大數據時代高校信息類專業中的空間統計教育與探索

賈燕 江暢 李文梅 苗立志

摘要：文章闡述大數據時代背景下我國高校信息類專業空間統計課程教學中存在的問題，如何結合當前流行且有效的多種教學手段開展新型混合教學模式改革，介紹新型混合式教學改革的方法與案例，探討大數據時代對統計學等專業課程教學的影響，以期為進一步完善該課程的教學和推廣工作提供一定的理論基礎和科學參考。

關鍵詞：大數據時代;信息類專業;教學改革;空間統計學;信息科學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2022）13-00-03

統計學是一門運用數理統計與概率論原理及方法，結合應用實際研究數字資料并整理、推斷與分析的學科[1]。統計、分析具有空間分布特征的數據的方法被稱為空間統計學[2]。空間統計學從70年代興起[2]，它反映了國內外氣候學、地理學、社會學、人類學和經濟學等多個領域專家對統計學這一方法的研究與應用。美國國家研究委員會提交的政府工作報告曾列舉了27個未來發展的重要科學研究方向，其中第17項就是空間統計學[1]?？臻g統計學在信息科學乃至人文地理、城鄉規劃等專業的本科和研究生人才培養中都具有較為重要的地位，其探索人文現象或自然規律的空間結構與空間變異，具有較強的實踐性。

隨著電子信息類專業的發展，空間統計學迅速普及。特別是在信息爆炸的大數據時代，計算機在統計學中的應用更加促進了多種變量分析方法在信息研究中的應用，空間統計學為通信、地理信息等學科的發展提供了十分重要的理論基礎和技術支持[3]。雖然空間統計學可簡單理解為在空間數據上的應用，但作為一門發展較快的綜合性交叉學科，它有自己的科學理論體系，是一種非常緊密的、面向多個學科的交叉融合，而非簡單理論知識的疊加或堆砌。因此，如何結合學生的學習背景及專業方向，圍繞培養目標和教學大綱，充分結合知識模塊，優化課程的教學方式及內容，特別是借用不同教學平臺和技術，優化調整教學方式，進而培養跨信息學、地理學和數理學等交叉學科的具有大科學基礎理論知識和素養的復合型人才是非常緊迫的問題。

1 空間統計教學的目的和改革思路

在大數據時代背景下，空間統計教學的目的和要求也有所變化。空間統計課程的學習要求學生能夠正確、深刻地理解空間統計學的基本思維，掌握空間統計學的基本原理和方法，同時具備使用編程語言進行空間統計分析的基本動手實踐能力，能夠應用空間統計學定量研究空間地理信息，以解決空間問題。因此，空間統計混合式教學改革需要結合時代背景和資源配置，因地制宜地展開，針對本專業的歷史發展、學生和授課教師的專業背景以及教學對象基礎理論儲備差異等情況，采取最適宜、最有效的改革模式[4-6]。

改革可以從以下幾個方面著手。一是教學中存在的問題。利用調查問卷及文獻調查等方法，從多個方面，特別是基于前期教學研究基礎，分析當前教學中存在的問題和成因。二是分析多種教學手段特點。充分結合當前教學存在的問題及知識模塊，有目的地選擇幾種常見的教學手段，分析其特點及教學中的應用情況。三是混合應用多種教學手段。結合教學大綱及課程內容，特別是基于知識模塊，采取多種教學手段，開展多元化混合式教學。

其中，教學手段包含以下幾種。一是微課：以視頻為主要載體，對某個知識點（重點、難點和疑點等）展開的精彩教學活動。二是翻轉課堂：將翻轉課堂的理念應用到教學中，助力學生的個性化教育發展。三是以問題為基礎的學習方法（Problem-Based Learning method，PBL）：選擇開展以PBL為主導的學習方法，設計相關知識學習案例，把學生作為教學的主體，從而提高學生的思維創造能力和綜合素質[7-9]。與此同時，綜合空間統計學教學大綱及知識模塊，結合學生專業背景及就業去向，按照不同模塊的特點，有效采取上述多種教學手段，有目的地開展多元化、多手段、多層面教學，調動學生的積極性和主動性，提升課堂學習效果。

2 基于“智能PBL”的空間統計教學案例分析

空間統計學教改的具體實施內容主要是圍繞當前空間統計學中存在的問題展開，充分借用多種教學手段，探索新型混合式教學。首先是綜合前期研究基礎，特別是教學過程中接觸、了解到的實際問題，系統分析并匯總當前教學中存在的問題，主要從以下幾個方面開展：一是結合當前地理信息科學專業本身的學科特點和學科背景，特別是學科發展情況;二是結合當前地理信息專業教師隊伍的組成及研究背景，以及教學科研情況;三是基于空間統計學中的教學大綱及知識模塊特點，充分考慮理論和實踐課的教學特點，以選擇最佳教學手段;四是充分結合本專業學生的學習背景及就業去向特點，從學生能力和素質的培養方面著手，調整教學模塊及教學手段。

