國外知名大學(xué)空間數(shù)據(jù)庫課程講授借鑒

李世祥，王日升，趙之仲，趙瑜隆

（山東交通學(xué)院，山東濟(jì)南 250357）

一、背景

地理位置信息與人類、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多領(lǐng)域息息相關(guān)，是信息集合中非常重要的信息來源[1]。有研究表明，人類活動(dòng)中80%的信息都與地理位置信息有關(guān)聯(lián)。地理信息科學(xué)就是以地理位置信息為核心及研究對(duì)象的一門科學(xué)[2]。地理信息科學(xué)（Geographic Information Science，簡(jiǎn)稱“GIS”）是一門研究地理信息的采集、顯示、存儲(chǔ)、管理、應(yīng)用，以及地理信息流的產(chǎn)生、傳輸和轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學(xué)[3]。因此，在GIS中，我們需要對(duì)地理位置信息進(jìn)行有效管理。空間數(shù)據(jù)庫作為一種能夠有效地存儲(chǔ)、操作和管理包含地理位置信息空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，在GIS專業(yè)的人才培養(yǎng)中占據(jù)著非常重要的位置[4]。因此，國內(nèi)外很多大學(xué)均將空間數(shù)據(jù)庫課程作為GIS專業(yè)的核心課程進(jìn)行講授[5]。本文分析了美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校、波士頓大學(xué)、馬里蘭大學(xué)等GIS專業(yè)的知名高校的課程體系設(shè)置及講授特點(diǎn)，并重點(diǎn)研究空間數(shù)據(jù)庫課程的講授特點(diǎn)，以供相關(guān)學(xué)校借鑒。

二、國外空間數(shù)據(jù)庫課程講授的基本特點(diǎn)

（一）學(xué)習(xí)目標(biāo)

空間數(shù)據(jù)庫作為GIS專業(yè)的核心課程，其主要學(xué)習(xí)目標(biāo)為：理解數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫的基本概念和理論；掌握空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與應(yīng)用；通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)練習(xí)，掌握空間數(shù)據(jù)庫的操作。課堂內(nèi)容主要涉及以下知識(shí)點(diǎn)：數(shù)據(jù)庫簡(jiǎn)介；數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)、查詢、操作；面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫；基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫與GIS的互操作；空間數(shù)據(jù)庫以及相關(guān)的操作（空間拓?fù)洳樵儭⒖臻g索引等）；B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式下的空間數(shù)據(jù)庫開發(fā)設(shè)計(jì)。

（二）師資配備及班級(jí)學(xué)生規(guī)模

一般情況下，該課程的師資配備為：主講教師1名，助教1～2人（2人居多）。其中，主講教師主要負(fù)責(zé)課程的課堂講授工作，助教主要負(fù)責(zé)與該課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程指導(dǎo)、作業(yè)批閱、軟硬件配置、學(xué)習(xí)賬號(hào)分配等相關(guān)輔助性工作。班級(jí)學(xué)生規(guī)模一般為不超過40人的小班化教學(xué)。這種小班化教學(xué)以及合理的師生配比，能夠保障在師生互動(dòng)時(shí)，學(xué)生都能夠較好地得到教師的指導(dǎo)。相比較而言，國內(nèi)在這方面顯得有些不足。部分院校由于師資力量不足，往往采用大班授課，這樣教師很難充分地掌握每名學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，也很難對(duì)學(xué)生給予有針對(duì)性的指導(dǎo)。

（三）課程授課環(huán)節(jié)設(shè)置

國外大學(xué)在空間數(shù)據(jù)庫課程中設(shè)置的主要環(huán)節(jié)有：上課（Lecture）、實(shí)驗(yàn)（Lab）、課后作業(yè)（Homework）以及課程項(xiàng)目（Project）。其中，上課課時(shí)為20個(gè)課時(shí)左右，實(shí)驗(yàn)為5～8個(gè)，課后作業(yè)3～5次，課程項(xiàng)目1個(gè)。這與國內(nèi)的空間數(shù)據(jù)庫授課大致相當(dāng)，但國內(nèi)的空間數(shù)據(jù)庫課程一般缺少課程項(xiàng)目這一項(xiàng)。課程項(xiàng)目主要是學(xué)生利用所學(xué)的知識(shí)，依據(jù)某一自己感興趣的領(lǐng)域，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的分析、設(shè)計(jì)以及操作應(yīng)用。課程項(xiàng)目能較好地考查學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力、綜合運(yùn)用能力。

