地理信息系統(tǒng)專業(yè)空間數(shù)據(jù)庫課程教學內(nèi)容的思考

朱海勇

（北京聯(lián)合大學 應用文理學院城市科學系，北京 100191）

地理信息系統(tǒng)專業(yè)空間數(shù)據(jù)庫課程教學內(nèi)容的思考

朱海勇

（北京聯(lián)合大學 應用文理學院城市科學系，北京 100191）

空間數(shù)據(jù)庫是地理信息系統(tǒng)專業(yè)開設的一門專業(yè)必修課程，對學生掌握空間數(shù)據(jù)組織、存儲和管理等相關(guān)知識起到重要作用。本文從學科角度和就業(yè)市場需要兩方面，分析了在教學上存在的問題，通過對長期的教學實踐過程總結(jié)，進一步梳理空間數(shù)據(jù)庫課程的教學內(nèi)容及教學方法。

地理信息系統(tǒng)；空間數(shù)據(jù)庫；教學內(nèi)容；實踐

數(shù)據(jù)是信息的具體表現(xiàn)形式，數(shù)據(jù)管理在社會信息流程中占有重要地位。近年，隨著在數(shù)據(jù)庫中存儲和處理復雜地理數(shù)據(jù)的需求越來越多，GIS（地理信息系統(tǒng)，Geographic information system）中管理和分析的空間數(shù)據(jù)不斷增長，這些因素都導致了空間數(shù)據(jù)庫組織與管理成為了近20年來活躍的研究領域。

一、空間數(shù)據(jù)庫課程在高校中的現(xiàn)狀

近年來，國際上成立了許多專門制定空間數(shù)據(jù)標準的聯(lián)盟，商業(yè)數(shù)據(jù)庫公司推出了針對空間數(shù)據(jù)庫管理的系統(tǒng)，一些大學陸續(xù)開設了空間數(shù)據(jù)庫方面的課程。并且近二十年以來空間數(shù)據(jù)庫的研究已經(jīng)產(chǎn)生了大量的空間數(shù)據(jù)模型、空間操作、空間查詢方面的技術(shù)[1]。在空間數(shù)據(jù)庫教學過程中選擇什么，以及如何更好地在大學課堂教授空間數(shù)據(jù)庫的知識成為高等教育所關(guān)注的一個問題。目前，我國開設地理信息系統(tǒng)專業(yè)的有超過170所高校，加上一些科研機構(gòu)，全國約有200多個教育單位，每年培養(yǎng)GIS畢業(yè)生近萬人[2]。各高校開設地理信息系統(tǒng)專業(yè)的學科背景不同，數(shù)據(jù)庫相關(guān)課程教學內(nèi)容和教授方法會形成差異，下面列舉幾門我國高校地理信息系統(tǒng)專業(yè)開設的與數(shù)據(jù)庫相關(guān)課程，如數(shù)據(jù)庫應用與技術(shù)、數(shù)據(jù)庫原理、數(shù)據(jù)庫原理與技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫原理、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，從課程名稱上可以得出自教學內(nèi)容中有些高校偏重原理，有些高校偏重技術(shù)實踐。從數(shù)據(jù)流的角度來看，數(shù)據(jù)作為GIS的基礎，在采集、編輯、存儲、管理、查詢、分析、制圖輸出等各個GIS的應用環(huán)節(jié)中都要涉及到。空間數(shù)據(jù)的組織與管理是地理學研究的一個重要領域，時空數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)、時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)管理等方向，無一不是現(xiàn)今地理信息系統(tǒng)研究中的熱點問題，因此，可以說空間數(shù)據(jù)庫是GIS的核心，由上述可知，《空間數(shù)據(jù)庫》課程是一門較新的GIS專業(yè)課，同時也是GIS專業(yè)的核心課程，通過本課程的教學，目的是讓學生能夠清楚空間數(shù)據(jù)庫的基本概念、基本原理，掌握關(guān)系數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應用，并能完成合理的數(shù)據(jù)庫設計；同時掌握Geodatabase相關(guān)理論，能夠應用Geodatabase實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫，對部分學生要求具備地理信息專業(yè)領域中數(shù)據(jù)庫的設計開發(fā)能力。因此針對于學生能力的培養(yǎng)，如何在《空間數(shù)據(jù)庫》的教學中布置教學內(nèi)容，如何合理地安排教學環(huán)節(jié)，對我們的教學工作提出了要求。

二、空間數(shù)據(jù)庫課程相關(guān)問題

1.學科體系不同對教學內(nèi)容的影響。在我國涉及地理信息系統(tǒng)的學科有工學、理學和管理學等，工科學校注重學生的工程系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)能力，理科學校更注重培養(yǎng)學生的地理學思考和分析能力，但GIS領域人才培養(yǎng)的專業(yè)體系應不同于學科體系的劃分，而是要針對人才培養(yǎng)的目的來確定。本科專業(yè)劃分強調(diào)GIS領域各行各業(yè)人才的需求，即為就業(yè)教育，而不強調(diào)專業(yè)教育[3]。

