手繪圖成果參加深圳大學第七屆建筑文化節。這次的體驗式教學實踐過程，讓學生加強與荔園文化的聯系，通過自主調查的方式，去探索深大荔園，擁抱深大荔園，熱愛深大荔園。本次實踐參考大衛科爾本的體驗式學習模型，按照實際經歷與體驗、觀察與反思、抽象概念與歸納、遷移與驗證四個步驟，讓學生在學習實踐中不斷經驗領悟和改造，從而形成圖2所示的“地理空間信息工程體驗式學習圈”的體驗循環：

1. 具體情境體驗：讓學生體驗使用深圳大學范圍內百度、高德等網絡矢量地圖、專業遙感影像圖、無人機航拍地圖等，對地圖所呈現的內容進行初步感知。

2. 觀察和反思：學生通過體驗后進行回想，引導學生從現有地圖上尋找深圳大學的不同果樹分布位置，總結目前所使用的地圖在尋找果樹分布的不便之處。

3. 抽象與歸納：以果樹分布信息為例，引導學生對地理空間信息采集和可視化的概念范疇進行梳理總結，形成對這一概念范疇的理解。

4. 專業實踐：帶領學生開展荔園果香圖的數據采集和手繪圖制作，在實踐中發現問題、解決問題，進行調整和改進，從而鍛煉培養學生初步專業能力。最后，讓學生帶著實踐成果參加深圳大學建筑文化節展覽，對學生的學習工作進行激勵反饋。

四、荔園果香圖制作實踐過程

《荔園果香手繪圖》的制作實踐過程分為兩部分，分別是小組繪制草圖和匯總信息繪制正圖。

第一部分繪制草圖。以小組形式開展體驗式教學的實踐過程，每個小組需要完成指定區域的草圖預畫。首先將深圳大學后海校區的校園分成小區域，每個小組選擇自己的區域，進行地理信息的數據的實地采集工作。采集過程中，需要對果樹等進行辨識和記錄。辨識過程中，主要使用形色、識花君等應用程序進行拍照識別，并輔以QQ、百度識圖等軟件的數據進行對比，減少錯誤數據的干擾。果樹識別完成后，需要對其地理位置進行記錄，使用了兩種方法減少地理位置的誤差：一是通過打印或簡單手繪的紙質地圖，對比周圍的建筑物、道路等直接標注;二是先通過經緯定位器、地圖加加、步行者坐標等APP先對經緯度坐標進行記錄，后通過百度地圖、高德地圖等電子地圖進行標注。標注完成后，各小組就開始荔園果香圖的草圖繪制，主要使用電腦軟件PS、painter 3D等進行繪制，繪制過程中，相同種類的果樹只進行區域標注，盡可能準確、清晰地表達出果樹的種類與地理位置。每個小組完成后匯總草圖，這樣，局部草圖的繪制工作就完成了（圖3）。

第二部分繪制正圖。首先使用深圳大學的電子地圖，根據總體建筑與道路的規劃布局，以及地形地貌，結合“荔園果香”的主題，勾畫整體草圖，突出深圳大學標志性建筑的周圍環境，再結合果樹的地理空間數據，使畫面更具有趣味性。緊接著的上色部分，借鑒中國水墨畫中的表現手法，描繪出具有代表性的植被，再運用群山、飛鶴等意象來烘托出超然氛圍。最后確定水墨畫的整體基調，再對畫中的各種細節進行精修，如圖中植物的形狀、建筑的樣式等，再調整統一風格，荔園果香圖正圖繪制就完成了（圖4）。

五、結束語

通過這次體驗式教學實踐，同學們的學科素養得到了培養，并且在以下幾個方面的能力得到了提升：

1. 使用地圖的能力。同學們在分配任務時，要依照負責人在深大校園地圖上劃出的區域進行調查。在調查時，同學們又需要通過手機地圖、傳統地圖對區域內錯綜復雜的道路進行地毯式調查，并且記錄數據。同學們的識圖能力在認路的過程中得到鍛煉。

