GIS 開發課程教學改革研究

梁玉蓮，盧 遠，羅國瑋，張建兵，初愛萍

（南寧師范大學 地理科學與規劃學院，廣西 南寧 530001）

0 引言

自然資源數字產業是一個跨政府、跨市場的復合行業，同時又是一個多學科、融合新一代信息技術的新興戰略產業。國內外地理信息企業紛紛將地理位置和自然資源數據與人口、交通、旅游等數據進行智能化的融合應用，推進各行業智慧發展的進程。在政府部門、規劃設計和地理信息企業及互聯網、物流等新業態的創新企業，需要大量的具備厚實自然資源專業基礎，又懂數字技術的專業人才。地理信息科學（GIS）專業產生于20 世紀60 年代，是信息產業發展需求下，解決自然資源數字化和信息化空間化的地理學重要分支之一[1]。據中國土地學會、中國地理信息產業協會等粗略統計，每年自然資源行業對GIS 專業人才的需求超10 萬人。因此，迫切需要培養面向自然資源領域的地理信息科學（GIS）專業人才，以適應新時代自然資源事業的需求[2，3]。

GIS 開發課程是培養GIS 專業學生運用數字化技術對各種形式的地理信息進行加工、處理、開發和服務一門重要課程[4，5]。該課程在強化學生對地理信息系統原理與應用、面向對象編程與設計原理與應用，以及GIS 二次開發理論等知識深入理解的基礎上，重點傳授學生與地理信息相關的軟件工程設計的理論與技術，以及地理信息系統二次開發的原理、方法與步驟。通過設置綜合性的地理信息系統實驗，使學生能將計算機技術與地理信息科學原理融會貫通，熟練掌握面向對象編程的原理與方法，掌握地理信息工程項目的設計的過程與步驟，從而形成嚴謹的邏輯思維和推理能力。通過小組式和項目式的訓練，還可以鍛煉學生們的項目團隊合作意識與團隊協作能力。

根據前瞻產業研究院發布的“中國地理信息產業發展前景與投資戰略規劃分析報告”數據顯示，2019年我國地理信息產業產值達到6479 億元，年增長率8.7%。地理信息產業領域的大小企業共2 萬多家，從業人員40 萬人以上。近年來地理信息產業保持高速增長，這一戰略性新興產業在我國經濟社會發展中的作用日益顯現。隨著“國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定”“全國基礎測繪中長期規劃綱要（2015-2030）”等一系列國家政策規劃的出臺，以及北斗導航系統等國家重大項目的持續推進，地理信息產業得到跨越式的發展。地理信息科學專業人才除了涉足傳統的地圖服務、測繪服務、遙感監測服務行業以外，還覆蓋互聯網搜索和電子商務提供商、數字城市和國土空間規劃、自然資源管理等應用領域[2，6]。在地理信息產業發展需求的驅動下，培養大量具有創新創造、設計研發和工程管理能力，能很快擔當起自然資源數字管理的復合型專業人才需求還將增大，缺口也仍在擴大。

具備GIS 開發設計能力是產業發展對地理信息科學專業人才的首要需求也是最迫切的需求。因此，GIS 開發課程的教學方式必須迎合信息時代的產業發展要求，不斷創新教學模式和深化實踐性教學，使得學生在掌握地理信息科學原理與技術的同時，強化計算機科學基礎及對信息科學系統性的認識，形成完整的知識與技能鏈條。充分培養學生自主研發的能力，提升其熟練運用地理信息技術解決自然資源產業領域實際問題的能力。本文探討一種在自然資源數字產業需求背景下，自然資源領域的企業緊密合作，開展實踐性的GIS 開發課程全新教學模式。

1 課程建設的目標和內容

1.1 建設目標

基于自然資源數字行業企業的產業任務需求，借助計算機軟件開發平臺和地理信息系統二次開發工具，在項目需求的職稱下，培養學生自主完成地理信息系統平臺的開發，以實現地理信息的存儲、編輯、分析、展示、輸出等主要內容。培養學生對地理信息系統軟件的設計與開發能力、對現有計算機技術和軟件的操作與應用能力，使其能從對理論知識理解上升到對實踐性技能應用以及融會貫通的層次[7]。

