基于項目式教學法的GIS軟件應用教學與實踐

陳 偉， 高若晨， 孫文彬， 孫 灝， 趙恒謙

（1.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.北京師范大學國有資產處，北京 100875）

0 引 言

GIS軟件應用是一門教授地理信息系統軟件應用的應用型課程，在地理信息科學、測繪工程、遙感科學與技術等專業中普遍開設，著眼于強化學生實踐動手操作能力，培養學生解決實際問題的能力［1-2］。隨著社會對熟練掌握地理信息數據分析技術能力的人才需求日漸增多，GIS軟件應用在地理信息類和測繪類專業教學中的重要性也日漸凸顯［3-4］。

目前國內主要高校針對GIS軟件應用的教學教材雖然較多，也涵蓋了目前主流的GIS軟件如ArcGIS、SuperMap等，但是主要還是以“灌輸式”教學為主，即以教師為主導，學生被動接受，其教學法主要為“教師講解功能-學生操作軟件-得出結果”［5-6］。在此過程中，學生被動地根據實習指導書的要求進行操作，缺少主觀上的思考。在這種教學方法中，教師講解注重每一個知識點，將教學內容分割開來，難以解決實際工程問題，且容易使學生失去興趣。此外，將學生作為“嬰兒”般進行“喂養”式傳授知識，很難幫助學生主動構建知識體系。教師在教授課程中軟件操作的實例是孤立的，也是有限的，因而即便學生完美地完成了課程實驗的操作，但是當遇到新的空間問題時，大部分學生還是很難將新的空間問題與所學的GIS軟件操作聯系起來［7-9］。因此對GIS軟件應用的教學提出了新的要求，亟須引入新的教學方法，培養學生分析空間問題與解決空間問題的能力，更好地適應行業需求與未來深造的需求。

由于“灌輸式”教學存在著被動式教學、學生學習積極性不高而導致學生分析與解決空間問題能力不足，難以解決實際的工程與科研問題，因此針對GIS軟件應用課程，將“項目式”教學引入GIS軟件應用教學中，改進課程實踐的體系與方法，以此提升學生分析問題與解決問題的能力，提高學生動手能力，使其更好地適應未來行業與研究生深造的需求。

1 項目式教學法設計

1.1 項目式教學方法內涵

應用型人才是高等教育進入大眾化之后社會對高校人才培養的迫切需求［10-11］。應用型人才即要求培養的學生具備解決實際問題的能力。筆者在承擔GIS軟件應用課程后發現本科生在GIS軟件應用中普遍有以下兩個問題：①不知軟件應用在何處，即便教師在課程上列舉了GIS如何解決國土、環境、交通等方面的案例，但學生受限于其經歷難以理解；②普遍缺少解決問題的能力，遇到空間問題并不知道如何利用已學的GIS知識進行解決。

為了解決以上所遇到的兩個問題，在教學實踐中進行了革新，采用項目式教學法進行教學［12-13］。項目式教學法是以學生為主體、基于項目的一種教學方法。在項目式教學法中，學生不再是被動的知識接受者，而是知識與能力的主構建者，教師承擔的作用也不再是灌輸者，而是在學生構建知識與能力體系過程中的引導者［14］。教師在教學過程中需要做的是篩選與學習。工程實踐相關的實際問題（項目），引導學生在“做中學、研中學”，通過討論、分析與操作改變角色，變被動學習為主動解決問題。在此過程中，學生一方面可以通過教師設計的基礎項目與自己提出的應用項目理解GIS軟件在各行業中應用，另一方面也鍛煉了其解決實際空間問題的能力。

1.2 GIS軟件應用的項目式教學體系設計

針對GIS軟件應用教學特點及學生基礎（一般在教授地理信息系統原理課程之后，且學生有一定的GIS基礎）［15］，在GIS軟件應用教學中以ArcGIS Desktop為教學軟件，對GIS軟件應用課程的教學體系進行了改革與重新設計：

(1)減少理論學時，增加實踐學時。在實踐中將原本24學時的理論學時縮減為16學時，實踐學時增加至32學時，最大限度地延長學生動手的時間。

(2)建立4階段項目式教學模式。分為工具學習、簡單項目實踐、復雜項目實踐及小組項目設計與實現4個階段。前3個階段由教師提供題目，最后一個階段為小組自選題并實現階段，由淺及深逐步鍛煉學生動手能力。

(3)可視化建模與代碼強制要求。傳統GIS軟件應用中注重一步一步地操作，學生對操作的整體概念不足。故在教學實踐中要求所有項目均需用ArcGIS Model Builder進行可視化建模，使得學生能整體了解項目的實現過程，并可溯源分析。此外，強制要求學生使用ArcPy軟件實現項目，強化了學生編程能力。

