地理信息系統教材建設研究

韋娟 劉乃安 付衛紅

摘 要：以空間信息與數字技術專業的核心課程地理信息系統的教材建設為例，從專業培養方案和課程大綱出發，系統闡述了空間信息技術發展對教材的要求、人才培養對教材建設的要求、對現有教材的剖析、在教學改革中重構新形態教材等內容。在教學和實踐中與信息教育技術融合創新開展課程內容建設，將新技術、新方法及科研成果及時融入教學中，采用動態增改和調整等多種策略更新教材內容，在“教材+線上資源+線下課程+實踐創新”教學與學習資源環境下，重構地理信息新形態教材的深度、難度及廣度體系。

關鍵詞：地理信息系統；教材建設；新形態

一、空間信息技術發展對教材的要求

1．人才培養模式的改革促進教材建設

2004年，武漢大學設立全國第一個“空間信息與數字技術”專業并開始招生，標志著空間信息與數字技術專業的誕生（被稱為“武大模式”）。2005年西安電子科技大學也適應我國現代化對空間信息領域人才的迫切需要而創設了“空間信息與數字技術”專業并開始招生（被稱為“西電模式”）。雖然兩個學校設置的專業有相同的名字，但學習內容卻相去甚遠，所以給予不同的“模式”稱號。西安電子科技大學的空間信息與數字技術專業培養方案在通信工程專業的基礎上進行改制，還是以學校的電子信息為特色進行建設。后面相繼設立該專業的學校根據各自的特色，以這兩種模式為本進行專業培養方案及相關課程的設置。

地理信息系統（Geographic Information Sy-stem，GIS）是空間信息與數字技術專業“西電模式”的一門核心專業課和能力支撐課。根據專業培養方案和課程大綱，學生需通過這門核心課程對空間信息科學有一個基本了解。而地理信息系統是隨著計算機技術的迅速發展，在原有學科交叉處派生出來的一門新興前沿學科。它是用來處理和分析空間數據的一門綜合性信息技術，涉及計算機科學技術、信息和管理學、地學、空間科學及測量學等學科，進行空間數據的采集、量測、分析、存儲、管理、顯示、傳播和應用等[1-2]。這對教材的編著提出了較高的要求，既要系統全面地講述地理信息系統的原理、結構、關鍵的技術方法，還需結合空間信息技術的發展及應用趨勢進行創新融合。

2．教材內容及動態更新

在高等教育中，教材一直是我國教育改革的重點之一，是教學內容和教學思想的主要體現者[3]。地理信息系統教材主要涵蓋的內容有：GIS的基本概念和涉及的基礎理論、空間數據結構和空間數據庫、空間數據采集與處理、空間分析方法及產品輸出、衛星導航定位系統、3S集成等。與紙質版教材配套的還須有講授課件、教學視頻、拓展應用、實驗操作指導等電子教材資源，為學生自主線上學習提供靈活的多樣方式，使學習可以不受時間和空間的限制。當然電子教材內容隨著學科前沿及新技術的發展需不斷進行更新，如隨著時空大數據GIS、移動GIS、云原生GIS、區塊鏈GIS、數字孿生、虛擬現實GIS與視頻GIS、游戲引擎與GIS、三維GIS等新技術的融合發展，及時推送這些新技術在安全應急、新型智慧城市、智慧機場、智慧園區、智能交通、國土資源、自然資源、公安時空大數據、自然災害風險管理、水利數字孿生、生態環境大數據等不同行業的應用案例，確保教學內容與創新技術發展同步[4]。

地理信息系統教材強調系統性、簡明性、可讀性、實用性、科學性與現勢性的結合，內容精煉，簡明易懂，可作為高等院校空間信息科學、地理信息系統、地理學、測繪學、資源環境與城鄉規劃管理、土地管理等相關學科教材，也可作為科學研究、工程規劃設計等專業部門科技人員了解空間信息科學的參考資料。