（四）課程授課用到的主流數(shù)據(jù)庫軟件

空間數(shù)據(jù)庫課程授課的主流軟件主要有兩大類：一類是非開源軟件，主要以O(shè)racle商業(yè)軟件為代表；另一類是開源免費(fèi)軟件，主要以PostgreSQL、MySQL為代表。國外知名大學(xué)的空間數(shù)據(jù)庫課程均選用了這兩類軟件。但可能是出于對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的考慮，學(xué)校也沒有購買Oracle商業(yè)軟件，選用開源免費(fèi)軟件的學(xué)校居多。這一點(diǎn)與國內(nèi)也有所不同。國內(nèi)的空間數(shù)據(jù)庫講授，學(xué)校采用Oracle軟件的居多。國內(nèi)知名網(wǎng)上書店的相關(guān)圖書也以O(shè)racle軟件的相關(guān)書籍為主。不過，目前，國內(nèi)的空間數(shù)據(jù)庫講授有的也開始逐漸轉(zhuǎn)向開源免費(fèi)軟件。目前，市場(chǎng)上很多有GIS業(yè)務(wù)的企業(yè)，在數(shù)據(jù)庫選型上，也傾向于選用開源免費(fèi)軟件的數(shù)據(jù)庫軟件PostgreSQL、MySQL。這也在一定程度上影響了國內(nèi)空間數(shù)據(jù)庫課程的軟件選用。PostgreSQL的頁面如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫教學(xué)用到的開源數(shù)據(jù)庫軟件PostgreSQL

（五）學(xué)校選用的輔助軟件工具

國外知名大學(xué)的空間數(shù)據(jù)庫課程除了選用主流的數(shù)據(jù)庫軟件外，還會(huì)選用一些與空間數(shù)據(jù)庫學(xué)習(xí)相關(guān)的輔助軟件工具，一是為了方便學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，二是為了讓學(xué)生熟悉和掌握更多的工具性軟件，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力。

學(xué)校選用的輔助軟件工具如下。

1.PostGIS

PostGIS 是PostgreSQL 對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展。PostGIS的頁面如圖2所示。PostgreSQL通過PostGIS存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)。PostGIS提供如下空間信息服務(wù)功能：空間對(duì)象、空間索引、空間操作函數(shù)和空間操作符。同時(shí)，PostGIS遵循OpenGIS的規(guī)范。PostGIS支持所有的空間數(shù)據(jù)類型，這些空間數(shù)據(jù)類型包括點(diǎn)、線、多邊形、多點(diǎn)、多線、集合對(duì)象集等。PostGIS 是一個(gè)開源項(xiàng)目，PostGIS 源代碼在 GNU 通用公共許可證下發(fā)布。因此，國外知名大學(xué)在講授空間數(shù)據(jù)庫時(shí)，之所以要介紹及使用PostGIS軟件，主要是為了對(duì)PostgreSQL 對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行擴(kuò)展，以便更好地支持空間數(shù)據(jù)。

圖2 與空間數(shù)據(jù)庫學(xué)習(xí)相關(guān)的輔助軟件工具PostGIS

2.ArcGIS

ArcGIS是Esri公司一款專注于GIS領(lǐng)域的專業(yè)軟件。Esri公司占據(jù)全球GIS市場(chǎng)45%的份額，為GIS軟件的領(lǐng)跑者。ArcGIS軟件在眾多領(lǐng)域均有較為深入的應(yīng)用，包括規(guī)劃和分析、資產(chǎn)管理、經(jīng)營意識(shí)、現(xiàn)場(chǎng)操作、市場(chǎng)調(diào)研、資源管理、物流、教育和延伸服務(wù)等領(lǐng)域。ArcGIS作為一款成熟的GIS軟件，對(duì)空間數(shù)據(jù)的展示及應(yīng)用都有非常友好的支持。ArcGIS提供了大量的API空間數(shù)據(jù)操作接口供用戶去調(diào)用和使用空間數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)。因此，國外的教師在講授空間數(shù)據(jù)庫時(shí)，一般都會(huì)涉及ArcGIS與空間數(shù)據(jù)庫的配合使用。