1.2 教學手段

合理運用現代信息技術手段，結合自然資源數字行業產業實際工程項目需求，建立“理論教學+課堂實驗+產業實踐”三個層次的課程體系。把以課堂傳授知識為主的學校教育與直接獲取實際經驗、實踐能力為主的項目開發模式有機結合的教育形式。理論教學中融入項目開發實例進行講述；隨堂實驗所需的實驗素材依托自然資源數字產業合作企業來設置，建立包含實驗素材、實驗方法和實驗步驟講解的“GIS 開發”的線上教學資源庫，利用線上資源數據庫開展線上線下相結合的課程教學建立GIS 開發實驗資料庫，從而滿足隨堂實驗要求。開發課程內容注重數字化技術、編程方法、軟件工程開發模式、信息管理等各個環節的整體性設置，并在此基礎上選擇與企業生產項目需求相結合綜合實踐項目，采用接觸實際GIS 建設項目的方式幫助學生實現GIS 專業技能的內化和繼承，通過提高學生的工程素質來提升GIS 專業學生系統開發的整體水平。

1.3 課程對專業人才培養目標的支撐

以自然資源數字產業的創建為契機，秉承“產-學-研-用”相結合的教學理念，為地理信息科學與信息科學技術應用有機融合提供良好的理論探討、指導和實踐操作平臺，為不斷深化地理信息科學改革與創新實踐。以實習基地和項目參與的形式建立長效合作機制和平臺。聯手產業學院相關企事業用人單位、創新創業公司等更多利益相關方，通過參與實際生產項目來完成實踐性實驗課程的模式，來考驗和磨礪GIS專業學生的開發水平，為各部門、行業和產業定向輸送GIS 專業人才，同時為創立高校GIS 專業的良好品牌專業形象奠定社會基礎，推動GIS 專業品牌的樹立。

2 現有教學模式的局限性

2.1 授課形式偏重講授而缺少實踐

當下高校實驗性課程教學模式大部分仍還停留在以教師為中心的教育模式為主，這種教學模式忽視了學生的主體作用。學生往往按現成的數據和給定的方法步驟才能按部就班、依葫蘆畫瓢去完成一個實驗。這種被動的學習方式很大程度上依賴于教材和老師給出詳細的實驗步驟，沒有充分發揮學生的積極性和主動性，即使完成實驗也是知其然不知其所以然，沒有真正動腦筋去獨立設計和分析實驗。學生對GIS開發知識技能并沒有實現真正的內化，對地理信息系統的開發也缺乏設計性和創造性[8]。

2.2 實驗設計偏重針對知識點而忽視整體性設計

GIS 課程實驗的設計應該是綜合性的，既需要考慮到知識點的覆蓋，也需要關注實驗的整體性設計。教師在進行實驗課程計劃時，仍較為注重講述過程，對標教學大綱中的知識點，以“點對點”的傳統講授形式為主。在數據組織和處理環節，傳統的GIS 更多的是按照Tomlinson 的思想，沿用地圖數據處理的模式，未能從“面向圖層”的設計和處理模式完全向“面向對象”轉化。在數據組織上也未能很好地引入知識工程技術。實驗設計只注重知識點，而忽略了實驗的整體性和實際應用情景，使得學生難以理解和掌握GIS 系統的綜合運用和實際應用場景，學生缺乏綜合性思考。例如GIS 開發環節中涉及地理數據編輯、查詢、存儲、空間分析以及地圖制圖等知識節點。他們之間的教學案例缺乏一個系統性和連貫性，GIS 開發的師指點只是課程學習中的基礎環節，并不能涵蓋全部，學生除了需要掌握知識點，掌握GIS 關鍵模塊的開發技能以外，還需有整體性的思維，實驗缺乏整體性的設計，可能導致實驗之間的聯系性較差，學生難以將各個實驗相互聯系起來，從而缺乏系統性的認知。只注重知識點的掌握，而忽略了學生的實踐能力和應用能力的培養，無法滿足學生實際需求和社會發展對GIS人才的要求。軟件工程通用性的整體開發流程對GIS開發來說同樣重要。除了必備GIS 開發技術以外，還應教會學生從整個信息系統的設計開發流程。從需求分析到設計、編碼、測試部署和維護過程中涉及的原理和規則均需要明晰。

