空間數據分析一流課程建設的思考

秦 昆，張洪巖，程昌秀，鄧 敏，胡碧松，孔云峰，李 軍，盧賓賓，張 紅，趙建軍，趙 永，王勁峰

（1. 武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079；2. 東北師范大學地理科學學院，吉林 長春 130024；3. 北京師范大學地理科學學部，北京100875；4. 中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410012；5. 江西師范大學地理與環境學院，江西 南昌 330027；6. 河南大學地理與環境學院，河南 開封 475004；7. 中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083；8. 華東師范大學城市與區域科學學院，上海 200241；9. 中國科學院地理科學與資源研究所資源與環境信息系統國家重點實驗室，北京 100101）

空間分析/空間數據分析是GIS的核心和靈魂。隨著GIS 的發展，對GIS 空間數據結構的研究已相對成熟，計算機制圖也早已達到了實用化水平，實用的GIS 軟件和實際的GIS 系統已有許多成功案例，因此系統的空間數據分析功能成為人們倍加關注的焦點，GIS 的發展已從數據庫型GIS 進入分析型GIS 階段[1]。眾多高校已經將《空間分析/空間數據分析》課程列為遙感科學與技術、地理信息科學、地理空間信息工程等本科專業的專業核心課，并紛紛將課程名稱由《空間分析》改為《空間數據分析》。課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量，必須把教學改革成果落實到課程建設上。在中國地理學會地理模型與地理信息分析專業委員會2021年學術年會上首次設置了教學專題“地理模型與地理分析課程建設”，參會專家針對《空間分析/空間數據分析》課程建設的思路、課程體系、科研反哺教學、線上線下混合式教學、知識與能力培養、創造教育以及一流課程建設的思路與方法等進行了熱烈的討論。這是地理模型與地理信息分析專業委員會年會增設教學討論專題的首次嘗試，為促進科研教學相長、培養地理模型與地理信息分析的優秀人才提供了重要基礎。

專題召集人：秦昆（武漢大學遙感信息工程學院，博士，教授，空間數據分析課程負責人、中國地理學會地理模型與地理信息分析專業委員會委員）、張洪巖（東北師范大學地理科學學院，博士，教授，中國地理學會地理模型與地理信息分析專業委員會副主任）。專題點評人：王勁峰（中國科學院地理科學與資源研究所，博士，研究員，中國地理學會地理模型與地理信息分析專業委員會主任）。

1 專題召集與主持人的觀點

一流課程包括線上一流課程、線下一流課程、線上線下混合式一流課程、虛擬仿真實驗教學一流課程和社會實踐一流課程5 種類型，其中線下一流課程以面授為主，以提升學生綜合能力為重點，應發揮課堂教學主陣地、主渠道、主戰場的作用。《空間數據分析》課程的目標應以提升學生能力為重點，培養學生掌握空間數據分析的基礎理論與方法以及分析應用問題的能力；培養學生實現空間數據分析算法的能力以及利用軟件完成空間數據分析任務的能力。《空間數據分析》課程在介紹空間分析的基本操作與基本方法的基礎上，還應介紹空間統計分析、軌跡分析與挖掘、智能空間分析等新內容，建議將課程統一命名為《空間數據分析》。

在課程建設方面，應面向學生綜合能力的培養重塑課程內容體系，建議《空間數據分析》課程的內容體系包括理論、方法和實踐3大部分[2]。其中，理論部分包括地理學定律[3-5]、空間關系理論[6-7]、空間認知理論[8]、空間推理理論[9]、空間分析不確定性理論[10]、尺度理論、時間地理學、時空大數據分析等。方法部分包括：①柵格數據分析，包括柵格數據操作分析、圖像數據挖掘與遙感大數據分析[11]、夜光遙感分析與挖掘[12]等；②矢量數據分析，包括矢量數據操作分析、網絡分析、空間社會網絡[13-14]、人群活動時空分析[15]、軌跡分析與挖掘[16-17]等；③三維數據分析，包括三維地形模型與特征量算、地形分析、三維建模與可視化等；④空間統計分析，包括探索性空間數據分析、地理相關性分析、地統計分析[18]、地理加權回歸分析[19]等；⑤智能空間分析，包括地理過程建模、地理工作流、智能空間分析、空間決策支持等，可分別采取分類法、圖示法、過程描述法、歸納法、案例法等方法開展教學。在實踐部分，建議設置相應的課間實習和一個綜合實習，即設置柵格數據空間分析實習、矢量分析與軌跡挖掘實習、空間社會網絡分析實習、三維空間分析實習、地統計分析實習、地理相關性分析實習等6 個課間實習和一個空間數據綜合分析的綜合實習，對空間數據分析的相關方法和實驗進行綜合分析。不同學校可根據各自的專業特點和課時安排對上述內容進行相應取舍。