二、人才培養對教材建設的要求

教材質量是促進教學內容改革、提高教學質量的重要因素之一，在一定程度上反映編著者的教學和學術水平，教材編寫是對知識和技術的凝練和再加工，對提升教師的業務綜合能力有著十分重要的作用。教材編寫過程要求編著者在系統總結地理信息系統、衛星導航定位系統和遙感基本理論與實踐的成功經驗和方法的基礎上進行編寫。為充分發揮教材在本科人才培養中的作用，教材編寫的要求有以下幾方面。

（1）目標明確、技術先進。GIS教材編寫以提高學生的空間信息分析能力為出發點，在內容的選取上，充分滿足從事空間相關工作應具有的信息基礎知識及應用技能需求；在章節的設計上，以潛移默化地影響學生方法能力、社會能力為目標。同時，教材需充分體現“理論與實踐相結合”的特色，充分運用先進的教學手段，在每一章節中均應包含實際應用與實踐環節，學生通過實際分析和操作熟悉相關知識的復雜工程應用。

（2）課程思政、潤物無聲。GIS教材編寫和課件中要適當融入空間信息知識涉及的歷史、應用和發展趨勢，以及空間信息科學的思想體系。西安電子科技大學的地理信息系統教材實例力求講好“中國故事”“西電故事”和“西電空間通信人故事”，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力，注重強化學生工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當，潛移默化地幫助學生形成正確的價值觀。

（3）精簡理論、突出應用。教材編寫以鍛煉學生“會用空間信息知識解決實際復雜工程問題”為基本點，力求滿足學生學習后續相關專業課程及日后從事工作所需要的知識儲備需求。因此，教材更多著墨于與專業相關的各種實際工程案例的分析解決上，此也為GIS教材的特色之一，即循序漸進地引導學生一步步完成“用專業知識”解決實際問題的學習過程。

（4）內容新穎、實用性強。GIS教材依據空間信息與數字技術專業學生的需求而編寫，內容結構按照學生的專業學習要求和實踐進行安排。從身邊簡單的問題（如公園選址）引出地理信息知識，以解決問題為導向進行知識展開，導學思路明晰，符合由淺入深的認識過程，學生可以利用教材和電子資源進行自我學習。教材對于地理信息及擴展基本知識點都有較詳細的解釋，并且通過GIS教材和課件及視頻中大量的案例解決，力求強化學習者應用空間信息知識解決實際問題的能力。

（5）學用結合，服務專業。GIS教材的各章節及案例之間要有比較密切的連貫關系，能夠做到前后呼應、溫故知新，增強教材的綜合性和靈活性。

三、現有教材的剖析

在教學實踐中，我們調研了開設地理信息系統課程的部分相關院校。如貴州大學的資源與環境工程學院將地理信息系統設置為一個專業，此專業及整個學院的教學科研側重于貴州乃至西南的地質地形地貌，還專門成立喀斯特地質資源與環境教育部重點實驗室，學生的實踐環節很具體實用。武漢大學的對應專業為地理信息科學，屬于理學學科，主要針對長江流域進行實踐研究。西北大學、長安大學主要針對秦嶺山脈、野生動物、朱鹮保護區等。百花齊放、各有千秋，這就使得各學校的地理信息系統課程的相關教材各有側重點。

總體來說，國內外已出版的地理信息系統教材多是針對地圖學及測繪學專業學生編寫的，故而這些教材多側重于對地理信息系統基本理論和基本概念的介紹、地圖的建立及在測繪方面的應用等方面。

作者在從事地理信息系統教學的過程中，發現現有的教材需要相當多的前期基礎課程（如地理學、地圖學、測繪學、環境科學、管理科學等），而我們專業的學生不具備這些知識，因此使用現有的教材給教學帶來了諸多的不便，教學上需要補充很多的知識點，而學生因教材的不適對課程失去應有的興趣，給后期學習其他課程及科研帶來不必要的麻煩。

因此，教材編寫的目的就是根據專業設置及發展的趨勢，在注重教材內容的基礎性和先進性的同時，編寫一本適合培養空間科學技術教學與研究，以最新的GIS技術為基礎，融合衛星導航定位、遙感等技術，加強培養學生的思維方式和獲取知識能力，啟發學生動手能力與創新思想的新形態教材。

