農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)“GIS設(shè)計與開發(fā)”課程教學(xué)探討

摘要：文章分析了資源與環(huán)境專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)科特點，結(jié)合筆者“地理信息系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)”課程的教學(xué)實踐經(jīng)驗，先論述了該課程的目標(biāo)，分析了該課程特點和闡明教學(xué)基本要求。在綜合考慮學(xué)科專業(yè)背景和學(xué)生的知識背景基礎(chǔ)上，探討了本課程教材、教學(xué)內(nèi)容、課程結(jié)構(gòu)和考核形式。在先修課程調(diào)整、綜合實習(xí)內(nèi)容以及學(xué)生綜合能力培養(yǎng)上給出教學(xué)意見，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；軟件設(shè)計；教學(xué)；資源與環(huán)境

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）36-0192-03

教育部于1998年頒布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹》，將原土壤與農(nóng)業(yè)化學(xué)、農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)、漁業(yè)資源與漁政管理以及農(nóng)業(yè)氣象合并為農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境，屬于環(huán)境生態(tài)類[1，2]。按照專業(yè)規(guī)范的要求，農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)的業(yè)務(wù)培養(yǎng)目標(biāo)是：培養(yǎng)具備農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境方面的基本理論、基本知識和基本技能，能在農(nóng)業(yè)、土地、環(huán)保、農(nóng)資等部門或單位從事農(nóng)業(yè)資源管理及利用、農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、資源遙感與信息技術(shù)的教學(xué)、科研、管理等工作的高級科學(xué)技術(shù)人才[3]。隨著本科專業(yè)目錄的調(diào)整，農(nóng)業(yè)院校的土壤與農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)更名為農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)，其課程設(shè)置和教學(xué)計劃也有較大的變化。各學(xué)校根據(jù)自身的實際情況，對有關(guān)課程設(shè)置的調(diào)整變化很大[4]。人類80%的信息都和空間位置有關(guān)，因此地理信息系統(tǒng)作為資源調(diào)查和評價過程中的重要工具，在資源環(huán)境專業(yè)中得到了充分的重視，因此越來越多的資源環(huán)境專業(yè)開設(shè)了地理信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)相關(guān)課程。

從20世紀(jì)90年代開始，地理信息系統(tǒng)貫穿在數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、管理、分析及決策中，為越來越多的領(lǐng)域提供動態(tài)模擬、統(tǒng)計分析、預(yù)測預(yù)報、決策支持等服務(wù)[5]。在資源與環(huán)境專業(yè)的教學(xué)過程中以培養(yǎng)學(xué)生的GIS軟件的應(yīng)用能力為基礎(chǔ)上，更加側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的GIS系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用開發(fā)能力，以提高學(xué)生解決不同實際問題的能力[6]。基于此，在本科教學(xué)方案中增設(shè)“GIS設(shè)計與開發(fā)”這門課程。目前“GIS設(shè)計與開發(fā)”作為資源與環(huán)境專業(yè)一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有較強(qiáng)實踐性、跨學(xué)科和領(lǐng)域等特點。針對資源與環(huán)境專業(yè)發(fā)展特點，本文討論了“GIS設(shè)計與開發(fā)”課程設(shè)置目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核形式及其特殊性，先修課程調(diào)整、綜合實習(xí)內(nèi)容以及學(xué)生綜合能力培養(yǎng)上給出教學(xué)意見，提高教學(xué)質(zhì)量。

一、教學(xué)目標(biāo)

如何實現(xiàn)專題GIS應(yīng)用系統(tǒng)，提高GIS應(yīng)用水平和效益，本課程就是在這樣一個環(huán)境背景下產(chǎn)生的。“GIS設(shè)計與開發(fā)”是資源與環(huán)境專業(yè)學(xué)生的一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。該課程是在完成地理信息系統(tǒng)原理、遙感導(dǎo)論、數(shù)字圖像處理、GPS原理、地圖學(xué)、C語言、Windows程序設(shè)計、數(shù)據(jù)庫原理等基礎(chǔ)課程之后，綜合GIS、RS和GPS理論與計算機(jī)科學(xué)理論，以滿足特定的應(yīng)用要求。遵循地理信息標(biāo)準(zhǔn)，運用軟件工程思想和方法，結(jié)合地理信息自身和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的特點，設(shè)計和開發(fā)具有明確目標(biāo)的信息系統(tǒng)。學(xué)生通過這門課的學(xué)習(xí)，掌握GIS設(shè)計與二次開發(fā)的基本原理、方法和工具，使學(xué)生具備地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)的能力，熟悉空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本原理和方法，了解應(yīng)用項目開發(fā)中組織和管理涉及到的基本概念和策略，提高運用所學(xué)知識解決資源與環(huán)境專業(yè)方面實際問題的水平，為畢業(yè)設(shè)計和后續(xù)其它課程的學(xué)習(xí)夯實基礎(chǔ)。