綜上所述，可以得出以下幾點結論。一是現代科技的快速發展引起了分析方法和理論的變革，傳統空間的數據統計和分析方法備受挑戰。同時，得益于計算機性能和相關算法的不斷提升，空間統計學的發展邁向了時空大數據時代[1-3]。二是地理信息科學教師隊伍的組成和研究背景多樣，其中具有數理專業背景的授課教師較少。三是學生就業去向普遍是一些通信、地理信息、圖像搜索、智能語義等與智能大數據相關的公司。因此，除了結合目前一些廣泛應用的教學手段，包括如微課、翻轉課堂等多元化教學和學習之外，還要把最新的、前沿的一些智能科技手段融入傳統授課方式中，讓現代技術點亮傳統課堂，其相互融合、優勢互補可激發并進一步促進學生的學習積極性和創造力，培養學生課堂學習的主人翁意識和態度。

采用PBL學習方法并融入空間統計學授課中，除了較少學時的基本理論教學，其他相關內容均可通過PBL方法學習，激發同學們利用空間統計學工具解決實際應用中各種問題的興趣。其中，需要解決的關鍵問題也是教學難題，即問題和案例的設計。如何根據整個空間統計學課程的基本知識模塊，基于交叉學科的特點、地理信息類的專業背景設計適當的問題和案例，讓學生基于案例探究問題并解決問題，是教學改革模式探索中需要解決的關鍵問題。

結合當代科學技術發展前沿，融入智能化技術元素，提出“智能PBL”教改方式，即是采用最先進的智能化技術算法來分析和集成知識子模塊的理論知識，形成基于知識圖譜的智能語義問題案例庫[10]。其中，知識圖譜的構建基于單元知識模塊中的重點和難點等知識點提煉關鍵詞，并以此為中心形成單元模塊化的知識網絡，進而串聯空間統計學整個知識體系。除此之外，智能問題庫可實現智能對話的功能，根據提問對象提出的關鍵詞，自動搜索匹配相關的問題與答案。在理論、實踐教學中，以學習小組為單位，就文獻匯報及智能PBL問題庫展開學習和交流，進而以理論學習推動實踐操作，再通過實踐操作激發實際應用能力，層層遞進，全面推進對空間統計交叉知識體系的學習[11]。

3 混合式教改模式特點和建議

基于混合模式的空間統計學改革集中體現了從多角度運用各種教學方式和資源來講授空間統計理論，并解釋空間數據特點和探索空間規律。混合教學實踐具有一定的難度和深度，并結合現代科學技術方法，才能使學生提高自身運用理論知識解決實際問題的能力，并切實提高教學效果，其中需要注意下面幾點。

3.1 以專業特色為導向，結合學科背景和就業方向優化教學內容和教學模式

結合學生們不同程度的知識儲備，相應地調整和補充數理統計方面的理論知識，有助于促進學生理解該門課程的知識，提高認知和系統把握學科發展方向的能力。不僅限于此，還針對不同的就業方向和學生的興趣需求調整教學方案和內容，以滿足同學們對實際應用的需要，同時激發學生的學習積極性。

3.2 身份互換，使學生成為課堂的主角

為了使學生增強主角意識并提供一個良性競爭的環境。教師可充分利用網絡資源，開設網上學習課程，讓學生互相監督。同時，教師與學生們要積極互動，交流課程的學習心得，共享教育資源。

3.3 與時俱進的考核方式

考慮到空間統計學特有的理論與實踐性較強的特點，考核方式不應僅設定為傳統的閉卷考試，可結合總結匯報的開放式考查和上機實驗。通過小組總結匯報的形式檢驗學生們對空間統計學的概念和理論知識的掌握程度，特別是對學科前沿的了解程度。通過上機實驗考試，則可把握學生們的綜合分析能力和運用理論知識解決實際問題的能力。

3.4 知識模塊的劃分和相應教學手段的選擇

結合當前教學中存在的問題，緊扣教學大綱和知識模塊進行分類。充分結合當前空間統計學知識模塊，基于所涉及內容劃分，如純理論模塊、“理論+實踐”模塊、純實踐模塊等。特別針對純理論模塊中偏向不同背景的模塊，如數學模塊、統計模塊、計算機模塊和地理信息模塊等，選擇不同的教學手段，從而達到最佳的教學效果。同時，充分增強學生的學習積極性。

