GIS 專業空間數據庫原理課程教學設計研究

王 婷 郭春蕾 邢 歡

（沈陽城市建設學院 遼寧沈陽 110167）

一、課程背景

經過多年教學及研究，針對眾多研究成型的空間數據模型、空間數據庫操作、空間數據查詢等方面的技術交流教學，重點關注高校課堂中對空間數據庫理論、技術及應用如何更好地進行傳播和實踐，目前與空間數據庫聯系緊密的專業單位機構日益增多，GIS 方向人才逐年激增，對于GIS 長遠發展提供了強大的支撐。

根據各高校人才培養方案的設定，學科背景存在差異，數據庫類課程教學內容及方案方法不盡相同，各高校開設的該課程主要講授數據庫技術與應用、數據庫原理、空間數據庫技術等，單從開設課程的命名上能夠看出側重點的區別，有些高校側重理論教授，有些高校側重實踐結合。數據庫中必要的要素數據，同時也是GIS 系統中涉及的調查采集、編輯處理、管理查詢、成果輸出等多個生產環節的組成基礎。

二、教學目標

空間數據庫原理是一門涉及多領域、多方向的課程，課程內容包括綜合性的知識和內容，包含數據模型、數據庫設計等內容的關系型數據庫的基礎理論和知識體系，又包含依據GIS 建立的空間數據模型、空間索引、數據結構等內容。

現代測繪科學技術研究方向發展為空間數據數字化應用與服務，空間數據處理、存儲及應用依托于空間數據庫技術實現，因此，高校測繪相關專業學習空間數據庫類課程尤為重要，通過該課程的學習能夠使學生理解空間數據庫涉及的基本理論，掌握基本的空間數據庫處理方法、技術，空間數據庫相關軟件的使用，注重培養學生利用數據庫及空間數據庫技術對空間數據采集處理、儲存應用及管理服務等應用能力。本門課程的設置旨在促進學生融入GIS 行業，奠定地理空間數據處理入庫、管理、開發等工作基礎。

三、現狀問題

（一）課程體系設計傳統

經調查，我國部分高校的測繪工程專業的人才培養方案中，與空間數據庫相關聯的課程中，空間數據庫原理或空間數據庫的相近課程大多數沒有開設，一般開設了傳統的數據庫類課程，同時此類課程由于涉及更多的計算機知識，多數是由計算機專業的教師講授，內容主要涵蓋數據庫概述、基礎數據模型、SQL 語言、數據庫安全維護及數據庫設計等基礎結構性內容。對于GIS 方向的課程，此類數據庫課程涉的計算機理論的知識，僅能夠作為空間數據庫相關課程的先導性基礎內容，專業特征欠缺貼合，不足以實現空間數據庫技術在GIS 領域能力培養的目標。

（二）知識面域復雜

空間數據庫知識結構融合傳統數據庫的理論內容，包含關系數據庫、數據結構等內容，同時包含空間數據涉及的GIS原理與技術，包含計算機基礎編程內容，課程的理論結構比較復雜，課程知識點多且分散，章節獨立關聯少，因此在教學過程中教學結構連貫銜接的把握存在難度，教學主線較難把控，導致學生在學習課程知識點時缺乏記憶連貫性，因此教師在教學過程中應重點思考教學主線串聯。

（三）欠缺課程間的銜接

面對測繪工程專業學生的未來發展，針對GIS 專業的測繪人員既是空間數據庫系統及其數據的使用者，同時也是空間數據庫系統及其數據的建設者和管理者，因此，空間數據庫設計與應用同等重要，都應為教學的重點內容。空間數據庫設計內容和環節與傳統數據庫設計是一致的，包括需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計、物理結構設計、數據庫實施、數據庫運行與管理等環節，空間數據庫的規范化建設與設計以傳統數據庫理論作為基礎。空間數據庫所運用的SQL 語言，其學習和運用也是地理信息系統訓練重要的應用工具。類似于這樣的環節重視度較低，相關課程之間的銜接不夠完善。