不同高校的具體情況不同，部分高校側重于地理、部分高校側重于測繪遙感、部分高校側重于計算機，在《空間數據分析》課程的實際教學時，應充分考慮各高校的具體情況，考慮理科、工科和文科學科性質的差異性，以及專業班與非專業班學生專業背景的不同，設置合適的教學內容。側重地理的高校建議實踐部分以軟件操作為主；文理兼有的綜合型高校可結合歷史人文等現象或事件，采用可視化和故事的方式將GIS 在地理信息分析與挖掘中的作用呈現出來，從而發揮文理兼容的特點，啟發學生的學習興趣；側重于計算機的高校建議以程序設計與開發為主；側重于測繪遙感的高校建議兼顧軟件操作與編程開發。

建議建立《空間數據分析》課程的教學聯盟，并進一步申報建立教育部虛擬教研室，綜合全國相關高校空間分析/空間數據分析的師資力量和教學資源，實現教學課件、實驗數據等教學材料的共享并定期開展教學研討，根據不同學校的特點，分層次、分類型地編寫教材、制作課件、準備實習實踐方案等。

2 專題點評人的觀點

中國地理學會地理模型與地理信息分析專業委員會年會首次設置了教學研討專題，體現了教學與科研的相輔相成，是人類知識體系構建的“雙胞胎”。以后每年都將設置這樣的教學專題，鼓勵和組織地理模型與地理信息分析的研究人員在從事創新性科研探索的同時，積極將科研成果轉化為教學案例；除了經典的理論與方法，還將具有普適性和根本性且已得到國際同行認可的先進可靠的理論與方法適時融入教學，使學生及時掌握學科專業知識，并奠定學術科研的高起點。今年這個教學專題的5 個報告人的報告都非常精彩，華東師范大學張紅老師的報告體現了GIS 面對不同教學對象由淺到深的教學設計，強調了學生參與，針對感興趣的點進行深入科學研究的可能性；江西師范大學胡碧松老師在教學研究方面做了大量工作、申請并踐行了很多教學研究項目，學生積極參與科研；中南大學鄧敏老師結合學校和學院特色，將高水平科研成果轉化為課程教學，使學生感覺到科學理論創新就在身邊，并不神秘；東北師范大學張洪巖和趙建軍老師圍繞“創造的教育”的思路進行了《空間數據分析》課程的教學設計與實踐，培養和提升了本科生的科研能力，本科生發表了多篇SCI 論文；武漢大學秦昆老師的報告體現了《空間數據分析》課程體系的完整性和知識點的前沿性，以及對課程建設的高度重視。

個人的教學體會：①講道理而不要學生背誦；②在黑板上對核心模型和概念進行現場推導，在公式推導過程中不得不提出假設以使推導可以繼續，從而使學生理解模型原理和適用條件[20]；③穿插少量進行中的科研問題，使學生感覺鮮活生動有趣。