2. 簡單的數據分析能力。同學們對植物學的知識并不精通，故只能通過其他方式減少錯誤的產生。同學們多次拍照識別，選取多份資料中出現得最多的結果或最接近正確答案的結果，這個過程類似于地理空間信息工程專業需要掌握的誤差處理。

3. 戶外考察能力。戶外是地理學科最大最好的實驗室，在戶外考察能夠體驗原汁原味的地理學習。不同于平時上課的課室，戶外環境的條件比較艱苦。為了獲取真實的一手數據，對調查者來說，長時間步行、蚊蟲叮咬、天氣變化等等都是家常便飯。這次校內調查，歷經3個星期多次地理信息數據采集過程，這也是對學生在艱苦環境下進行地理信息數據采集做了一次演練，同學們對戶外的工作環境與過程有了更進一步的了解。

4. 團隊協作能力。同學們以四人為一小組，有些工作場合全部出動，有些工作場合分工完成。每周的局部草圖，都是同學們工作的結晶。地理空間信息工程專業后續很多作業、實習，乃至同學們畢業后從事的相關工作，都需要團隊合作。這次活動可以培養同學們的團隊意識，為未來的學習工作積累豐富的經驗。

六、建議

荔園果香手繪圖的體驗式學習過程蘊含著培養學生創新性思維和創新能力的豐富素材，讓學生體驗地理信息數據采集過程，為以后掌握地理空間信息技術、城市科學和數據科學基本理論、技術和工程實踐方法打下基礎。此次教學實踐從身邊的， 生活中的人地關系問題入手，以校園為實踐基地，采用分組模式，并采取組內成員分工模式來進行實踐活動。體驗式學習過程有助于培養學生的地理觀察，分析，實踐能力，通過學校周邊的事物激發學生的興趣和好奇心，訓練學生的綜合思維，從而更好地培養學生的地理信息數據采集能力。此次荔園果香圖的體驗式過程很好地體現了本專業特色的體驗式教學模式，以三四個學生為一小組，通過實地勘測的方式記錄數據，強化了學生地理信息數據采集能力。學生們不僅了解到了大學里面果樹的種類，數量及其分布情況，而且提高了學生自身的信息獲取能力，為往后的測繪，遙感及地理空間信息采集，處理，分析，表達及應用的能力夯實了基礎。在此次過程中學生們對地理空間信息工程這一專業有了一定的了解及自己的看法，并對往后自己的就業定位也有一定的幫助。

由于荔園果香手繪圖的體驗式過程的區域局限性，如何通過教學改革與實踐，培養綜合的地理思維，提煉基本勘測實踐技能，即開展范式化的教學，讓學生們了解到更多的不同區域的果樹情況，有待探討。另外，在這次體驗式過程中學生們也遇到了一些困難，主要為環境因素，比如蚊蟲叮咬，天氣狀況不佳等等。其中，果樹類問題尤為明顯，果樹的數量不好標注，并且有些樹種的識別度不高，與一種或多種其他果樹的相似度高，不好辨識，借助網上識別工具也不一定能夠很好地進行辨別。并且，我們也嘗試了一些手機定位軟件來幫助我們勘測，然后通過手機記錄經緯度及其他詳細數據，但是實際操作起來還是有難度的，首先樹種多，樹木范圍大造成了工作量較大，其二是實際記錄過程中也會產生較大誤差，這些都給學生們的勘測過程造成了一定的麻煩。吸收本次體驗式教學實踐的經驗，在下一屆學生實踐過程中，可以提醒學生們勘測前應提前做好防蚊防蟲準備，如隨身攜帶清涼油，風油精，定時收看當天天氣預報判斷當前天氣是否可以正常進行勘測活動，并且可以通過相關書籍及網絡工具提前有選擇性的了解果樹種類，特別是亞熱帶及熱帶的果樹種類，諸如荔枝，芭蕉，椰子樹，菠蘿蜜，以防在勘測過程中無從下手，并且，在通過記錄經緯度進行精確定位時可以采取選擇合適參照物的手段，達到輔助勘測的目的。

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