GIS專業《空間數據庫》教學內容與方法探討

沈敬偉　周廷剛　郭麗敏　孫晨陽　楊樺

摘要總結了《空間數據庫》的課程定位，并對教材內容進行簡要對比，認為該課程存在涉及內容較多、理論比較抽象、教學難度較大的特點，其教學內容和方法有待深入探討。在教學實踐的基礎上，從優化教學內容，強化教學實踐，采用多樣化的教學方法和手段3個方面探討了教學方法改進的具體出路。實踐證明達到了良好的教學效果。

關鍵詞 《空間數據庫》；地理信息系統；教學內容；教學方法

中圖分類號S-01文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）04-01270-02

基金項目重慶市高等教育教學改革研究項目（1203114）研究成果。

作者簡介沈敬偉（1984-），男，河北雞澤人，講師，博士后，從事地理信息系統領域的教學和科研工作。

空間數據庫是描述與特定空間位置有關的真實世界對象的數據集合[1]。隨著空間數據庫應用的逐漸深入，很多學校開設了《空間數據庫》這門課程。目前，《空間數據庫》課程教學還存在一些問題：①教學中涉及的內容較多，既包含空間數據的抽象過程，又包含空間數據的計算機表達；既包含關系數據庫管理空間數據，又包含對象關系型數據庫和面向對象數據庫管理空間數據；既包含空間數據庫的設計，又包含空間數據庫的運行和維護等。②《空間數據庫》理論比較抽象，由于空間數據涉及二維或者三維空間，建構在空間數據之上的空間數據索引和空間查詢等要比常規的屬性數據相應的理論抽象得多。③《空間數據庫》教學難度較大，不僅包含理論知識的學習，還包含相應的教學實踐。西南大學在《空間數據庫》課程教學過程中不斷探索，積累了一些經驗，取得了較好的效果，以下對《空間數據庫》課程的教學內容和方法進行探討。

1 《空間數據庫》課程定位

通過本課程的學習，使學生掌握空間數據庫的發展歷程、空間數據的管理方法、空間數據庫的應用，以及空間數據庫的發展趨勢，從而具備一定的空間數據庫管理能力和編程開發能力，達到學以致用的目的。

從近些年已出版的《空間數據庫》教材來看，國內外學者從不同的角度對《空間數據庫》的內容進行描述，如表1所示。從表1可以看出，《空間數據庫》教材內容差異較大，形式多樣。

為此，結合地理信息系統專業的特點和本課程的教學目標，選取合適的教學內容，強化教學實踐，改善教學方法和手段成為必然選擇。

2優化教學內容

隨著網絡技術、虛擬現實技術、數據庫技術、測繪科學等技術的進步，空間數據的管理已從二維、靜態和單機管理發展到多維、動態和分布式管理。如果在有限的教學時間內涉及三維空間數據庫、動態數據庫和分布式數據庫等內容，顯然不利于學生對課程的消化和吸收。因此，在《空間數據庫》課程教學中，必須對內容進行取舍。空間數據庫的核心在于空間數據管理。因此，在課程的教學中，以空間數據管理為主線，其他教學內容都圍繞這一條教學主線展開，如圖1所示。

《空間數據庫》教學主線在文件管理方式中，空間幾何數據和屬性數據均采用文件進行管理，因此，重點對矢量、柵格、影像數據的文件組織方式進行講授。文件與關系數據庫混合管理方式中，幾何數據采用圖形文件管理，屬性數據采用關系數據庫進行管理，因此，課程的教學內容關鍵在空間數據和屬性數據的組織及聯系形式。全關系數據庫管理中，屬性數據、幾何數據同時采用關系數據庫進行管理，因此，課程教學中需要著重講解幾何數據的大二進制字段存儲方式。基于中間件的空間數據庫管理中，中間件負責組織空間數據在關系數據庫中的存儲，也是空間數據的訪問通道，關系數據庫僅僅是存放空間數據的容器，因此，教學過程中，需要對空間數據引擎的工作原理，以及基于空間數據引擎的數據存儲和訪問模式進行講解。對象關系數據庫管理中，對現有的關系數據庫進行擴展，增加空間數據類型，解決了空間數據存儲問題，需要重點講解擴展的空間幾何字段，以及建構在空間幾何字段之上的空間函數。面向對象數據庫管理是面向對象技術與數據庫管理的結合體，除具有面向對象的概念和方法之外，還具有傳統的數據庫管理系統的所有功能，因此，需要講解面向對象數據庫的核心概念，以及空間數據的面向對象數據庫存取方案。

確定空間數據管理這一教學主線后，空間數據庫模型、空間數據索引、空間數據庫設計等章節內容設計上都要圍繞圖1中的教學主線展開。

根據西南大學學生開設專業課的情況，本課程的學時安排為54學時，課程教學分為理論教學和實踐教學兩大部分，其中理論教學42學時，實踐教學12學時。結合課程的教學目標，理論教學內容安排見表2。

3 加強教學實踐

《空間數據庫》是一門實踐性很強的課程，因此實踐教學在整個教學過程中處于重要地位。理論教學和實踐教學是相輔相成的，加強教學實踐能夠使學生理論結合實踐，鞏固對理論知識的學習，并且強化學生的動手能力和獨立解決問題的能力。根據圖1中的教學主線，筆者安排了12個學時的實踐課程，精心設計了6個《空間數據庫》方面的實驗，如表3所示。

在教學實踐的過程中，充分發揮學生的想象力和創造力，避免“填鴨式”的教學。在實驗過程中，明確教學實踐的內容，細節部分由學生自由發揮。例如，在“db4o的空間數據管理”實驗中，僅需要明確實驗目的，而學生們可以自由選擇使用空間數據、空間數據庫訪問模式以及空間數據繪制方式。

4多樣化的教學方式和方法

課堂教學中采用多媒體和板書相結合的教學方式，并發揮各自的優勢。在教學過程中，標題性的內容需要書寫到黑板上，使學生對課程內容有一個整體印象。多媒體課件具有信息量豐富、動態性等特征，因此在教學過程中，對于一些空間數據庫應用案例、圖表、動畫等內容，可以用多媒體課件進行表達。例如，在講解四叉樹空間索引的時候，如果照本宣科地介紹四叉樹空間索引的原理，以及插入、刪除和檢索操作，學生將難以理解。因此，在講述空間索引這一抽象部分的時候，可以利用大量的圖形進行展示。通過圖形化表達空間索引，能夠使學生更好地掌握這部分知識。