智慧城市視角下高校地理信息系統課程教學改革探索

蒲海霞　武榮偉　李鈺　蔡進

摘 要：城市轉型期城市空間結構改變，社會結構發生重大轉變、居民行為與需求多樣化、智慧城市應用而生。地理信息系統作為支撐智慧城市基本數據獲取、數據分析、數據整合、數據建模與空間決策的最重要的技術支撐，收到學界與業界的廣泛關注。對于未來參與智慧城市建設的當代大學生，需對地理信息系統的基本理論、數據結構理論、數據模塊化理論進行熟練掌握與理解。在實踐操作過程中，需熟練掌握基本的ARCGIS操作軟件、熟悉二次開發平臺，掌握數據分采集與分析軟件，如C++、C#、Python、SPSS、STATA。如何將定量分析與定性分析結合，最后為智慧城市區域建設與底層建設提供技術支持。通過地理信息系統教學課程改革建立一支強大科研與實踐隊伍。

關鍵詞：智慧城市 高校 地理信息系統 學科交叉 教學改革

1 地理信息系統教學改革背景

地理信息系統（Geographic information system， GIS）集數據挖掘、大數據分析、制圖與可視化等為一體的多功能平臺與空間信息科學，主要應用于城市規劃、土地資源評價、測繪、國土空間規劃、區域發展等領域的研究。根據國家統計局的數據顯示[1]。截止2016年，我國城鎮人口已達到了7.9億，預計2030年，城鎮人口將會增加到9億，我國正處于城市轉型與社會結構改變的關鍵時期。

快速增長的人口對生態環境、社會環境、城市環境、城市管理、社會治理、公共服務等帶來了前所未有的挑戰[2]。與此同時，國家、不同政府部門對復雜城市、復雜社會與復雜居民群體的管理與治理面臨巨大的考驗。城市治理不再是單一維度下的政府職能最大化，更需要結合互聯網、物聯網技術對公共服務設施進行優化、對交通復雜網絡進行調度、對資源生態環境與經濟進行耦合協調。智慧城市是在數字城市的基礎框架上構建起來的，通過物聯網將現實世界與虛擬數字世界融合，將城市的每個模塊以及模塊之間的連續進行數字化存儲，為政府、企業、市民需求與應用提供服務[3]。

地理信息系統和智慧城市密切相關，地理信息系統可以作為智慧城市建設中基礎數據的采集者、存儲者和分析者，并可以對數據進行疊合、切割與重組。如在城市人口數據建模方面，地理信息系統可以分析不同區域人口密度的空間分布特征、聚集性和離散性，對不同區域數據人口數據進行壓縮與整合，最后存入到智慧城市模型中，用于政府公共服務資源配置的決策方案中。

智慧城市這一概念自2008年提出以來，全國各地加速布局并進行實踐落地，先后形成概念導入期（2008-2012 年）、試點探索期（2012-2016年）、統籌推進期（2016-2020年）等重要發展期，正邁入集成融合發展的新時期[4]。

2 地理信息系統課程現狀

目前所在高校為西部高校-重慶工商大學，其地理信息系統課程開設主要是依托于重慶市一流專業《人文地理與城鄉規劃》而開設的必修課，其中包括理論學時16課時，實驗課時32學時。對于理論課程的講解主要包括地理信息系統的基本概念與構成，地理信息系統的發展概況，空間數據結構類型（矢量數據與柵格數據），柵格數據和矢量數據的轉換，地圖投影與轉換，數字信息模型，數字高程模型，矢量、柵格數據的疊合分析，緩沖區分析[5]。這基本上是對地理信息系統最基本的認識，只能進行最基本的空間分析和圖形轉換，而對最基本的數據結構及算法、大數據挖掘、云計算、web建模等的學習較少，未能為智慧城市的底層開發和平臺建設提供理論和技術支撐。在實驗課的設計環節，實驗內容主要包括地圖的矢量化，屬性數據錄入，地圖校正與配準，柵格數據的重分類，坡度與坡向分析，數據疊合分析與緩沖區分析。

實驗設置上，數據的操作實驗是隔斷式的單項操作，各個實驗環節沒有相互緊密聯系。因此，實驗課程的系統性、合理性、過渡性與連貫性還需加強。在后期實驗課的設置上，需設置一整套的實驗數據與實驗方法，讓學生掌握和熟悉從現實世界到虛擬世界的數據轉換與建模，深入理解數據重分類的意義和目的，將智慧城市的理念與空間分析相結合，自我反思和促進學習的積極性，促使學生從被動學習到主動學習，提升主動探索的學習精神。另外，對實驗課的內容設置的深度和難度還需進一步加強，如適當引入時空地理加權空間計算、OLS回歸分析，時間與空間可達性等，通過現實案例，讓學生更加理解智慧城市不僅僅是空間可視化分析，更是大數據運算與模式挖掘。