2.3 課程未能緊扣自然資源數字產業發展需求

自然資源數字產業是一個新興的領域，隨著技術的不斷發展和應用，這個領域的需求和變化也在不斷增加。因此，對于自然資源數字產業相關的課程來說，緊扣產業發展需求是非常重要的。課堂的實驗過程未能緊扣自然資源數字產業發展需求，所展現出來的突出問題主要有以下幾點。一是課程內容實用性不高，課程內容過于理論化或過時，教學大綱更新不及時，教師選用教材陳舊、講義課件陳舊等，無法滿足學生在實際工作中所需的技能和知識，導致課程內容的不實用。例如GIS 二次開發的時候仍采用C/S 框架，在傳統的VS 框架或者借助ArcGIS 老版本的二次開發工具進行。所采用的軟件系統與當下的操作系統甚至會存在兼容性問題。學生學到這種明顯與時代脫節的教學內容所也必然是與社會需求脫節的。二是課程與行業不匹配，課程內容無法做到與自然資源數字產業的實際需求和發展方向匹配，學生學習該課程后不能很好適應這個領域的工作環境，無法滿足企業的實際需求。再者，課程內容不與實際需求相符，學生則會覺得這個課程無趣或者無用，導致學習興趣不高，從而影響學習效果。因此，對于自然資源數字產業相關的課程，應該緊扣行業需求和發展方向，結合實際案例和項目，注重實踐操作，使學生學到的知識和技能能夠直接應用到實際工作中，提高學生的職業競爭力。同時，也應該密切關注行業的發展趨勢，不斷更新和優化課程內容和教學方法，保持課程的前沿性和實用性。

3 教學模式的改革方向和舉措

3.1 教學形式多樣化，立體化設計實踐教學環節

在充分掌握開發原理和技術的基礎上，GIS 設計開發課程應更加著重對學生實踐能力的培養。一方面，可以通過引入項目實戰的方式，將課程與自然資源數字行業產業實際項目相結合，引導學生在項目中應用所學知識，了解軟件開發過程和項目管理方法，提高學生的實踐能力。可以通過邀請自然資源數字行業企業或者相關行業的人士來講解實際項目，讓學生在實戰中深入了解行業需求和技術發展。另一方面，可以進一步增加課程實驗環節的學時比重，讓學生親手動手操作，編寫代碼、調試、運行程序，掌握軟件開發過程中的具體技能和方法。通過自主設計小型的實驗項目，讓學生逐步熟悉軟件開發的流程和工具，從而提高實踐能力。實現整個數字化技術、編程方法、軟件開發以及信息管理等每一個GIS 開發的環節教學內容的立體化設計。例如，在數字化環節要強調訓練學生學會何處理和解析空間數據的采集、地圖的數字化、遙感圖像等技術；在編程技術上，學生應重點掌握進行自動化處理和分析地理數據的方法，既要掌握學習如何使用主流編程語言（例如Python、JavaScript等）編寫GIS 腳本和程序，完成數據處理和分析等自動化GIS 任務、批量處理數據以及構建地理模型等方法。還應掌握API 的開發使用，如ArcGIS API for JavaScript、QGIS Python API 等工具開發定制的GIS應用。在GIS 開發工具的使用上，既要懂得使用主流組件式開發技術的應用（例如ArcObjects、PyQGIS等），也需要了解使用Web GIS 技術（例如Leaflet、OpenLayers 等）進行在線地圖的開發。