二、課程特點與基本要求

1.課程特點。（1）“GIS設(shè)計與開發(fā)”是一門具有學(xué)科交叉性特征的課程。該課程本身涉及到地理信息系統(tǒng)原理、地圖學(xué)、遙感原理、軟件工程、數(shù)據(jù)庫原理、Windows程序設(shè)計、數(shù)學(xué)建模等多個學(xué)科的內(nèi)容，具有較為明顯的學(xué)科交叉性。就資源與環(huán)境專業(yè)而言，設(shè)計與開發(fā)更加側(cè)重數(shù)據(jù)的分析、處理和表達(dá)，因此在課程中更加側(cè)重數(shù)據(jù)的分析和制圖表達(dá)上，但是對一些基本的功能的要求也必不可少。故此，資源與環(huán)境專業(yè)在“地理信息軟件設(shè)計與開發(fā)”上應(yīng)該兼顧所有的基礎(chǔ)學(xué)科，同時對數(shù)學(xué)建模相關(guān)課程有深入了解。（2）“GIS設(shè)計與開發(fā)”是一門不斷發(fā)展的課程。GIS基礎(chǔ)軟件與應(yīng)用軟件受到計算機(jī)軟硬件技術(shù)的更新而不斷發(fā)展的，這也對GIS軟件設(shè)計與開發(fā)也提出了更高的要求。在教學(xué)中要不斷吸收新興技術(shù)，在教學(xué)過程中指導(dǎo)學(xué)生查閱與GIS軟件設(shè)計和軟件設(shè)計有關(guān)的新興資料，把握GIS的前沿動態(tài)。在教學(xué)過程中，適當(dāng)?shù)奶岢鰡栴}，調(diào)動學(xué)生積極查閱圖書文獻(xiàn)資料，培養(yǎng)學(xué)生積極學(xué)習(xí)態(tài)度和自學(xué)能力。（3）“GIS設(shè)計與開發(fā)”是一門實踐性很強(qiáng)的課程。要進(jìn)行GIS軟件設(shè)計必須在軟件設(shè)計模式、集成開發(fā)環(huán)境的運用、軟件編碼等方面都較好的基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)理論和實際應(yīng)用的結(jié)合，根據(jù)具體情況解決具體問題。要求將設(shè)計與開發(fā)的理論與方式用于具體實踐工作中。在教學(xué)過程中設(shè)計了單獨的“地理信息軟件設(shè)計與開發(fā)”的實驗課程。實驗課程采用分解知識點進(jìn)行訓(xùn)練和綜合訓(xùn)練解決實際問題的能力。

2.基本要求。學(xué)生較好地掌握地理信息系統(tǒng)項目組織和管理的特殊性和相關(guān)理論，學(xué)習(xí)GIS軟件設(shè)計的方法，理解其特殊性，為地理信息系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)奠定基礎(chǔ)。能熟練運用一種程序語言和地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺進(jìn)行二次開發(fā)。掌握GIS軟件的二次開發(fā)的基本原理，熟悉組件式GIS軟件開發(fā)的基本架構(gòu)，了解目前主流組件庫的基本特征，具備開發(fā)GIS基本功能的能力。能使用C#和ArcEngine進(jìn)行GIS組件式二次開發(fā)。掌握如何將地理信息系統(tǒng)與應(yīng)用模型及其他系統(tǒng)集成綜合解決和處理問題的基本方法，達(dá)到會設(shè)計與應(yīng)用的目的。

三、教學(xué)設(shè)計

1.參考書選擇。由于“地理信息軟件設(shè)計與開發(fā)”這方面的教材比較少。教學(xué)過程中涉及到軟件設(shè)計的基本原理與方法，在教學(xué)過程中選擇Ian Sommerville編寫的《軟件工程》部分內(nèi)容為指定閱讀材料；同時考慮到GIS軟件設(shè)計過程中的共性和特性，理論教學(xué)選擇吳信才等編寫的《地理信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)（第二版）》為參考書；課程是實驗采用ArcEngine進(jìn)行二次開發(fā)，因此參考相關(guān)的二次開發(fā)教材，主要包括ArcEngine開發(fā)幫助、類圖等。同時給出部分圖書清單，要求學(xué)生自學(xué)完成C#程序設(shè)計和設(shè)計模式等相關(guān)知識。