四、在教學改革中重構新形態教材

針對空間信息與數字技術專業，地理信息系統課程根據實際需要，將教學內容分為基礎、研討和實踐三個模塊。

基礎模塊：對應學生必須掌握的基本原理、空間分析方法等內容，主要通過課堂講授完成，重點是思路和方法。主要對應教材的內容有空間數據結構和空間數據庫、空間數據采集與處理、GIS空間分析方法與產品輸出等。這部分內容從邏輯上按照系統（基本原理、特點、應用場合、指標）—模塊（原理和分析、指標與分析、設計）—系統（系統模型、設計、實現）來組織。

研討模塊：針對需求和技術復雜性，研討空間分析模型、網絡分析、數字地形分析、選址、拓建等復雜工程問題。對應教材內容中的案例分析、空間數據庫設計、空間分析方法的綜合應用分析等。

實踐模塊：包括基礎實驗和綜合實踐兩部分內容。基礎實驗主要是數據庫設計、地理實體分層、查詢、屬性和圖形數據連接、遙感圖像的矯正和矢量化等。綜合實踐主要針對實際工程或科研項目，如智慧校園中的某個子模塊進行建模設計與實現，目的是基本能力訓練和綜合能力提升，主要對應教材地理信息系統的開發與應用、衛星導航系統和信息技術及GIS新技術的知識內容及綜合應用。

在實際教學中，應以“四個面向”（面向學生能力培養、面向數字化及新工科創新應用、面向引領未來創新驅動發展、面向教師引導與學生多元化自主學習）為內容深化教材建設。根據技術發展和需求變化，結合西安電子科技大學電子信息與通信學科優勢，引入大數據、人工智能、電路設計、FPGA等內容，與信息教育技術融合創新開展課程內容建設，重構地理信息新形態教材的深度、難度及廣度體系。

（1）內容高階化，實踐創新化。以地理信息系統應用技術和應用實例為主線，系統全面地講述地理信息系統的原理、結構、關鍵的技術方法、發展現狀和動態，并結合當前地理信息系統應用熱點，通過應用實例講述開發方法。

（2）知識體系化，能力結構化。將畢業要求顯性化為明確的知識體系和能力結構，并將知識圖譜、導學圖和針對性的能力訓練嵌入教材和課堂教學視頻。

（3）資源碎片化，思維系統化。基于視頻、課件、人物故事、工程案例等數字化、碎片化資源，實現將設計方法、應用需求等系統化的高階思維正向、反向串起來。

（4）能力訓練化，評價綜合化。紙質版教材和數字化資源實現以“知識、能力、素質”為目標的三位一體的人才培養模式，既有實踐訓練，也有思維訓練；既有專業能力，也有綜合素質。

五、結論

教師在教學過程中采用動態增改和調整等多種策略安排教材內容，將新技術、新方法及科研成果及時融入教學，在“教材+線上資源+

線下課程+實踐創新”教學與學習資源環境下，對教學內容和教學模式進行創新設計，在課程教學中落實立德樹人的根本任務。

經過5年的實踐，基于地理信息系統教材及電子輔助資料，使得教學內容與工程實際結合較緊密，在學習難度較大的情況下，提高了學生學習的興趣和積極性。教學方式和評價方式提高了學生的課堂活躍度、思考的積極性和分析問題解決問題的能力。實踐模塊有效促進了互幫互學，明顯提高了設計能力和團隊協作與表達能力，增強了學生學習自主性、學習能力、溝通表達、團隊協作和創新意識。

參考文獻：

[1] 張新長，阮永儉，何顯錦.地理信息教材慕課化改革與教學模式創新研究[J].中國大學教學，2018（8）：80-83.

[2] 羅明良，湯國安，周旭，等.我國大陸高校地理信息系統教育發展與空間分異分析[J].地理信息世界，2009（6）：27-33.

[3] 李奇，李洵之，王楠.高等教育教材發展與建設調查分析[J].中國大學教學，2012（4）：88-91.

[4] 楊樹鋒，陳漢林，程曉敢.新時代《地球科學概論》教材編寫的思考[J].中國大學教學，2022（2/3）：106-109.

[責任編輯：余大品]