3.5 多手段開展教學

雖然是一門基礎學科，但是基于交叉學科的特點，特別是多個較為分散但又有緊密聯系的知識模塊，是可以利用多種教學手段授課的。比如翻轉課堂、微課、PBL等，特別是文章中應用的“智能PBL”教學模式，可以有效提高學生的課堂主觀能動性和參與度。課下的文獻資料查閱和匯總為更深入地理解授課知識點提供了有利的途徑，從而提高學生的學習能力及效果。

3.6 教學和科研齊頭并進

目前空間統計學的師資力量較為薄弱，電子信息相關專業的授課教師較少有數理統計專業背景。因此，鼓勵專任教師從事與空間統計學相關的科學研究，真真正正把理論研究運用到實際中，從科研中獲取新鮮營養再反哺于教學。只有這樣，專業任課教師才能準確把握統計學發展的前沿理論知識和動態，將知識帶入課堂，提高教育教學質量。

4 結語

大數據時代，特別是海量的時空地理大數據給傳統統計學帶來了新的機遇和挑戰，同時也形成對通信、計算機、地理信息和統計學等交叉領域中富有經驗的高層次人才的需求。大數據時代，空間統計學的重要性不言而喻。文章分析空間統計學課程在信息類專業中的混合教學模式改革方法，通過結合教學大綱及內容，特別是圍繞不同知識模塊應用，并基于當前教學中存在的問題和不同教學手段特點，結合前沿科學技術，開展新型混合式教學，如“智能PBL”教學法。通過空間統計學的學習，學生能夠在理解空間統計基本方法與原理的基礎上，掌握空間數據的統計和分析方法，空間數據規律的挖掘和探索思路，使學生具有空間信息定量研究的基本能力，并運用到實際中。同時，要求學生具有采用編程語言解決地理要素總體估計與空間分布預測問題的能力。作為一門典型的交叉學科，空間統計學融入了多學科的知識和思維，可以用多種教學手段開展教學，從而提高教學效果。該課程教育改革的模式和思路也可以用于其他類似的交叉學科。

未來須進一步結合教學大綱及知識子模塊，進一步在課堂中應用多種教學模式。基于課程知識模塊，圍繞電子信息等專業的特色設計問答和案例，提高和發揮智能在信息類專業課堂教學中的作用，讓學生積極參與學習并匯報，深入理解知識模塊及不同知識背景的聯系，進一步提高教學質量和效果，為培養跨信息科學、地理科學、數理學等交叉學科的具有大科學基本理論知識和綜合素養的復合型人才打下基礎。

參考文獻：

[1] 振興美國的數學：90年代的計劃[M].葉其孝，等譯.北京：世界圖書出版公司北京公司出版，1993：1-16.

[2] 費勒.概率論及其應用（上、下冊）[M].胡迪鶴，等譯.北京：科學出版社，1979：6-19.

[3] 朱建平，章貴軍，劉曉葳.大數據時代下數據分析理念的辨析[J].統計研究，2014（2）：10.

[4] 陳鑫.基于企業學院模式的高職建筑室內設計專業改革與探索[J].藝術科技，2021，34（2）：40-41.

[5] 張金帥，劉蒙，于禾.高等教育研究性教學改革的路徑研究[J].藝術科技，2021，34（10）：23-24.

[6] 明珠.基于OBE理念的動畫周邊實踐類課程改革與探索[J].藝術科技，2021，34（20）：27-29.

[7] 赫永達，張衛國，陳亞麗. PBL模式在雙語教學改革中的應用研究：以“計量經濟學”教學為例[J].教育理論與實踐，2022，42（12）：49-53.

[8] 韓秀麗，汪金花，李鳴鐸，等.新工科需求下PBL教學深度學習的模式研究[J]. 華北理工大學學報（社會科學版）2022，22（2）：87-92.

[9] 王丹丹，畢芳芳，王蛟，等.基于雨課堂的PBL教學模式在婦科臨床教學中的應用研究[J].中國中醫藥現代遠程教育，2022，20（6）：6-9.

[10] 楊娟，杜旭，李浩.自適應學習系統中教育知識圖譜模型構建研究[J].中國教育信息化，2021（24）：24-29.

[11] 趙永.空間數據統計分析的思想起源與應用演化[J].地理研究，2018，37（10）：2058-2074.

作者簡介：賈燕（1986—），女，河南鄭州人，博士，講師，研究方向：電子信息理論與應用。

江暢（1978—），女，四川德陽人，博士，副教授，研究方向：地理信息系統與應用。

李文梅（1984—），女，山東聊城人，博士，副教授，研究方向：地理信息系統與應用。

苗立志（1981—），男，山東臨沂人，博士，副教授，系本文通訊作者，研究方向：地理空間人工智能。