3.Visual Studio Code

Visual Studio Code是美國微軟公司旗下用于軟件開發(fā)的開發(fā)平臺(tái)，包括開發(fā)工具包、UML工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境等軟件開發(fā)與管理工具。Visual Studio Code提供了大量的軟件開發(fā)模塊，供用戶能夠快速上手進(jìn)行開發(fā)。在GIS應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)的Web GIS需要通過軟件開發(fā)來實(shí)現(xiàn)。Visual Studio Code無疑為Web GIS的開發(fā)提供了良好的開發(fā)工具。Web GIS的開發(fā)與應(yīng)用離不開后臺(tái)空間數(shù)據(jù)庫的操作。空間數(shù)據(jù)庫課程的教師需要學(xué)習(xí)和了解Web GIS的開發(fā)，尤其是對(duì)空間數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。因此，國外的空間數(shù)據(jù)庫老師在講授空間數(shù)據(jù)庫時(shí)，也會(huì)涉及Visual Studio Code的應(yīng)用。Visual Studio Code的頁面如圖3所示。

圖3 與空間數(shù)據(jù)庫學(xué)習(xí)相關(guān)的輔助軟件工具Visual Studio Code

4.Apache、PHP

Apache作為一款Web服務(wù)器軟件，在全球開源Web服務(wù)器領(lǐng)域排名首位。相關(guān)人員將開發(fā)的領(lǐng)域應(yīng)用Web GIS軟件部署在互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上時(shí)，則需要運(yùn)用Apache 軟件。因此，國外的空間數(shù)據(jù)庫老師在講授空間數(shù)據(jù)庫時(shí)，也會(huì)涉及Apache的操作與使用。

PHP（Hypertext Preprocessor），即超文本預(yù)處理器，主要用于在服務(wù)器端執(zhí)行的腳本語言，它在Web GIS 開發(fā)中有較好的應(yīng)用。因此，在空間數(shù)據(jù)庫的授課過程中，教師的講解也會(huì)涉及PHP的一些簡(jiǎn)單應(yīng)用。

（六）國外的空間數(shù)據(jù)庫課程對(duì)學(xué)生的自學(xué)能力要求較高

國外知名高校的教師在講授空間數(shù)據(jù)庫課程時(shí)，課程講授時(shí)間比較少，但是講授的內(nèi)容非常豐富，這就要求學(xué)生在課后進(jìn)行大量的自我學(xué)習(xí)。但是這種自學(xué)又不是學(xué)生盲目地自我學(xué)習(xí)，而是一種引導(dǎo)式的、啟發(fā)式的自我學(xué)習(xí)。具體表現(xiàn)：教師講授的雖然是空間數(shù)據(jù)庫的知識(shí)點(diǎn)，但是也要求學(xué)生了解和掌握空間數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，主要是Web GIS領(lǐng)域項(xiàng)目中的應(yīng)用。這就要求學(xué)生去主動(dòng)學(xué)習(xí)和掌握大量的相關(guān)軟件，開發(fā)出Web GIS 項(xiàng)目并對(duì)空間數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和使用。這個(gè)Web GIS項(xiàng)目或許不是很復(fù)雜，但是基本的流程和步驟都做到了覆蓋。這部分對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在學(xué)生最后提交的一個(gè)課程項(xiàng)目（Project）大作業(yè)上。

三、總結(jié)

空間數(shù)據(jù)庫課程在GIS專業(yè)的人才培養(yǎng)上，中外高校都將其作為核心課程來開設(shè)。本文選取了國外幾個(gè)知名高校的空間數(shù)據(jù)庫課程進(jìn)行研究。這些高校的空間數(shù)據(jù)庫課程在講授過程中，注重學(xué)生自學(xué)能力的培養(yǎng)，采用啟發(fā)式教學(xué)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中掌握大量與空間數(shù)據(jù)庫相關(guān)的軟件及技能，使學(xué)生不僅能掌握空間數(shù)據(jù)庫的概念、操作，而且能從Web GIS 的角度了解空間數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用。國外高校通過一門空間數(shù)據(jù)庫課程的講授培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力及相關(guān)技能，注重學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握與應(yīng)用，這是值得國內(nèi)高校學(xué)習(xí)和借鑒的。