2.畢業(yè)生就業(yè)中存在的問題。根據(jù)《2009年中國地理信息產(chǎn)業(yè)高校畢業(yè)生就業(yè)報告》及《2010年中國地理信息產(chǎn)業(yè)高校畢業(yè)生就業(yè)報告》的調(diào)查結(jié)果顯示，招聘單位認為畢業(yè)生自身能力上的不足及學校課程設置不合理這兩個原因，已經(jīng)連續(xù)兩年成為地理信息系統(tǒng)方向就業(yè)困難的主要因素。用人單位關(guān)注求職者的特點中，“擁有較強的動手能力，保證短期內(nèi)上崗”這一要求也在近兩年的調(diào)查中處于首要位置。在具體的行業(yè)應用中，空間數(shù)據(jù)庫的應用十分廣泛，現(xiàn)在我國城市道路交通管理、城鎮(zhèn)社會信息管理、國土資源管理等諸多方面都會使用空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)。但是地理信息系統(tǒng)專業(yè)本科畢業(yè)生在這些行業(yè)中能做什么，用人單位面向本科畢業(yè)生提供的崗位是什么性質(zhì)，這些問題，對實際的教學工作提出了要求。

3.根據(jù)本專業(yè)教學計劃制定課程內(nèi)容。在本專業(yè)的專業(yè)課程當中，空間數(shù)據(jù)庫課程的先導課程地理系統(tǒng)原理，在該門課程中空間數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間索引技術(shù)等內(nèi)容會作為重點講述內(nèi)容，那么，在空間數(shù)據(jù)庫課程中如何更好地承接之前學習過的知識，如何布置教學計劃。同時，空間數(shù)據(jù)庫能夠?qū)W生學習后續(xù)課程有什么作用，也是空間數(shù)據(jù)庫課程要注意的問題。

三、空間數(shù)據(jù)庫教學內(nèi)容探討

1.合理組織空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)容。在針對于本科生的教學中，要重視基本概念的講解，為學生將來的自我學習打下一個較好的基礎，因此空間數(shù)據(jù)庫課程中應該涵蓋空間數(shù)據(jù)模型、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)管理、空間查詢語言（SQL基礎及空間查詢）、空間數(shù)據(jù)行業(yè)規(guī)范等內(nèi)容。同時，在原理部分要對應一定的上機實習，例如在實際教學中遇到過學生對Arcgis中的數(shù)據(jù)模型不理解，創(chuàng)建數(shù)據(jù)集的時候不知道屬性到底是什么，那么在講授地理數(shù)據(jù)模型時既要講清楚相關(guān)概念，可以以ArcGIS應用平臺中的Geodatabase模型為例，由教師首先在文件地理數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建一整套的北京市的數(shù)據(jù)，包含行政區(qū)劃、主干道、軌道交通、餐飲、住宿、文化設施等內(nèi)容，通過實際的例子告訴學生地理數(shù)據(jù)模型到底是什么，怎么建立模型，怎么通過數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)集、要素類來逐層地組織數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表中的每一行代表一個現(xiàn)實中的對象，每一列是對象特征的抽象，怎么表現(xiàn)數(shù)據(jù)，建立好的模型適用于什么應用，這樣使得學生可以更好地理解原來較為抽象的概念。在原理內(nèi)容的講解中還要盡量避免和地理信息系統(tǒng)原理、地理信息系統(tǒng)應用技術(shù)等前導或后繼課程的內(nèi)容重復。

2.圍繞空間數(shù)據(jù)庫建模開展教學。在教學過程中，要讓學生從初始就注重空間數(shù)據(jù)庫建模流程。空間數(shù)據(jù)庫的設計和創(chuàng)建與關(guān)系數(shù)據(jù)庫建庫流程相仿，也需要經(jīng)過概念設計、邏輯設計和物理設計這樣三個步驟。這樣，就需要在教學過程中要重點講解數(shù)據(jù)庫的概念設計和邏輯設計環(huán)節(jié)，使學生掌握通過對具體問題進行需求分析進行概念模型設計，并掌握概念模型向邏輯模型的轉(zhuǎn)換方法。在這一環(huán)節(jié)中可以引入一個貫穿于整門課中的案例，要求學生按照擴展ER模型來抽象實體，描繪實體屬性，并構(gòu)建實體之間的聯(lián)系；通過規(guī)則將擴展ER模型中的實體和屬性合理地轉(zhuǎn)換到地理數(shù)據(jù)庫中的要素類和數(shù)據(jù)集中，并按實體之間的聯(lián)系建立相關(guān)規(guī)則；最后向建立好的數(shù)據(jù)集導入空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。同時，這類內(nèi)容可以讓學生通過以分小組討論的方式來分析問題和解決問題，以此來帶動學生的學習興趣。