（四）理論與實踐脫節

理論論述繁多且系統，部分內容非常抽象，學生認知感不強，同時對于復雜的抽象的概念和句式生疏。例如空間數據庫學習中的空間數據模型、空間數據索引、空間數據查詢等關鍵內容包含的基本概念和原理須分類記憶且不易理解，而且常用教材及參考資料對論述部分的闡述或繁雜或抽象，學生對于該部分的內容理解和學習較為困難，從而影響學生的學習興趣。因此空間數據庫需要一定的實踐、練習與訓練，實踐操作能夠使學生更好地理解及掌握空間數據庫原理及技術的結合。但目前的教學安排理論教學較為偏重，實踐操作缺乏，理論與實踐存在脫節現象。

另外在實踐軟件上，一般商用軟件（如ArcGIS）存在封裝原理與算法，空間數據庫操作過程及實現過程課足以完整實現及表達，但很難去探究其建立的原理及結果實現的具體過程。

（五）計算機基礎能力提升局限

測繪專業學生偏重技術操作及實現，從人才培養計劃及傳統的人才需求考慮，專業方面涉獵課程較廣泛，且包含大量的實踐運用課程，整體計算機基礎能力偏低。此外，無人機測繪、三維激光掃描、傾斜攝影等新技術的不斷涌現，使得測繪工程專業新領域課程不斷增加，涉及計算機方面的應用更加深入和頻繁，傳統理論課程作為基礎引領雖必不可少，但結合計算機基礎理論的專業課程的深入系統學習存在一定的局限性。

四、空間數據庫教學設計與優化

（一）優化原則

在有限的學時里，空間數據庫課程須對多方面的教學知識內容進行優化。根據精簡教學內容的原則，適當取舍，根據教學安排劃分教學內容重難點和理解性知識點：課堂講授重難點內容，且隨堂或課后開展實踐性練習，加深對重點內容的掌握與理解；理解性知識點以學生自學和拓展了解的方式設置。課程整體的設計涉及幾個方面的優化：

1.凸顯核心

精簡教學環節及內容，由于課程內容涉及知識面廣且原理概念繁雜抽象，在教學過程中，精選重點章節及內容，精簡教學環節。

2.把握重點和難點

地理信息系統原理是一門專業必修課程，同時是GIS 專業方向的先導課程，雖在課程中設計了空間數據相關的結構性內容，但并未詳細闡述空間數據模型、索引及查詢等與數據庫的關聯性，也未涉及計算機算法實現過程。該部分的內容層次要求高，即應設置為教授的重難點。

3.理論與實踐呼應原則

空間數據庫系統的理論教學應結合實踐操作開展，提升理論知識的理解程度，發現問題并解決問題是能夠檢驗學生學習本課程效果的有力證明。

（二）確定教學主線

空間數據庫的建庫過程本質就是從現實世界到計算機世界的進化過程。因此教學環節設定開展以現實世界—空間數據模型—計算機世界為課程教學主線，通過主線的連通逐步闡述空間數據庫的相關理論及實現過程等內容，進而連通計算機世界的表達，重點掌握矢量數據模型、柵格數據模型、網絡數據模型等基礎結構；而計算機世界主要涉及空間數據的處理、存儲、應用操作等。主線設定以連貫清晰、由淺及深、循序漸進為根本思想。

（三）教學手段優化

突出學生為主體，教師是引導，教學設計要著重挖掘能夠顯現學生學習主體的教學形式和方式，促進學生主動實踐，以增強學生自主思考、探究能力為目的。

在教學手段方面以優化傳統的教學模式為基礎，借鑒及創新教學方法和手段進行課程教學，沖破學生的思維定式。

教學手段優化包括：

1.歸納啟發式教學

由于課程理論復雜且抽象，概念緊湊，學生容易產生認知疲乏，知識點記憶混亂。在講授連續知識點時，采用分類歸納式或啟發式教學方式，引導學生主動思考和理解。例如針對空間數據索引的講授，提出空間索引的目的，促使學生自主思考索引的意義，從而思考空間數據索引的實現意義。同時在講解的時候，貫穿學生日常能夠接觸認知的事物，將空間數據庫與書進行事物鏈接，將空間索引與目錄進行鏈接，使學生更加深入地理解索引的概念及建設意義。引入圖書、目錄的關系和作用，圖書包含目錄，必備的目錄能夠便于讀者查找，能夠使使用者快速定位到查詢內容的位置；空間數據庫有索引，索引是為了向數據庫使用者提供快速定位及查詢。

