地方高校GIS專業開發類課程教學改革與實踐

王磊，程鋼，景海濤，葛小三，殷楠

（河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作）

一 引言

近年來測繪地理信息產業作為新型業態迅猛發展，從北斗導航衛星系統到國產高分衛星，再到飛入尋常百姓家的位置服務（LBS），無不展示出測繪地理信息行業的勃勃生機和無限活力，成為了科技變革和產業革命的重要戰場。在新時代背景下，傳統程序設計課程教育已經不能適應新時代信息社會所需的創新型、復合型、應用型人才的培養需求[1]，GIS專業學生需要具備更強的程序設計和開發能力[2-4]，掌握運用現代編程思想、語言，對空間數據進行智能化處理與分析的技術與方法。然而，當前GIS專業畢業生尤其是地方高校GIS專業學生程序設計與開發能力與用人單位的要求還有較大差距[5]。

河南理工大學地理信息科學專業是河南省第一批一流本科專業建設點。教學改革之前存在開發類課程體系不連貫、基礎開發課程與專業知識聯系不緊密、實踐課程缺乏“兩性一度”、課程考核方式單一等問題，而學生在學習過程中畏難情緒較大、學習興趣不高、動手能力差、利用編程思想解決實際問題的能力及綜合素養與所學知識失配。針對上述問題，本文結合當今智能時代的發展需求及河南理工大學地理信息科學河南省一流本科專業建設點人才培養的實際情況，對程序設計與開發類課程體系及課程目標的設置進行了深度改革和優化，從教學理念、課程體系、教學方法與考核方式、課程思政、以賽促學等方面對程序設計與開發類課程進行教學改革探索。

二 教學改革探索

GIS專業針對程序設計與開發類課程的教學改革工作，以現代教育教學理念為指導，面向測繪地理信息技術發展需求更新課程體系內容，改進教學方式、方法，立足課程做好立德樹人工作，具體包括以下幾個方面。

（一） 以“學生中心、成果導向、持續改進”理念為指導

理念是一切工作的先導，改革工作必須理念先行。GIS專業學生培養以“學生中心、成果導向、持續改進”理念為指導，通過制作姓名簽、協作學習、翻轉課堂等措施，以學生為教學改革的最終受益者，落實學生中心思想，增強學生的自我認同感；以學生的學習成效作為檢驗教學目標是否達成的標準，并根據目標達成情況改革教學策略與方法；落實持續改進原則，圍繞畢業要求，結合科技、行業發展前沿，持續優化和革新課程體系，保持教學內容與時俱進，持續提高課程體系對畢業要求的支撐力度。

（二） 課程體系設置

課程體系是培養方案的核心部分。作為GIS專業人才培養的核心，程序設計與開發類課程體系亟須加快完善，以契合社會發展的新要求[6]。針對開發相關課程較多，不同課程之間關系不明顯，缺乏連貫性的問題，結合專業實際及學生學習特點，圍繞“知識-能力-素養”三位一體的培養目標，對該專業程序設計與開發類課程體系及內容進行全面改革與優化（如圖1）。

圖1 GIS專業程序設計與開發課程

課程設置過程中，按照支架式教學安排課程及知識點之間的邏輯關系，既能顧及學生已有的知識結構，又使得學生跳起來能夠得著。針對開發能力培養需求和學生實際情況，該專業提出了“兩個層次、三個階段”的程序設計與開發類課程設置和教學模式。

兩個層次，是指根據課程內容和難度不同，將此類課程分為基礎類課程和高階類課程。其中，高級語言程序設計（C語言）、面向對象程序設計（C++）、Java程序設計為程序設計與開發基礎類課程，著重培養學生對編程的學習興趣及編程基礎，使學生掌握常用的編程語言和程序設計方法，具備編寫一定算法對空間相關數據進行初步處理與分析的能力。數據結構、GIS設計與開發、網絡與移動GIS、GIS綜合實習及各類GIS開發大賽（第二課堂）為程序設計與開發高階類課程，重點培養學生GIS軟件設計與開發思想，使學生掌握GIS軟件設計與開發的基本原理與方法，具備利用編程思想與方法進行GIS系統開發、解決大型工程問題的能力。