2.開發(fā)環(huán)境。學(xué)生的先修課程包含C語言、數(shù)學(xué)建模及Matlab等課程。然而除了個別學(xué)生自學(xué)了VC程序設(shè)計之外，大部分不具備VC的開發(fā)能力。如果為了可視化編程選擇VC，則在有限的課時內(nèi)，學(xué)生將投入大量精力來學(xué)習(xí)VC及MFC的基本開發(fā)技能。Matlab軟件是國際公認(rèn)的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件。考慮到資源與環(huán)境專業(yè)背景，Matlab能在GIS開發(fā)中能夠很好的挖掘和分析資源環(huán)境數(shù)據(jù)。但是考慮到GIS需要管理海量的空間數(shù)據(jù)，然而常見的空間數(shù)據(jù)Matlab不能進(jìn)行直接的支持。因此Matlab不能作為本課程的主要開發(fā)環(huán)境。結(jié)合學(xué)生現(xiàn)有的開發(fā)基礎(chǔ)，以及.NET在界面設(shè)計和面向?qū)ο蟮膬?yōu)勢，因此本課程選擇C#.NET作為高級語言開發(fā)環(huán)境。Visual Studio作為一個強(qiáng)大的開發(fā)環(huán)境，直接對C#等.NET原生語言支持。在Visual Studio 2010中對UML進(jìn)行了支持，能夠創(chuàng)建UML類圖、活動圖、序列圖、用例圖和組建圖。利用對UML的支持，能夠很好的支持在課程中的設(shè)計和建模。

在二次開發(fā)控件主要選擇目前主流的ArcEngine提供的基本控件和類庫。利用ArcEngine來開發(fā)實現(xiàn)GIS相關(guān)功能，而其他關(guān)于資源與環(huán)境的信息挖掘則采用Matlab來實現(xiàn)，并通過Matlab Builder將Matlab代碼發(fā)布成為.NET程序集實現(xiàn)Matlab和.NET之間的互操作。

3.教學(xué)課程結(jié)構(gòu)。“地理信息系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)”是我校資源與環(huán)境專業(yè)一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。總學(xué)時為48，其中理論課程為32學(xué)時，實驗課程為16學(xué)時。考慮到培養(yǎng)學(xué)生對GIS的實踐能力，理論課程和實驗課程比例達(dá)到了2：1，課程的教學(xué)內(nèi)容如下表。

全部課程安排了16課時的實驗，其中C#開發(fā)4個課時，基于UML的GIS系統(tǒng)設(shè)計4個課時，最后還有8個課時進(jìn)行ArcEngine的二次開發(fā)內(nèi)容。每次實驗提交實驗報告及相關(guān)的源代碼和對應(yīng)設(shè)計文檔，用以檢查教學(xué)效果，及時調(diào)整教學(xué)方案。

4.教學(xué)方法。“GIS設(shè)計與開發(fā)”教學(xué)主要借助多媒體等現(xiàn)代教學(xué)方法，理論教學(xué)配合對應(yīng)內(nèi)容演示，融合其它課程內(nèi)容的方式。可以針對不同的教學(xué)內(nèi)容采用不同的教學(xué)方式。例如，在講解GIS軟件設(shè)計的相關(guān)理論基礎(chǔ)時，進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，鼓勵學(xué)生提出問題，誘導(dǎo)學(xué)生思考并解決問題。互動式教學(xué)是課程講授的一種有效的教學(xué)方法，通過師生之間對同一問題的分析，促進(jìn)對理論理解，對問題的分析方法理解，能營造良好的課堂氣氛，提高了教學(xué)效果。研究式教學(xué)方法也很重要，采用研究的方式與激勵學(xué)生查閱資料，了解未來的發(fā)展方向并闡述觀點。

5.考核形式。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、動手能力和綜合素質(zhì)，側(cè)重應(yīng)用開發(fā)的角度來對學(xué)生進(jìn)行綜合考察。本課程主要采用平時考核、最終試卷考試和實驗考查三方面相結(jié)合的方式對學(xué)生進(jìn)行考核。由于沒有較完整的教材，教學(xué)過程中也采用了較多的新興資料，因此在課程學(xué)習(xí)過程中要求學(xué)生查閱指定內(nèi)容的文獻(xiàn)資料，學(xué)生提交相關(guān)的讀書報告，以此作為平時成績考核標(biāo)準(zhǔn)之一；平時的出勤率和隨堂提問也作為平時成績一部分。實驗課程考核包含實驗完成代碼、設(shè)計文檔和實驗報告三個部分，能較好提高學(xué)生的實踐動手能力。考試內(nèi)容包含了對學(xué)生對基本知識掌握程度的考察，還增加系統(tǒng)分析和設(shè)計討論題。該類題目有較大的靈活性，能夠考察學(xué)生綜合素質(zhì)，同時能體現(xiàn)教學(xué)效果。學(xué)生最終的成績由3個部分組成：平時作業(yè)和出勤率占30%，實驗占30%，期末考試占40%。