3 各位參會嘉賓的觀點

1）北京師范大學地理科學學部程昌秀（博士，教授，中國地理學會地理模型與地理信息分析專業委員會委員）觀點。《空間分析/空間數據分析》已成為GIS專業重要的核心基礎課程。隨著時代的變革、GIS應用的擴展，《空間數據分析》課程的內涵、范疇和體系潛移默化地發生著變化，即從傳統圖形學為基礎的空間分析泛化為以地理空間數據為核心的系列分析方法。如何建立合理、穩定的課程教學體系和內容以適應時代變化，是《空間數據分析》課程面臨的難點與挑戰。空間數據分析方法以數學科學為基礎、以地理數據與問題為牽引、以計算機技術為驅動。其中，數學基礎的穩定性最強，其次是地理問題。因此，建議以數學基礎為一級分類、“地理數據—問題—主題”三元組為二級分類，形成相對穩定、系統的知識脈絡體系，用于匯集名目繁多的分析方法，建立不同思維范式與地理數據/問題的聯系。首先，建議以數學基礎為一級分類，按照“幾何學—拓撲學—運籌學—統計學—人工智能”的脈絡梳理各方法，如緩沖區分析、空間疊加等以幾何思維范式為基礎，網絡分析等以拓撲思維范式為基礎，選址優化與資源分配等以運籌思維范式為基礎，時空統計分析以統計思維范式為基礎，神經網絡、深度學習等則以人工智能思維范式為基礎。其次，建議以“地理數據—問題—主題”三元組為二級分類體系，如在時空統計分析中，數據可細分為“空間—時間—時空”，問題可細分為“格局—過程—機制”，主題可細分為“度量—探測—插值—歸因”。“地理數據—問題—主題”三元組分類的不同組合則對應著不同的分析方法。希望在授學生以“魚”的同時，建立知識之間的脈絡體系和思維方法，潛移默化地授之以“漁”，使學生具備自我學習、拓展延伸課程知識的方法和能力。

2）中南大學地球科學與信息物理學院鄧敏（博士，教授，中國地理學會地理模型與地理信息分析專業委員會委員）觀點。隨著當今時代的發展和社會需求的變革，《空間數據分析》課程無論在教學內容、教學方法還是教學要求上都需要進行改革探索，以適應高質量人才的需要。①教學內容改革：《空間數據分析》課程的教學內容必須與時俱進，遵循“基礎+前沿”的內容設置原則，夯實學生的數理統計、幾何計算基礎，對一些傳統的基本空間分析內容應適當進行壓縮，增加空間大數據分析、地理空間智能分析等前沿內容[21]，使其教學內容反映專業發展與學科前沿，同時使課程內容具有一定的難度，激發學生的求知欲；作為課程教學內容的主要載體，課程教材需要不斷更新，科研反哺教學，將專業前沿知識及時轉化為課程教學內容，使課程教學與專業發展保持步調一致。②教學方法改革：需要打破長期以來《空間數據分析》課程教學重知識傳授、輕思想啟迪的弊端，由“知識灌輸”逐漸向“思想啟迪”轉變；尤其對于《空間數據分析》課程，需要從問題出發引導學生，在教學設計過程中把握知識傳授的整體性，為學生復盤知識產生的來龍去脈，啟發學生掌握從自然和社會中觀察、歸納和獲取知識的方法，提升學生思考問題和解決問題的能力；在課堂教學形式上，需打破一直以來的被動式知識學習模式，構建自主可控的全方位開放課堂，使學生變成課堂教學的參與者。③課程思政改革：課程思政建設不是“附加題”，而是“必選題”，直接關系到當代高等教育服務國家發展需求的最終效果。課程思政建設與思想政治課程教學有著本質的區別，絕不是簡單的思想政治教育+專業知識。課程思政建設需要實現思政元素“基因式”融入，做到教學內容有“思政味道”，立德樹人“潤物細無聲”。一種有益探索是將思政元素映射到知識點的講授過程中，以思政案例的形式，在講授專業知識的同時，潛移默化地進行思政教育，真正實現思政教育看得見、摸得著、記得住。

3）江西師范大學地理與環境學院胡碧松（博士，教授，中國地理學會地理模型與地理信息分析專業委員會委員）觀點。《空間分析》是理論性和技術性并重的一門專業課程，在實際教學過程中，需結合各院校自身特點進行相應內容的取舍與側重，尤其是在線上線下混合式教學環境下，更應注重線上數字化教學資源的建設，引入問題解決導向、科研課題驅動等創新教學模式；在教學設計方面，以問題解決與案例驅動為導向來設計教學，以實踐應用案例為主導來組織教學內容，重視設計生動有趣的教學案例以激發學生的學習興趣；還可將課程思政元素融入專業教學實驗案例，考慮線上教學和線下教學的平衡與互補，以及混合式教學的考核評價；建議在教學實施中適當進行發散性思維的訓練和培養，如針對1854 年倫敦霍亂疫情潛在污染源的求解問題，引導學生采用定性、定量以及定性定量相結合的多種分析方式求解；建議主講教師積極主持參與教學改革研究課題和精品課程建設項目，并指導本科生參加GIS 專業競賽，這些教學研究積累必將是空間分析一流課程建設的重要基礎。我們不應簡單地為了申報而建設一流課程，而應該明確一流課程建設的初衷，堅持以培養優秀本科人才和提高教學質量效果為根本目標。