三個階段指學生程序設計與開發能力的培養過程。第一個階段注重學生知識結構的構建，主要講授程序設計與開發基本方法、程序基本結構、結構化和面向對象程序設計方式，C、C++、C#等語言的基本語法。第二個階段注重學生運用編程解決問題的能力。學生有了編程的基本知識，接下來就要培養學生解決問題的創新思維，通過數據結構設計和算法的實現，為問題解決提供基本的底層邏輯。第三個階段，通過桌面、Web、移動GIS系統的開發及各類GIS開發大賽的參與，加深學生對“大型GIS系統”的理解，訓練學生編程思想和綜合素養的養成。

（三） 教學方法改革

結合一流本科課程建設“兩性一度”的要求，遵循學生認知規律，教學團隊綜合運用了多種教學方法，提升課程教學質量。

1.因材施教、分類培養。因家庭環境、教育水平、個人興趣等方面的差異，不同學生對開發類課程的接受能力及學習能力差異很大。針對這一問題，教學團隊設計了基于在線教育平臺的分類培養模式。針對開發基礎較弱、開發水平較低的學生，課前通過雨課堂、云班課等在線教育平臺推送開發基礎知識相關MOOC視頻、微課程等學習材料，課后推送測試作業，并督促其按時完成課前預習及課后作業；針對開發能力較強、學有余力的學生，向其推送高階開發教程及實際開發任務，鼓勵并指導其參加易智瑞、超圖、MapGIS等組織的全國性開發競賽，提升他們靈活運用知識、解決實際問題的能力。

2.專業案例、培養志趣。當前程序設計與開發類課程的教學內容，往往單純介紹語言本身的基礎語法，缺乏與專業應用聯系，學生難以自己創設出實際情景，容易造成學生上不著天下不著地，找不到立足點和著力點，從而失去對開發語言的學習興趣。針對該問題，教學團隊一方面將測繪、地信、遙感等相關專業知識，如水準網平差、三角高程計算、矢量及柵格數據的讀取、幾何圖形繪制、空間插值等知識引入課程，另一方面，結合河南測繪地理信息特色骨干學科建設群的學科和平臺優勢，將學科前沿或生產一線的項目作為教學載體，建設課程案例庫，采用案例教學方式，引發學生學習興趣，培養學生專業志趣。

3．團隊實踐、協作創新。傳統程序設計與開發類課程大多僅讓學生按照實驗指導書“抄寫代碼”，缺乏對具體實踐問題的思考與分析，實踐內容高階性、挑戰性不足，無法達到培養學生創新開發能力的目的。針對這一現象，教學團隊分別從實踐教學內容及教學模式上進行改革。實踐內容上，針對不同學習程度的學生設置不同難度的實踐內容，并增設自主設計與開發內容，適當增加課程內容的挑戰度；教學模式上，探索分組協作學習模式，采用團隊激勵方式，激發學生的團隊合作意識，提高學生的團隊合作能力。對于難度相對較大的實踐課程，先由老師課上引導，學生課下完成實驗，然后通過課上教師講解與學生分組答辯、討論等方式相結合，讓學生思想火花碰撞、形成創新思維。

（四） 課程考核方式

科學合理的課程考核方式是全面評價學生學習成效的重要手段，同時也是檢驗課程目標達成情況的重要依據。針對課程教學重視終結性考核、忽略過程性考核的問題，教學團隊基于移動學習平臺開展線上教學和學生自主學習，利用學習平臺自動記錄學生學習痕跡，加強學生學習過程監控，增加形成性評價所占的比重，強化過程考核，構建覆蓋全過程的課程評價體系。具體評價方式由平時考核、過程考核和結課考核等多種方式構成，平時考核以學生出勤率、回答問題情況等為考核依據；過程考核充分利用現代信息化教學工具（雨課堂、云班課等），對學生學習過程進行記錄，包括預習情況、作業情況、實驗情況、平時測驗成績、參與討論情況等，力求全面評價學生的學習成效。

除此之外，針對GIS設計與開發、網絡與移動GIS、GIS綜合實習等專業開發課程，設計了“組建隊伍—項目選題—總體設計—詳細設計—編碼與測試—編寫報告—匯報答辯”的教學流程，增設課程大作業與答辯考核環節，不僅提升學生的編程能力，同時提高學生的寫作和表達能力。學生分組選題后，根據自己專業知識及開發基礎，針對某一應用領域，自主設計并開發一個小型GIS系統，通過答辯形式向同學和老師展示開發成果。該環節的實施，能夠在很大程度上提高學生利用編程思想和技術分析問題、解決問題的能力，激發學生創新思維、培養學生的團隊合作意識。

