新工科背景下地理信息系統(tǒng)教學(xué)改革探討

李曉明，洪武揚，王偉璽，黃正東，辜智慧

（1.深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.深圳大學(xué)智慧城市研究院，廣東 深圳 518060）

地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）起源于20世紀60年代初，是對地理空間數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、查詢、分析、顯示與輸出的計算機系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，已在各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，滲透到了普通大眾的日常生活[1]。隨著人類社會步入信息時代，GIS已發(fā)展為地理信息科學(xué)（geographic information science），成為一門描述、存儲、分析和輸出空間信息理論和方法的新興交叉學(xué)科[2]。GIS成為國內(nèi)外地理學(xué)、測繪科學(xué)等大學(xué)本科生的專業(yè)核心課，為培養(yǎng)不同領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人才，以及培養(yǎng)碩士和博士研究生等科學(xué)研究人才提供重要基礎(chǔ)。近年來，信息與通信技術(shù)（information and communications technology，ICT）使測繪、規(guī)劃、國土等行業(yè)的GIS應(yīng)用形態(tài)和研究范式發(fā)生了改變。GIS專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)更為依托行業(yè)而又不拘泥行業(yè)，且隨地理信息應(yīng)用需求發(fā)生柔性延展[3]。鑒于地理信息系統(tǒng)教學(xué)對于學(xué)生理解GIS課程的理論精髓和未來就業(yè)所起到的關(guān)鍵作用[4]，將GIS教學(xué)變成一種知識領(lǐng)域更加全面、方法技術(shù)更加前沿、實踐方式更加多樣的專業(yè)人才培養(yǎng)模式將成為重要目標(biāo)[5]。

在當(dāng)前“新工科”建設(shè)背景下，高等教育更需體現(xiàn)面向未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。2016年，國家在測繪科學(xué)與技術(shù)的二級學(xué)科中新增了“地理空間信息工程”特設(shè)專業(yè)，注重測繪科學(xué)與地理學(xué)和計算機科學(xué)的交叉融合[6]。深圳大學(xué)地理空間信息工程專業(yè)于2017年正式招生，注重培養(yǎng)學(xué)生掌握地理空間信息技術(shù)、城市科學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)基本理論、技術(shù)和工程實踐方法，以面向解決城市問題為特色，建立了“思維思辨-理論基礎(chǔ)-分析應(yīng)用-研究創(chuàng)新”4個層級的城市GIS教學(xué)體系框架[7]，其中地理信息系統(tǒng)原理（GIS原理）課程作為重要的理論基礎(chǔ)課程，與空間數(shù)據(jù)庫原理、空間統(tǒng)計與分析課程共同為分析應(yīng)用以及研究創(chuàng)新提供基礎(chǔ)。地理信息系統(tǒng)原理課程應(yīng)充分給予學(xué)生學(xué)科交叉、方向多樣、領(lǐng)域?qū)拸V的教學(xué)內(nèi)容，并需要配合實踐教學(xué)加強學(xué)生主動解決實際問題的能力。

為此，本文面向新工科背景下的地理信息系統(tǒng)原理和實踐課程改革要求，通過對現(xiàn)狀問題的梳理與辨析，結(jié)合深圳大學(xué)地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)實踐，嘗試提出融合式發(fā)展的地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)改革路徑，以期為更好地適應(yīng)新工科理念下的地理信息人才培養(yǎng)與教學(xué)改革提供參考。

1 新工科背景下的地理信息系統(tǒng)原理和實踐課程的新要求

地理信息系統(tǒng)原理是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，旨在讓學(xué)生理解地理信息系統(tǒng)基本概念，掌握地理信息系統(tǒng)的基本理論和技術(shù)方法，使學(xué)生理解空間數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系，掌握地理空間數(shù)據(jù)的采集、編輯、處理、組織、管理、分析與顯示的技術(shù)原理與方法，初步搭建起地理信息系統(tǒng)專業(yè)領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)體系和框架。地理信息系統(tǒng)實踐課程是在掌握GIS基本原理的基礎(chǔ)上開設(shè)的一門實踐課程，通過GIS軟件實習(xí)操作，學(xué)習(xí)如何利用地理信息系統(tǒng)去解決實際問題的思路，提升利用地理信息系統(tǒng)解決實際問題的思維與能力。

新工科建設(shè)要求培養(yǎng)一批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當(dāng)務(wù)之急，也是長遠之策。GIS是以空間視角刻畫和表達物理空間和社會空間的技術(shù)學(xué)科，通過GIS建立地理-人文-信息三元空間的關(guān)聯(lián)，將是智慧城市建設(shè)的邏輯基礎(chǔ)[7]。地理信息系統(tǒng)原理和實踐課程的相關(guān)專業(yè)知識和技術(shù)手段更新較快，如地理大數(shù)據(jù)、空間大數(shù)據(jù)、地理知識挖掘等新興概念的提出，大大促進了GIS理論和技術(shù)不斷革新變化。