圖1所示為教學實踐中探索與總結的項目式教學方法。在工具學習階段為傳統的教師主導，學生跟隨方式，主要學習簡單的入門工具及建模與代碼化方法。簡單項目實踐為教師指引，學生操作，教師將建模方案與具體模型展示給學生，學生自主復現，在此過程中教師并不是一步一步教導，而是將整體模型展示，學生根據自己的理解實現；第3階段為復雜項目階段，教師立題，學生實現，在這個階段教師出題，并給出大致的解題思路，學生來探索解決方法；第4階段為小組項目設計與實現，在此階段完全由學生主導，教師協助，學生根據自己興趣組隊，尋找項目立題，并匯報解決方法，通過解決方案匯報后查找數據、完成項目并匯報。該體系由淺入深，逐步提高要求，并有建模與代碼的雙重要求，對學生分析問題與解決問題能力的提升有較好的幫助。

2 項目式教學法實踐

2.1 工具學習階段

圖1 基于項目式教學法的GIS軟件應用教學體系設計

工具學習階段主要是介紹ArcGISDesktop中常用的工具使用方法。由于學生已經有地理信息系統原理先修課程，對ArcGIS的操作已經有基礎，因此本課程的重點并不在于工具操作，而在于利用ArcGISModel Builder建模以及利用ArcPy實現相應的模型。如一個簡單的空間分析操作問題：有某縣的數字高程模型（DEM）數據（多景），也有該縣的矢量邊界，如何提出該縣矢量邊界范圍內的DEM并進行拼接？如圖2所示，根據已有的源數據，可以通過多個ArcGIS工具（選擇、拼接、裁減）形成前后相接的工作流。這種可視化建模的好處在于使得學生對空間問題的分析與處理形成直觀的邏輯鏈路，并且由于模型已經保存，可以使學生在操作過程中對結果錯誤能夠溯源與修正。此外，由于ArcGIS所有的工具均可在ArcPy站點包中予以調用，因此學生可以將圖2所示的工作流全程以Python代碼的形式實現。

圖2 工具學習方法

2.2 簡單項目實踐

簡單項目實踐為教師在教學實踐過程中所選取的有實際意義的簡單案例式的應用案例。在此過程中，教師立題，學生在教師的引導下逐步操作并完成項目。如一個簡單的應用項目為在售房源選擇問題。某客戶在選擇房源的過程中有以下要求：①在縣城范圍之內的住宅；②處于不易積水區域；③離公園800 m以內。目前已有的數據集為：①縣城矢量邊界；②易積水區域矢量區域圖；③在售房源的矢量數據集。

將問題解析為以下方法步驟：

（1）根據房源矢量數據的屬性信息表，篩選出在售的樓盤，售出的樓盤不在考慮范圍。

（2）選擇在縣城矢量范圍的在售房源，將邊界范圍外的數據剔除；

（3）將處于易積水區域的房源信息剔除；

（4）選擇在公園800 m范圍的緩沖區內的房源。

因此，根據以上問題的解析，使用選擇、裁剪、擦除、緩沖區及相交5個工具即可完成本次項目的需求，如圖3所示，并最終得出在售房源的空間分布圖。

2.3 復雜項目實踐

復雜項目是立足于實際科研或工程項目的需求，并適當簡化要求而設計的。在此過程中，教師將以出題者身份出現，僅提供項目思路與數據源，而學生自行解析空間問題，并進行問題的解決。在此過程中，教師不再進行實際操作，而是以答疑解惑的形式協助學生解決問題。在此過程中，學生是主體，而教師是配合者。如進行區域開發時，需要對整個地區土地穩定性進行評估，土地風險較大的區域不適合于開發，需根據現有的模型與數據進行土地穩定性專題制圖，為土地開發和保護提供決策與支持。已有的數據源為：①當地DEM；②坡度與坡向穩定性因子；③植被類型穩定性因子；④土地利用矢量數據；⑤坡度、坡向、土地利用的穩定性因子權重。

圖3 簡單項目實踐

為了引導學生更好地完成本項目，在實際教學中，僅向學生提供如圖4所示的項目流程圖，需要學生根據所提的要求，解析空間問題，并根據現有的數據源進行建模與分析（見圖5），并制作專題圖。

圖4 復雜項目實踐流程圖

圖5 復雜項目建模過程

2.4 小組項目設計與實現

項目式教學的初衷是改變原本教學中以教師為主導、學生被動授受知識的現狀，將真實應用案例作為一個個小項目應用到GIS軟件應用教學之中。為了進一步激發與提升學生自主創造力，在課程實踐的最后，布置了專門的小組項目。在此項目中，學生自愿結成項目團隊（2或3人1組），尋找項目，提出解決方案，并進行匯報。在此過程中，教師是監督者、協助者，只對項目難度和可行性進行總體把關，確保學生提出的項目在課程時間內能夠完成。最后，學生根據通過的實施方案查找數據、搭建模型、代碼化應用案例，并進行結果匯報。

3 結 語

當前我國地理信息產業正蓬勃發展，社會對應用型的GIS人才需求旺盛。針對GIS軟件應用教學中出現的實際問題，以教學過程中遇到的實際問題與課程改革方案實踐為例，對GIS軟件應用的課程教學進行了改革與探索，形成了一套項目式教學方法。該項目式教學方法以簡化的實際項目需求為牽引，根據難度分階段實施，逐步對學生進行引導，以提升學生實際動手能力。此外，在項目實踐過程中，強制要求學生以ArcPy代碼實現項目模型，進一步提升了學生編程能力，在實際教學中取得了良好的教學效果。