4）河南大學地理與環境學院孔云峰（博士，教授，中國地理學會地理模型與地理信息分析專業委員會委員）、趙永（博士，副教授，中國地理學會地理模型與地理信息分析專業委員會委員）觀點。①課程定位：建議分別設置一門空間分析的基礎課和提高課，基礎課是所有地理專業的基礎課程，提高課為選修課；②課程內容：分為基本內容和提升內容，課程內容應多元化、有專業針對性、有難度層次性；③教材建設：現有教材專業性較強，整體難度偏高，但基礎性、系統性、可靠性不足，仍缺乏基礎性、高質量的教材；④課堂思政：適當引入，避免喧賓奪主；⑤教學方式：不忘初心，不要過于追求各種形式；⑥在課程內容設置上，應當既有“規定動作”，又有“自選動作”，既包括成熟的關于空間點、線、面數據分析的基本技術和方法，也應與時俱進，適當考慮時空大數據、智能計算等時代背景下的新技術和新方法，“規定動作”和“自選動作”的具體內容可結合各高校的實際情況而定。

5）中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院李軍（博士，副教授，教學副院長）觀點。《空間數據分析》課程具有實踐性強、適用性廣、趣味性高等特點，理論講授、案例式教學、線上線下混合式教學、體驗式教學等教學手段均能很好地發揮作用。由于其應用領域廣泛，也可從領域、場景、主題、需求等角度出發，設計各種教學案例或實習，很好地調動學生的學習興趣、創新思維和實踐能力。《空間數據分析》是一門有很強彈性的專業課程，有必要也適合建設成一門示范性課程。開設該課程的高校包括綜合性大學、行業性院校等，各高校的師資力量有差異，其所面向的行業或關注領域存在較大不同，且該課程在培養方案中的定位也不一致。為了使全國范圍不同高校學生均能享受高質量、豐富多樣的課程資源，可考慮以下兩個方面的建設：①組建《空間數據分析》課程虛擬教研室，充分運用信息技術，突破時間和地域限制，組織跨專業、跨校、跨地域的教師集體備課、共同探討、協同教學、共享資源，廣泛開展教學交流與課程建設；②建設共性與特色并存的課程資源，對于基礎且重要的理論與方法部分，共同建設統一的高水平教材、課件、習題集、案例數據等資源，各行業高校也可從自身領域特點出發，設計并建設具有不同領域特色的教學案例和數據作為統一資源的補充。各高校可根據需求選擇適合的課程資源。

6）武漢大學遙感信息工程學院盧賓賓（博士，副教授）觀點。空間統計分析是《空間數據分析》課程的核心內容之一，但該部分教學內容建設仍面臨較大挑戰：①空間統計部分的教學多重實踐而輕理論，缺乏對基礎性理論知識的講述，學生難以整體深入掌握，針對相關算法工具的掌握多停留于表面使用階段；②空間統計部分的知識點較龐雜，多數情況下僅作為《空間數據分析》等課程中的一個章節出現，但隨著空間數據的極大豐富，需要更多前沿空間統計技術與方法的支撐，如探索性空間數據分析、地理加權回歸分析等[19]。這就形成了教學深度欠缺與實踐廣度擴充的典型矛盾，因此可考慮更加靈活的課程設置，如在地理模型與地理分析基礎課程的基礎上，設置空間統計技術前沿課程，突出技術與實踐教學，使學生學以致用。

