測繪學科《空間統計與地學分析》課程設置探討

趙 羲，龐小平,，李艷紅，張 翔

（1.武漢大學 中國南極測繪研究中心，湖北 武漢 430079；2. 武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079）

我國許多開設測繪科學與技術學科的高校都認識到了空間分析的重要性，建設了空間統計、地形分析、地學分析、地統計學、計算機圖形學、空間數據庫、地理信息科學等與空間分析相關的課程，培養學生空間數據分析、軟件使用等科研和業務能力[1-6]。本文從探討《空間統計與地學分析》的教學目的出發，論述了我校此課程的教學內容、教學方法和考核形式，為測繪科學與技術學科的教學管理和課程建設提供參考。

1 教學目的

我校針對測繪科學與技術的各二級學科研究生開設的專業必修課《空間統計與地學分析》，是對本科階段《空間分析》課程的延伸，以空間統計為主要內容，結合部分與空間統計有關的地學分析進行理論知識介紹和應用案例的講解。課程設置的目標是培養研究生基本的科研能力，幫助學生掌握空間數據的定量統計分析算法、空間相關性、空間自相關等規律的探索、空間數據的插值與統計建模等數據處理的方法，解決地理、環境、經濟、生態等相關領域的問題。因此該課程的理論性、技術性和實用性都很強，要求學生能夠掌握基礎統計、空間統計等基本理論，空間分析、地學分析中的常用算法，并且能夠針對具體案例，綜合利用多種統計方法和軟件來解決空間問題。

2 教學內容

《空間統計與地學分析》是空間分析課程系列的高級課程，根據課程的教學目的和目標，其教學內容體系包括基礎理論、方法與技術、應用實踐3個層次。基礎理論部分的教學內容主要是概率論與統計學的相關理論知識，對該部分內容的講授，應該考慮到研究生在本科階段不同的學科背景和他們對統計知識的掌握程度，由淺入深地引導其學習、回顧和總結，幫助學生由數學基本知識的學習逐漸過渡到空間統計與地學分析的方法學習中。對于方法與技術的部分，主要介紹有關空間點、線、面以及地統計的經典分析方法和模型。對最前沿的空間統計方法，由于理論難度較大且課堂時間有限，可以安排一兩次講座形式的課程進行概況性的介紹，為感興趣的學生提供深入學習的線索。最后，應用實踐部分也是這門課程的主要部分，主要是在基礎理論和技術方法學習的基礎上，結合實際案例，在問題場景中幫助學生更深刻地理解知識、掌握知識及靈活應用知識。另一方面，也能夠讓學生熟悉空間分析和統計學的軟件操作，培養學生的科研動手能力。具體的教學內容體系見表1。

表1 空間統計與地學分析課程教學內容

3 教學方法

3.1 多種類型的教材配合

結合《空間統計與地學分析》課程的教學內容，我們在選擇教材時需要兼顧基礎理論、方法與技術、應用實踐這3個方面的內容。 Wong等主編的《Statistical Analysis of Geographic Information: with ArcView GIS and ArcGIS》于2005年出版，2008年被張學良翻譯成中文《ArcView GIS 與 ArcGIS 地理信息統計分析》[7]，是國際國內很多空間統計課程的基礎教材。此書的章節安排與我們課程內容的前半部分編排思路相似，先介紹經典統計學的基礎知識，再以點、線、面為章節劃分空間統計的理論與方法，并且在每個章節中還附有詳細的案列分析。書中對基礎知識的講解非常通俗易懂，尤其適合空間統計的初學者由淺入深地學習理論，由簡到難地掌握技術應用。美中不足的是此書的軟件實踐是針對ArcView的操作，目前已經被ArcGIS取代。因此我們推薦湯國安和楊昕主編的《ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程（第2版）》[8]，該書主要圍繞ArcGIS軟件的各種空間分析功能，進行概括的理論基礎介紹，詳細的操作示范，豐富的地學案例分析。這兩本書作為課程教材配合使用，基本可以涵蓋課程設置的教學內容，難度適中，也適合作為學生自學的入門參考書。