（五） 以賽促學

競賽是培養學生興趣、激發學生斗志的重要途徑[7]。學科競賽能夠在課堂理論教學的基礎上，提高學生實踐動手能力及分析問題和解決問題的能力[8]。鑒于此，GIS專業積極組織學生參加全國性大賽和校級大賽，既選拔優秀學生起到以點帶面的作用，同時擴大學生創新活動的參與度。對于程序設計與開發能力強的拔尖人才，教學團隊鼓勵并指導學生參加易智瑞、超圖、MapGIS等舉辦的全國性GIS 軟件開發競賽及“挑戰杯”“互聯網+”創新創業大賽等，為學生創造交流機會、培養學生的創新意識和團隊精神[9]，同時大大提升專業知名度和社會認可度。為了對接全國性大賽選手選拔的需求、并惠及更多學生，河南理工大學每年都要舉辦空間信息技術軟件應用與開發大賽、測繪程序設計大賽、“互聯網+”創新創業大賽等校級賽事，全面提高學生參與率，提高實踐教學質量。

（六） 課程思政育人

學生培養過程中，注重課程思政，課程育人與專業教育同向同行。以課程知識為載體，挖掘課程思政元素，將唯物辯證系統觀貫穿于教學過程，培養學生的辯證思維和綜合素養，將普遍性聯系原理（抽象方法）、整體部分關系（對象組成）、普遍與特殊關系（類的繼承）等融入到課堂教學全過程，授之以魚，也授之以漁。教學過程中，為引領學生立足專業、服務祖國、服務社會，巧妙引入學界泰斗、楷模的故事，啟發、引導學生向前輩學習，發揚“熱愛祖國、忠誠事業、艱苦奮斗、無私奉獻”的專業精神，實現思政教育與知識體系教育的有機統一。

三 教學改革成效

通過程序設計與開發類課程體系、內容及教學模式的全面改革，GIS專業逐步解決了學生編程興趣不足、重知識輕能力、缺乏團隊合作能力、缺乏系統思維能力等問題，提升了學生自主學習、團隊合作、綜合解決問題的能力。具體包括以下內容。

（一） 學生綜合解決問題的能力有所提高

學生們綜合運用編程思想及工具解決問題的能力逐步提升，學生在全國測繪技能大賽、全國大學生GIS應用技能大賽等學科競賽的成績逐步提升，學生綜合素養在不斷提高。近五年，獲得全國大學生GIS應用技能大賽特等獎1項、一等獎2項，二等獎1項，獲易智瑞、超圖、MapGIS大賽等省級以上獎勵70余人次。

（二） 學生對開發課程學習興趣明顯提高

隨著課程改革的實施，GIS專業的開發課程受到學生們的廣泛認可，學生從懼怕編程、討厭編程，到逐漸喜歡上編程課，學習編程的風氣越來越濃，許多同學自學了Python、VB等編程語言，編程逐步成為學生處理數據、解決問題的常用工具。

（三） 用人單位對GIS專業畢業生的反饋良好

近年來，GIS專業學生就業率逐年提高，每屆畢業生中均有30名以上的同學到北京超圖、京東、上海數慧等知名企業從事開發工作，受到企業的一致好評；另外，多名同學在各高校組織的夏令營、研究生考試復試中表現優異，受到導師的青睞，被保送、錄取到中國科學院大學、北京師范大學、同濟大學、南京師范大學等知名高校攻讀研究生。

四 結語

隨著大數據、云計算、人工智能時代的到來，測繪地理信息產業發生巨大變革，行業發展對GIS專業人才提出了更高的要求。針對GIS專業學生程序設計與開發能力培養的短板及河南理工大學GIS專業新時代技術發展需求，對GIS程序設計與開發類課程進行教學改革，多措并舉，尤其在教學理念更新、課程體系優化、課程內容組織、教學方法改進、加強實踐教學和過程考核以及課程思政方面做了大膽探索和嘗試，從實踐效果看，大大提高了GIS專業人才培養質量。