四、教學(xué)建議

1.調(diào)整先修課程。任何一門專業(yè)課的開設(shè)都建立在先修課程基礎(chǔ)之上的。資源與環(huán)境專業(yè)在先修課程中雖然學(xué)習(xí)了“地理信息系統(tǒng)”、“遙感導(dǎo)論”、“數(shù)學(xué)建模”等課程。然而在理論教學(xué)課程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對GIS的基礎(chǔ)知識理解不夠深入。如在簡介空間查詢時，需要先講解空間拓?fù)涞南嚓P(guān)知識，才能進(jìn)一步簡介基于空間的查詢方式。其次，學(xué)生在實驗課程中動手能力表明，通識教育的高級程序語言現(xiàn)在還是側(cè)重基本語法，導(dǎo)致學(xué)生的應(yīng)用開發(fā)能力難以滿足GIS開發(fā)的基本要求。因此，在通識教育過程中改變課程教學(xué)側(cè)重點，使之更加符合資源與環(huán)境專業(yè)的學(xué)習(xí)，便于后續(xù)課程的開展。

2.增加綜合實習(xí)。“地理信息系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)”是一門應(yīng)用和實踐較強(qiáng)的課程，同時其中的軟件過程管理的內(nèi)容又過于抽象，學(xué)生很難同時掌握基本的開發(fā)方法和軟件過程管理。因此增加2周（80課時）的課程實習(xí)。集中時間讓學(xué)生完整完成從設(shè)計到開發(fā)實現(xiàn)的過程，讓學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)的GIS軟件的設(shè)計方法，理解軟件過程管理，同時強(qiáng)化學(xué)生的開發(fā)能力。在實驗課程中學(xué)生掌握了基本的設(shè)計理論知識和程序開發(fā)技能。通過綜合實習(xí)，能將學(xué)過的知識綜合起來加以應(yīng)用，既培養(yǎng)學(xué)生的動手能力又加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。實習(xí)將學(xué)生分為2個實習(xí)目標(biāo)，每個內(nèi)容約30人，其中包含5個實習(xí)小組，每個小組5～6人，每個小組圍繞實習(xí)目標(biāo)完成不同的任務(wù)目標(biāo)，由組長控制整個開發(fā)過程協(xié)調(diào)組員之間工作，在80課時內(nèi)完成小型的GIS系統(tǒng)的設(shè)計與原型系統(tǒng)的開發(fā)任務(wù)。通過實習(xí)使得學(xué)生將基本的理論與應(yīng)用開發(fā)聯(lián)系在一起。

3.培養(yǎng)綜合應(yīng)用能力。本校的資源與環(huán)境專業(yè)主要研究方向有土地利用規(guī)劃、流域管理、土壤與環(huán)境污染評價、防治與規(guī)劃，耕地肥力管理、專家系統(tǒng)開發(fā)等。學(xué)生在畢業(yè)后，有很大一部分就轉(zhuǎn)到了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域工作，把GIS作為處理該領(lǐng)域的一種工具。在先修課程中主要是利用Matlab、SPSS等軟件對資源環(huán)境信息進(jìn)行挖掘，同時也采用ArcGIS中的ArcTool工具包進(jìn)行空間分析。因此在課程培養(yǎng)中需要結(jié)合上述的內(nèi)容，需要培養(yǎng)學(xué)生綜合統(tǒng)計和空間分析知識來解決實際問題的能力，使得學(xué)生能夠為今后的工作和繼續(xù)深造打下堅實的基礎(chǔ)。

五、結(jié)束語

GIS的發(fā)展為資源與環(huán)境的飛速發(fā)展注入了新鮮的血液，提供了新的契機(jī)。在資源與環(huán)境專業(yè)設(shè)置地理信息課程是順應(yīng)時代發(fā)展趨勢的。“GIS設(shè)計與開發(fā)”是資源與環(huán)境專業(yè)的一門重要課程，具有理論抽象和實踐較強(qiáng)的特點。因此，要改變傳統(tǒng)教學(xué)觀念，不斷改進(jìn)教學(xué)方法，適時的調(diào)整和更新教學(xué)內(nèi)容，充分調(diào)動學(xué)習(xí)的主動性，提高學(xué)生的綜合運用能力，力爭培養(yǎng)出具有良好專業(yè)基礎(chǔ)的地理信息應(yīng)用人才。

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作者簡介：陳家贏（1980-），男，湖北省武漢市江夏區(qū)人，博士講師，主要從事土壤養(yǎng)分信息系統(tǒng)二次開發(fā)、土壤信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)及對地觀測等方面研究。