3 地理信息系統教學改革措施

3.1 加強課程內容建設，凸顯時代特色

在教學內容上，拓展學生的知識面和對數據模型的學習，如加入概念模型、邏輯模型，物理模型、場模型、網絡模型、多維數據模型、對象模型、面向對象技術的抽象模型。在數學模型的講授中，將地理數據與現實生活中的鐵路、公路、航線相結合。將場模型與大氣污染、地表溫度、土壤適度、地形高度以及水域流速與方向相結合。在時空模型的講授中，將出租車數據、手機信令數據、居民時空行為GPS跟蹤數據融入到時空模型案例的講授中，滲透時空GIS、時空棱柱研究、多維數據的表達研究[6]。從宏觀來看，城市化與城市空間轉型，城市公共服務設施如交通路網、醫療、學校、地下空間管網布局具有多路徑及復雜性，不同數學模型的引入能將顯示世界的復雜性呈現在智慧城市的可視化子模塊中。

轉型期社會制度、社會結構改變。從微觀來看，居民日常行為復雜化與多樣化，家庭活動模式也發生了較為徹底的內在改變，居民需求越發多元化，與此同時，更需要智慧城市的多層級響應，如總體響應、分層次與分人群需求響應等。因此，在地理信息系統教學內容中，強調居民行為的微觀轉變與行為的多情境轉變，日常活動的時空路徑圖可視化分等，這對智慧城市模擬居民購物、消費、飲食、交通出行行為有重大的實踐意義，通過居民行為的微觀模擬，對城市交通網絡、公共服務配置、居民出行決策、城市規劃有一定的指導意義[7]。通過數據模型學習與實際案例的匹配延伸，讓學生更加能了解地理信息系統的功能及與智慧城市建設的聯系，也能激發學生對地理信息系統課程學習的熱情與自學能力。

3.2 基于多學科交叉的地理信息系統教學案例升級

事實上，地理信息系統是一門集數據采集、存儲、分析為一體的空間數據技術，更是一門數據挖掘與數據決策的分析工具，與當前的智慧城市建設緊密結合，才能彰顯其強大的數據運算與分析決策能力。智慧城市包括的模塊眾多，如城市用水管理模塊，可以細致到街道用水、社區用水、家庭用水，城市用電與天然氣也是同一的設計模式。在城市用電、用水、用氣的設置中，需要對電流、水流、氣流的實時流量進行檢測，還需檢測家庭結構、家庭人口。為了達到精細化的流量傳輸與測度，居民日常行為的用電、用水、用氣模式、家庭互助下的節能模式是重點關注的內容。這些需要利用社會學與時間地理學的理論支撐去分析家庭內部的生活秩序與能量使用秩序[8]。

城市治理的公共安全模塊，需要考慮城市范圍、社區范圍與家庭范圍，如何對城市人流量、車流量、空氣質量等進行動態實時監測，如何對社區網絡、社區安全出入口、社區人口環境、社區生態環境進行監測、如何對不同類型社區的居民的活動出行進行實時監測，不僅需要地理信息系統的可視化技術，更需要生態學、社會學、人工智能、機器學習、環境科學、遙感科學等其他學科的支撐與融合。因此，地理信息系統的講授過程中，需融入環境科學、遙感、人工智能等的課程群的建設。制訂一套完整的教學質量評估體系，對不同講授模塊進行學生打分，包括理解度、感興趣度，與智慧城市建設的關聯度，最后對評分結果進行循環優化，提升教學質量。

3.3 強化實踐教學，加強技能操作

針對目前地理信息系統實驗操作的單一性，不連續性與不銜接性，亟待提出一套貫穿性與項目操作性較強的實驗方案與實驗流程。首先，厘清實驗操作的主要目的，實驗數據的來源，實驗操作過程中用到的地理信息系統模型與方法，將實驗目的與智慧城市建設相關聯。其次，激發學生的動手能力與主動思考的能力，獲取數據的能力，引導學生區利用Python去抓取網絡大數據，如百度熱力圖數據、百度人口遷移數據、美團等外賣數據、房地產鏈家數據等等。將這些數據進行組織、存儲，結合數據統計軟件SPSS、STATA、R語言進行對數據進行分析整理，發現區域現象與微觀人群特征現象，揭示人口遷移規律、飲食規律、住房市場狀況[9]。通過這些數據的抓取、分析、結果與結論的凝練來分析現有的城市運行模式與城市問題，將數據分析抓取與智慧城市的數據庫建設結合，將大數據的研究結果與智慧城市的空間決策相結合，體現地理信息系統對智慧城市建設過程中的有力支撐作用[10]。這對實驗的系統性、專業性、可拓展性有較好的前景，使得地理信息系統能更好的與智慧城市相結合，也為學生畢業后的實操能力、就業選擇有較為明顯的促進作用。