7）華東師范大學城市與區域科學學院張紅（博士，副教授）觀點。空間分析與建模是認識客觀世界的橋梁，是地理知識發現與創新研究的重要工具，也是地理專業類學生量化分析能力的重要構成和體現。《空間數據分析》課程具有鮮明的地理學區域性、綜合性特色，強調培養學生的空間思維能力和地理問題的定量分析能力。在課程教學中，通過理論講解、案例教學和上機實習等，多方面培養學生的思維能力（形象思維、邏輯思維、批判性思維和創造性思維），注重學科前沿的介紹、研究導向和智能教育（注重個性化和差異化培養）的融入。在面向非專業類學生的教學中，可適當注重學科交叉，通過GIS 在商業、醫學、歷史、語言、交通等領域的應用案例，為學生呈現案例背后的相關理論、空間視角的獨到性與重要性、空間建模與分析方法的基本原理、相應的GIS 軟件操作步驟與實現過程、結果的分析與解釋等。通過探究式教學、實驗教學和研究式教學等方式，培養學生觀察身邊地理現象、收集數據、建模分析與寫作匯報的能力。通過室外課堂、室內課堂和線上教學，強化學生探索發現、主動學習和團隊協作的能力，厚植學生的家國情懷。

8）東北師范大學地理科學學院趙建軍（博士，副教授）觀點。《空間數據分析》課程改革可嘗試在以下5 個方面進行探索：①鼓勵將啟發式、討論式、探究式和參與式教學方法落實到《空間數據分析》課程教學中，逐漸實現從以教師教學為中心向以學生學習為中心的轉變；②教師在講授過程中以引導為主，增加空間分析應用研究案例，鼓勵學生積極探索，教師加以啟發引導，使學生能舉一反三；③適當增加課程互動環節，部分教學內容可使教師和學生位置互換，由學生主講，教師提問并點評，適當引導并拓展，注重教學過程中的探究式教育，激發學生基于興趣的內在動力；④適當采用分組討論式的教學方法，鼓勵學生跨專業分組（適用于面向多專業開設的空間分析課程）和自由交流討論，促進多學科交叉協作、不同學科優勢互補；⑤在《空間數據分析》課程內容設計時，將專業競賽與科學研究相互關聯，以賽促學、以研促學，鼓勵學生積極參與、學以致用。鼓勵學生參與GIS 專業各類比賽，課程教學內容和實踐案例可作為參賽的基礎或備選案例，激發學生參與實踐的興趣和積極性，提高學生的實際動手能力，培養學生解決實際問題的能力。鼓勵學生積極參與科學研究，圍繞空間分析相關內容進行選題研究，讓學生有充分的發揮空間，激發學生潛能，培養學生自學能力和創新研究能力。

4 結 語

參與討論的專家有的來自于科研院所從事空間數據分析研究工作，有的來自不同類型高等院校（綜合性大學、師范類院校、專業性院校等）從事空間分析/空間數據分析教學工作，大家從不同的視角探討了空間數據分析一流課程的建設，但仍待完善，歡迎更多從事空間數據分析研究和教學的科研人員和教師參與討論。

通過參與筆談學者的觀點碰撞，形成的基本共識為：①GIS已從數據庫型GIS發展為分析型GIS，空間分析/空間數據分析應列為遙感科學與技術、地理信息科學、地理空間信息工程、地理國情監測、測繪工程等GIS 相關專業的專業核心課；②建議將課程名稱統一命名為《空間數據分析》；③應面向學生綜合能力的培養，重塑課程內容體系，除介紹空間分析的基本操作與基本方法外，還應講授空間統計分析、時空大數據分析、智能空間分析等內容；④應重塑或增加空間數據分析的實踐實訓環節，將理論講授與實習實踐相結合，培養學生分析問題和解決問題的能力；⑤授課教師應不斷提升專業素養，積極開展空間數據分析相關的科學研究，并及時將成熟的科研成果轉化為教學案例，讓學生能及時學習前沿知識并為科研創新奠定基礎；⑥積極探索翻轉課堂、線上線下結合、課程思政、以賽促學、以研促學等新的有效的教學方式，但不能喧賓奪主，應以提升學生綜合能力為核心；⑦分層次分類型編寫出版一批《空間數據分析》課程的教材，設計不同類型不同層次的教學案例、課件和實習數據資源等；⑧建議建立《空間數據分析》課程教學聯盟、積極申請教育部的虛擬教研室，從而充分發揮全國范圍內高校師資和教學資源的綜合優勢，實現教學資源共享和教學經驗的及時交流，為培養空間數據分析優秀人才提供重要基礎。