大數(shù)據(jù)不僅使世界認識到數(shù)據(jù)的重要性，更引發(fā)了許多行業(yè)從根本上實施變革。大數(shù)據(jù)時代也對GIS提出了諸多挑戰(zhàn)，如海量、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲與管理以及價值挖掘等[8]。物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、智能傳感、大數(shù)據(jù)、人工智能和自動控制等現(xiàn)代技術(shù)迅猛發(fā)展，地理學(xué)和測繪學(xué)及其分支日漸深度融合，中國社會經(jīng)濟和科技事業(yè)的發(fā)展及全球命運共同體的建設(shè)等也對GIS提出了新需求，地理信息科學(xué)的發(fā)展正邁入一個全新的時代[9]。

與此同時，城市研究的范式在大數(shù)據(jù)和人工智能的影響下已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化[10]。城市變得越來越智慧，GIS在新城市科學(xué)中也發(fā)揮著越來越重要的作用[11]。新城市科學(xué)體系的形成，要求GIS人才除了具備傳統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)外，還需要培養(yǎng)學(xué)生具備應(yīng)對當(dāng)今城市變化的新技能和新思維[12]，這無疑也給地理信息系統(tǒng)原理和實踐課程教學(xué)帶來了更多挑戰(zhàn)。

2 地理信息系統(tǒng)原理和實踐課程的問題分析

1）教學(xué)內(nèi)容零散，學(xué)科專業(yè)知識交叉融合不充分。作為一門綜合性極強的專業(yè)基礎(chǔ)課，地理信息系統(tǒng)原理的課程內(nèi)容學(xué)習(xí)不應(yīng)該是零散的“點”，而應(yīng)該是將相關(guān)的“點”結(jié)合為一體的“線”，甚至“面”。傳統(tǒng)課堂教學(xué)中僅限于本門課程教材中的內(nèi)容，通常只是將涉及GIS的理論知識點逐個灌輸給學(xué)生，缺乏與城市信息學(xué)的交叉融合，也極少引入GIS與城市信息學(xué)數(shù)據(jù)采集與分析的課堂練習(xí)實踐，學(xué)生難以充分領(lǐng)悟GIS在解決城市問題的地位和作用。

2）教學(xué)模式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動意愿未激發(fā)。地理信息系統(tǒng)原理課程內(nèi)容比較多，為完成教學(xué)任務(wù)，課程的教學(xué)模式以課堂講授為主。課堂教學(xué)中，學(xué)生往往只是被動接受教師所講授的專業(yè)理論知識，對于教學(xué)內(nèi)容的真正掌握情況，受限于單向講授方式，亦不能得以充分展示和檢測。這種正向的反饋機制如果無法建立，教師則難以根據(jù)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的接受程度靈活控制進度，教學(xué)模式趨向于固化，最終導(dǎo)致課堂教學(xué)成效甚微。

3）教學(xué)實踐機械，學(xué)生實際動手操作能力待提高。一方面，GIS本身是一項應(yīng)用性極強的工具，隨著GIS相關(guān)軟件的不斷發(fā)展與升級，各功能與工具直接的耦合關(guān)系和邏輯關(guān)系更加嚴密。以往地理信息系統(tǒng)課程的教學(xué)實踐設(shè)計相對簡單，會導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容與新技術(shù)發(fā)展需求存在脫節(jié)。另一方面，教師演示、學(xué)生模仿的這種實踐模式，典型缺陷在于沒有為學(xué)生提供足夠的思考空間和探索機會，當(dāng)學(xué)生面對具體問題時依然無從下手，缺乏主動發(fā)現(xiàn)問題和解決問題能力的培養(yǎng)。

3 地理信息系統(tǒng)原理與實踐融合的教學(xué)改革路徑探索

新工科背景下對于地理信息系統(tǒng)原理和實踐課程的改革要求包括了重融合、強實踐、多樣化等，在總結(jié)歸納當(dāng)前存在問題的基礎(chǔ)上，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)實踐3個方面進行教學(xué)改革實踐的論述（圖1）。

圖1 地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)改革探索路徑

3.1 教學(xué)內(nèi)容交叉融合

地理信息系統(tǒng)原理課程交叉特征明顯，涉及計算機、數(shù)學(xué)、地理、測繪等，在新工科背景下特別強調(diào)對城市信息學(xué)的深度融合。在總課時一定的前提下，除了GIS基礎(chǔ)理論的講授外，需要重點甄選與城市信息學(xué)密切相關(guān)的知識點作為核心授課內(nèi)容。此外，需要在教學(xué)內(nèi)容中豐富城市信息學(xué)相關(guān)知識，以GIS作為智慧城市操作系統(tǒng)的理念，大幅度增加面向智慧城市發(fā)展需求的地理信息系統(tǒng)課程內(nèi)容。