3.2 合理設綜合實訓，強化開發技術的整體性

綜合實訓指的是一種融合多種學科知識的綜合性實踐教學方式，它可以采用多種形式和方法，如項目設計、實踐操作、綜合性實驗等。以綜合實訓為載體，提升學生啟發性和整體性思維能力主要可以通過以下幾個方式。首先在綜合實訓設計時，應明確目標和任務，以便能夠更好地幫助學生掌握相關的知識和技能，選擇與自然資源數字產業相關的實訓內容，讓學生能夠在實踐中綜合應用所學知識和技能，解決行業產業的實際問題。其次是強調團隊協作，綜合實訓往往需要學生合作完成，因此要強調團隊協作和溝通能力的培養，可以采用小組合作的方式，將學生分成小組，每個小組負責一個綜合實訓項目，參與整個需求分析到軟件開發的過程，從而使他們能更好地理解團隊協作、項目管理、溝通協調等方面的技能，提高實踐能力和團隊合作能力。讓學生在實踐中能夠相互合作，互相學習，共同完成任務。最重要的是在實訓過程中要強調系統化的思維，GIS 開發需要對整個系統有全面的認識和理解，尤其注重設計階段的培養，讓學生能夠掌握系統設計的方法和技巧，提高GIS 軟件系統的設計質量和整體性思維。同時，課程中注重學生的自主探究和創新能力的培養，鼓勵學生在項目開發中尋找問題，探索解決方案，還可以通過鼓勵學生參與開源項目的方式，積極參與開源項目，了解和學習優秀的代碼實踐和開發思路，從而提高啟發性思維。

3.3 立足自然資源數字產業需求，打造人才培養責任共同體

建立“理論教學+課堂實驗+產業實踐”的課程體系。對接產業行業，針對自然資源數字化的具體需求，及時響應和修訂完善GIS 課程教學大綱，提高人才培養的前瞻性、引領性和針對性。依托高校、行業、企業專家組成的專業建設指導委員會，以培養適應信息化社會需求的復合型工程人才為目標。采用案例教學、項目驅動、實踐操作等教學方法，讓學生在實踐中學習，提高技能和應用能力。深入理解自然資源數字產業的核心需求，包括數據管理、空間分析、資源優化等。邀請業界專家、企業代表等到課堂進行課程講授和參與課程共建，使學生在學習過程接觸實際GIS 建設項目，緩解學生在理論知識與工程項目實際之間脫節的矛盾，實現學生對實際GIS 理論知識與專業技能的內化和繼承，通過提高學生的工程素質來提升GIS專業學生的整體水平。充分發揮與自然資源數字行業緊密聯系的優勢，除了共同設計制作實踐教學內容和共同開發實踐教學案例以外，還可以通過共建實訓平臺等方式，利用行業內資源提供豐富的教學資源支持，與相關行業和機構建立合作關系，共享數據和技術資源。共同評價教學效果的長效機制，促進課程教學體系更加契合行業應用，提升GIS 設計與開發人才培養的針對性和有效性。

4 結語

GIS 開發課程是地理信息科學專業的核心課程之一，是地理信息科學專業應用型人才培養過程的重要環節。課程設計的合理與否直接與人才培養是否符合市場需求有直接關聯。本文提倡采用新的教學模式和創新的教學方法開展GIS 開發課程的教學和實訓，并在教學、研究和應用的各個方面采取質量控制措施，以確保取得顯著和獨特的教育成果。以自然資源數字產業學院為依托，向產業問需求，向行業要資源，以產業發展技術需求導向，充分利用行業需求和資源，堅持需求驅動技術發展。產業學院的校企合作方共同參與教學大綱定制，建立教學資源庫，探索與企業聯合研發課程機制，建立產學研結合的人才協同培養模式[9，10]。通過實踐項目訓練，激發學生的創新和創業意識，提高學生的實踐、創新和團隊合作能力。全面提高GIS 技術應用型人才培養質量，更好地服務區域經濟社會發展和產業轉型升級[11]。