2.理論與實踐適當結合

在課堂理論教學的同時，能夠進行編寫操作的內容，以講授為例進行講解；同時利用思考題的形式，讓學生進行理解編寫，通過討論的形式，帶動課堂，使每一位學生都能夠參與思考練習。需要進行實現的內容，為學生提供練習平臺及軟件，使學生能夠實現動手操作。同時課程練習要保證難易程度的合理性和獨立操作性，使學生能夠獨立完成，且要達到思考的高度，實現學生獨立思考、獨立解決的能力培養。

3.結合工作案例

為激發學生興趣、提升學生主動思考的能力，通常教材中的案例偏重理論說明，課程教學中可選例方面貼合工作時間里進行說明講解。例如，在講解SQL 語言編寫時，先以書中例題進行講解，同時結合校園情況，對學生系統進行梳理，對學生信息、成績表、選課信息做語句編寫；在空間數據范疇，結合地籍調查的過程信息進行說明，同時說明涉及基礎SQL 語言編寫的部分，舉例土地調查信息的建立、查詢、修改等過程進行課堂測試，以討論等方式進行講授。另外例如講解空間數據關系時，建立土地確權地塊拓撲關系等案例，使學生理解理論知識的實際運用。

4.循序漸進教學模式

合理組織空間數據庫內容，并圍繞核心環節展開講授，針對細節必須部分講解。可以以提問、思考的方式引導學生進入課程，通過實際地理信息的例子讓學生理解地理數據模型的概念，并通過現場演示的方式告知學生模型的建立流程，并根據空間數據庫構建的體系，逐層分析數據庫、數據局、要素類的關系及數據組織管理形式，通過對數據表的屬性展示，解釋工作中涉及的屬性信息、表中每一項的含義表達，同時講解模型的適用性。

在引導學生進入課程后的教學過程中，以空間數據庫建模流程為基礎展開學習，逐步學習多種模型的建立及分類，進而實現數據的導入。

對于數據的處理及管理，需要計算機語言的溝通交流，進而帶領學生系統的學習SQL 語言及其擴展。SQL 語言是數據庫和空間數據庫的核心學習部分，在課程教學中，同為重點的要求學生掌握及運用SQL 語言。在常見的應用型軟件中，一般具有封裝性，故在教學內容中可以分為兩步走：第一步，教授學習標準SQL 語言，包括模式、表等結構的創建、查詢、修改等句式要求，達到可以運用SQL 語言進行基本編寫的要求；第二步，借助可編寫平臺軟件學習基于空間要素的擴展SQL 語言，進而創建SDO_GEOMETRY 數據類型的表、索引、空間數據插入、計算等操作。

結語

空間數據庫原理課程在地理信息系統專業具有基礎性作用。由于各大高校教學理念的差異性，導致該課程在教學內容、方式方法及教學環節等方面存在諸多差異，整體教學效果有待提升。通過上述的論述，從教學主線、教學內容、教學手段等多個方面，對現有教學模式進行重新梳理與優化。

對于GIS 專業空間數據庫原理課程的教學，重在培養學生實際應用的廣域度的同時，也應著重注意教學環節設計：（1）進一步夯實與地理信息系統緊密相連的空間數據庫中的基礎概念。（2）緊跟行業發展步伐，設計課程內容。以成熟的地理信息系統應用案例激發學生興趣為前提，呼應式傳授空間數據庫的理論內容。（3）在優化空間數據庫課程內容結構的同時，從實踐訓練方面提高教學質量及教學反饋，提升地理信息系統專業學生的實踐能力。

測繪工程專業已進入信息化時代，數字化地理信息已廣泛推廣應用，行業發展日益較快，技術更新日益增強，空間數據庫類課程將在測繪工程專業的人才培養環節中發揮更明顯的作用，數據庫類課程體系、教學內容、教學方法、實踐模式等諸多方面的改革研究亟待研究。因此，在實際教學中可以上述探討為借鑒，根據學生的實際情況和專業技術發展展開調整。