在教學(xué)內(nèi)容表達上增設(shè)GIS與城市問題相交叉的專題案例，圍繞某一主題或現(xiàn)象，將GIS專業(yè)教學(xué)中多門課程有機融合[13]。通過專題案例的深度挖掘，剖析相關(guān)的GIS技術(shù)過程與功能，使學(xué)生在深刻理解城市所面臨問題的基礎(chǔ)上，領(lǐng)悟GIS在解決城市問題中的作用，從而掌握利用GIS解決具體實際問題的邏輯流程與關(guān)鍵技術(shù)。通過課程教學(xué)內(nèi)容與城市主題的交叉融合，不僅顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時為實踐教學(xué)和訓(xùn)練夯實基礎(chǔ)，進而提升學(xué)生解決復(fù)雜現(xiàn)實問題的能力。

3.2 教學(xué)模式強化實踐

在教學(xué)中探索使用“2+1”的教學(xué)模式，其中2是線上視頻課程與線下課堂講解與操作，1是針對已掌握知識的GIS軟件實踐。①線上視頻課程，學(xué)院已與超圖達成戰(zhàn)略合作協(xié)議，部署了整套的SuperMap軟件，教師將提前錄制好時長約15 min的軟件操作視頻發(fā)送給學(xué)生，以供課前預(yù)習(xí)。②線下課堂，教師針對性地講解基本概念原理、方法與操作，通過知識點設(shè)問和啟發(fā)式引導(dǎo)的方式，促進學(xué)生主動思考與相互討論。③GIS軟件實踐，教師將面向城市相關(guān)的工程實踐及科研成果以示例、動畫的形式向?qū)W生演示，豐富課堂教學(xué)的信息量和生動程度，學(xué)生再進行操作練習(xí)，完成空間數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、空間分析、制圖與可視化等預(yù)定任務(wù)。通過線上、線下有機結(jié)合，學(xué)生能夠充分掌握理論知識和提升操作能力。

推行研討式教學(xué)，基于《地理信息系統(tǒng)原理》課程的教學(xué)重點和教學(xué)難點，設(shè)置6～8個與城市信息學(xué)相關(guān)的研討式問題，將學(xué)生分為若干小組，學(xué)生以小組為單位對問題進行思考、討論，教師引導(dǎo)學(xué)生解決問題，并形成最終的課程匯報。

3.3 教學(xué)實踐多樣化

解決城市實際問題的課程實踐是GIS教學(xué)的核心價值。通過課程的綜合實踐，學(xué)生在鞏固理論知識的同時，能夠提升使用GIS解決問題的思維與能力。課程實踐以加強課程知識掌握以及各學(xué)科的知識融合為目標(biāo)，形式可以多樣化，具體包括：

1）軟件應(yīng)用層面，加強國產(chǎn)軟件SuperMap以及開源QGIS等軟件的教學(xué)實踐，并結(jié)合具體的教學(xué)案例，讓學(xué)生在熟練掌握GIS通用軟件的基礎(chǔ)上，理解GIS的基本原理和方法，提高解決實際問題的能力。比如在GIS軟件實習(xí)中，學(xué)生分組圍繞深圳大學(xué)校園自主選定各種主題進行動手實踐，部分成果如圖2所示。

圖2 校園主題的GIS軟件實習(xí)部分成果展示

2）學(xué)科競賽層面，學(xué)生可通過參與ESRI、超圖等公司組織的GIS制圖與軟件研發(fā)大賽、政府部門組織的開放數(shù)據(jù)應(yīng)用創(chuàng)新大賽等，增強學(xué)生的創(chuàng)造力和動手能力，以賽促學(xué)，以學(xué)促研。

3）見習(xí)實習(xí)層面，組織學(xué)生參觀學(xué)習(xí)自然資源局、交通運輸局、生態(tài)環(huán)境局等政府部門，以及規(guī)劃設(shè)計院、測繪院等行業(yè)部門，了解解決各類與GIS相關(guān)的城市問題的案例，充分認識GIS在城市規(guī)劃、建設(shè)、運行管理中發(fā)揮的實際作用，探索地理空間信息技術(shù)在城市領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

4 結(jié)語

新工科建設(shè)要求培養(yǎng)一批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐。“新工科”建設(shè)背景下的地理信息系統(tǒng)原理和實踐教學(xué)，應(yīng)著眼于重組教學(xué)內(nèi)容，更新教學(xué)模式，創(chuàng)新教學(xué)實踐方式。在教學(xué)內(nèi)容方面，甄別重點，融合城市信息學(xué)等原理并增設(shè)相關(guān)案例講解，全面提升學(xué)生的理論知識豐富程度；在教學(xué)模式方面，推行研討式及“2+1”教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；在教學(xué)實踐方面，通過多軟件學(xué)習(xí)、參觀實習(xí)、以賽促學(xué)等模式深刻理解地理信息系統(tǒng)原理，鍛煉學(xué)生解決實際問題的能力。教學(xué)改革中，重點引導(dǎo)學(xué)生融合多學(xué)科知識解決實際問題，培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力及地理信息系統(tǒng)軟件綜合應(yīng)用能力，最終目標(biāo)在于綜合提升學(xué)生創(chuàng)新思維、批判性思維、設(shè)計和創(chuàng)造思維、領(lǐng)導(dǎo)力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和人文素養(yǎng)。期望本文能在相關(guān)的學(xué)科基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的教學(xué)改革中起到借鑒作用。