4 教學改革的優勢

與傳統的地理信息系統教學模式相比，將智慧城市融入地理信息系統理論課與實踐課授課，能夠突破傳統的數據獲取模式如矢量化、屬性數據的輸入，統計年鑒的整理輸入，而是借助爬蟲抓取工具獲取網上自由開放的數據源，進來指導智慧城市的建設。這不僅能讓學生了解多源數據的獲取，提升學生的思考與動手能力。還可以獲取免費開源的大數據，這些大數據能揭示地理信息和城市空間的普遍規律。增加學生去本專業的興趣，將地理和大數據結合，為學生提供了開放的學習模式，拓展了專業知識，提高學生的綜合素質。

4.1 整合式理論水平提升

突破傳統的“教與學”被動學習狀況，引入智慧城市建設的模塊化教育理念，將智慧城市建設過程中理論建設框架、技術研發框架、多學科交叉模型框架融入到地理信息系統課程的講授中去，這樣有助于拓展學生的知識面，對理論課學習的認同感。城市發展進程中居民身體健康問題、心理健康問題頻繁、社會風險增強，重大突發公共衛生事件如何應對都是現階段應當解決的重大城市問題。理論與問題的融入講解將會對課程理論體系、課程的要點與難點有更加深入的理解。其次，摒棄傳統的教科書式教學，形成組對組幫扶、以強帶弱的課程學習團隊。對理論知識進行循環鞏固，從課本理論到智慧城市理論，形成一整套的循環理論。

4.2 提高學生的建模能力與運算能力

傳統的地理信息主要涉及到了數據矢量化、空間分析基本數據分析，智慧城市的引入需要學生較為熟練的掌握數據建模能力與大數據運算能力。在ARCGIS的實驗操作中，引入ArcGIS Engine二次開發平臺，熟練掌握C#、C++編程語言。實驗課需要設置一整套的訓練方案，明確實驗課要達到的目的，如人口數據時空變化展示、人口流動的社會網絡、空間模型計算等，在不同的子模塊確定編程方案，需要的類庫等。這些都有助于理解底層開發，智慧城市建模的底層研發與底層設計，易于理解智慧城市的智能化運作程序。在智慧城市模塊化繼續完善的進程中，提出可行性研究策略，提升學生動手和動腦能力。另外，以實驗競賽的模式，對實驗課進行改革與探索，可以將歷年ESRI公司舉辦的大學生GIS軟件開發競賽賽題引入到實驗教學中來，讓學生了解原創性實驗步驟、練習所學習的技能操作，進一步培養學生的探索性學習能力。

4.3 培養學生的核心價值觀

智慧城市規劃是國家規劃體系的重要組成部分，也是國土空間規劃體系的有機組成部分，更是國家的長期戰略。讓學生在課程學習過程中關注民生民情，低收入群體、殘體人群體、社會治理與城市治理狀態、城市公共服務資源供給與居民需求，樹立學生正確的核心價值觀與主動加入智慧城市治理的情懷。從宏觀與微觀層面了解城市居民生活狀態，培養學生的奉獻精神與積極參與的精神。在學校層面，培養出一批掌握信息技術、掌握科學研究的理論邏輯、具備正確的核心價值觀的人才隊伍，服務與智慧城市規劃、社區生活圈規劃、空間規劃與治理。

5 結語

智慧城市這一概念自2008年提出以來，全國各地加速布局并進行實踐落地，先后形成概念導入期（2008-2012 年）、試點探索期（2012-2016年）、統籌推進期（2016-2020年）等重要發展期，正邁入集成融合發展的新時期。基于傳統地理信息系統授課過程中的“教科書”式教學模式，引入智慧城市視角下的地理信息系統授課模式與實驗拓展模式。從地理信息數據的采集、存儲、分析到現實世界與地理信息大數據的結合，深入學習智慧城市的數據結構、數據模塊解析，基礎城市數據、人口數據、社區居民行為數據的調查與采集模式，理解地理信息理論基礎在智慧城市建設過程中的應用理論。在實驗課程方面，設置項目式的實驗訓練模式，讓學生從數據采集、輸入、計算、建模等實踐環節，理解地理信息系統的強大功能，也為學生參加到智慧城市建設打下牢固的基礎。

參考文獻：

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[9] 劉鈺，余卓芮，劉岱寧. R語言可視化的優勢及其在空間統計教學中的應用[J]. 2021（2020-5）：30-33.

[10] 梁亞博.地理信息系統在智慧城市中的應用[J].住宅與房地產，2020， No.564（05）：239-239.