上機實習的教學實踐課主要是針對空間描述統計、點模式分析、空間自相關、空間內插等重要知識點的軟件操作設置課時。實習數據選取了《ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程（第2版）》一書中的部分空間數據，方便學生參考教材中的相關內容進行ArcGIS軟件操作。除了ArcGIS軟件外，我們還在課堂上介紹了經典統計軟件SPSS，R和空間統計軟件GeoDa，GWR等，演示了部分統計方法的軟件操作步驟，以便學生了解更多常用的空間統計和地學分析軟件，在教學實踐課和課程考核時靈活選擇。

3.2 靈活多變的課堂教學

針對授課對象的知識水平和測繪學科背景，在課堂和課外教學環節，我們采用了多媒體教學的方式，廣泛利用網絡視頻、網絡課程、期刊等媒介，豐富課堂授課和課外學習的形式。例如，在第三章經典統計學的常規教學內容完成之后，我們給學生播放了Hans Rosling教授在《TED》上題為《The best stats you’ve ever seen》的精彩報告，引起學生對大數據分析、時空數據挖掘問題的強烈興趣，不僅鞏固了課堂知識，還活躍了課堂氣氛，達到快樂學習的目的。除了教材中簡單的應用案例之外，我們還從地理、交通、人口、環境等空間統計應用領域的國際期刊上找了大量的相關文獻，在理論方法的教學內容后安排了應用案例的專題講座，集中對這些發表在SCI期刊上的高質量文章的內容和空間統計方法進行講解，讓研究生掌握提出問題、分析問題、解決問題、總結問題的研究思路。此外，對于課外教學，由于上課學生對統計基礎知識的掌握程度良莠不齊，我們特別推薦了coursera網絡上的相關課程，例如臺灣大學葉丙成的《概率論》，杜克大學的《數據分析與統計推斷》，學生可以在課外時間通過視頻學習，還有很多國外網站提供了免費的統計學電子書和互動平臺，幫助他們輕松地補充自己的基礎知識。總之，通過多種渠道獲取多元化信息，不僅可以滿足不同知識層次的研究生學習需求，也可以開闊眼界，幫助他們尋找專業應用領域空間分析問題的解決技巧，適應對研究生的培養目標。

3.3 不同優勢的考核形式

除了隨堂小測驗之外，對于課程期末考核，我們嘗試使用實驗報告的形式，并且采用了2種實驗類型進行對比。一種是規定了具體實驗內容，提出具體要回答的問題，并規定解決問題需要的實驗方法，學生自由選擇軟件，完成實驗，并撰寫報告給出答案。第二種方式是只為學生提供數據，讓學生自由挖掘數據信息，選定實驗問題，再根據問題尋找解決方法和答案，實驗報告按照標準論文的形式完成。這兩種考核方式各有優缺點，前者更加具體，老師可以通過設置具體問題，有針對性地考察學生某些方面的知識點，學生的自由度比較小，但可以通過實習有效鞏固重點內容；后者更加靈活，調動了學生的主動性和創造性，可以培養學生獨立分析問題和解決應對的能力。我們對不同年級的學生進行對比，發現第一種考核形式更適合低年級碩士研究生，而第二種形式更適合高年級碩士研究生和博士生，并且可以非常有效地評估學生對知識點的運用程度和基本科研素質。2種考核形式各有優勢，需要結合具體的教學對象和考察目標來設置考核內容。

[1]周衛. GIS專業的測繪科學技術需求與教學[J]. 現代測繪,2005, 28(1):43-45

[2]徐亞明，花向紅，王佩軍. 測繪工程理論教學體系模式與質量控制探討[J]. 東北測繪，2000, 23(4):44-46

[3]孔云峰，秦耀辰，喬家君，等. 高校地理學科空間分析課程設置研究[J]. 測繪科學，2007, 23(3):186-189

[4]李光強，劉慶元，鄧敏，等. 論測繪工程專業《空間分析》課程的教學改革[J]. 礦山測量, 2009(3):87-89

[5]魏義長，趙東保，李小根，等.地統計學在地理信息系統教學中的地位與作用[J]. 測繪與空間地理信息, 2011, 34(3):1-4

[6]趙東保，李小根. 加強測量誤差理論教學的探討[J]. 地理空間信息, 2011, 9(3):180-182

[7]戴維·黃，杰·李. ArcView GIS 與 ArcGIS 地理信息統計分析[M]. 北京: 中國財政經濟出版社, 2008

[8]湯國安，楊昕. ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程[M].北京:科學出版社, 2012