3.SQL語言及其擴展。SQL語言對于所有數(shù)據(jù)庫的學習來說都是最為核心的部分，因此在空間數(shù)據(jù)庫教學中，也應該要求學生掌握SQL相關(guān)內(nèi)容。在ArcGIS等地理信息系統(tǒng)軟件中，對于屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的查詢都是封裝好的，查詢工作主要通過點選按鈕以及列表選擇為主，這樣使得學生對于創(chuàng)建及查詢數(shù)據(jù)只能看到表面現(xiàn)象，沒有辦法去了解軟件的底層到底做了哪些工作，為了使學生能更好地理解數(shù)據(jù)的組織及應用，我們在課程中就要讓學生使用SQL來對數(shù)據(jù)進行操作。在這一教學內(nèi)容中可以分為以下兩個階段，第一，掌握標準SQL語言，包括數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建，數(shù)據(jù)的查詢，在這一階段主要用標準SQL語言對非空間數(shù)據(jù)進行操作。第二，利用Oracle Spatial學習擴展SQL語言，包括創(chuàng)建具有SDO_GEOMETRY數(shù)據(jù)類型的表、創(chuàng)建控件索引、創(chuàng)建空間索引、插入空間數(shù)據(jù)、利用空間計算函數(shù)實現(xiàn)空間查詢等。

4.教學平臺的選擇。教學中緊貼現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展，讓學生掌握最新的相關(guān)知識數(shù)據(jù)庫的管理，例如數(shù)據(jù)庫中事務的管理及版本控制等。在授課中選取Geodatabase、Oracle及數(shù)據(jù)存儲中間件ArcSDE這樣三個空間數(shù)據(jù)組織管理比較成熟的產(chǎn)品來進行練習，實踐內(nèi)容主要圍繞以下幾部分：Oracle中屬性查詢和空間查詢相關(guān)方法、通過空間算子進行查詢、如何在Oracle中進行事務管理；ArcSDE的安裝及其與Oracle的連接配置，ArcSDE的版本管理機制；在Geodatabase文件地理數(shù)據(jù)庫中進行數(shù)據(jù)加載，規(guī)則創(chuàng)建以及數(shù)據(jù)組織。

四、集中實踐環(huán)節(jié)教學方法

在完成《空間數(shù)據(jù)庫》的學期末，會有一周的集中實踐環(huán)節(jié)，主要目的是以實踐來帶動學生的積極性，用實踐來為學生解決《空間數(shù)據(jù)庫》課程中的疑難問題。在此期間，教師會對學生進行分組，以多人協(xié)作的方式完成所布置的題目，題目以貼近現(xiàn)實應用為主。在實踐環(huán)節(jié)中，讓學生能夠快速直觀地看到成果是非常重要的，在以往的教學中，有些實驗練習一方面是數(shù)據(jù)不貼合實際，學生看了沒興趣，更多的時候是學生做完以后沒有后續(xù)的應用支撐，以至于缺乏進行的動力，我們利用Esri公司的Portal for ArcGIS產(chǎn)品搭建了校內(nèi)的云GIS門戶，通過portal能夠?qū)崟r地將學生每個階段的成果作為地圖發(fā)布出來，在學生完成題目以后，可以將學生的作品作為Web應用發(fā)布，快速地讓學生完成空間數(shù)據(jù)的管理與制圖、成果的發(fā)布與共享。這樣的話，學生既可以在后期不斷地豐富自己的工作，另一方面也可以把自己的工作展示給其他人，更加具有成就感。

綜上所述，對于地理信息系統(tǒng)專業(yè)空間數(shù)據(jù)庫教學，要培養(yǎng)學生的廣泛的知識面并貼近實際應用，應做好以下環(huán)節(jié)：（1）為學生打好地理信息系統(tǒng)相關(guān)的知識基礎，進一步夯實空間數(shù)據(jù)庫中的基礎概念。（2）設計課程緊跟就業(yè)需求，在講課過程中，以成熟的地理信息系統(tǒng)應用為案例，引起學生的興趣，然后再講解相關(guān)的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。（3）結(jié)合現(xiàn)實中常用的地理信息系統(tǒng)應用，例如百度LBS云或者Arcgisonline中的中國地圖集，演示其中的地圖數(shù)據(jù)和功能，讓學生先有直觀認識和體會，再結(jié)合課程中的原理，讓學生有的放矢，學習目的性更加明確。（4）在優(yōu)化空間數(shù)據(jù)庫課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)的同時，從上機實習和集中實踐2個方面提高教學質(zhì)量，體現(xiàn)專業(yè)特色，提高地理信息系統(tǒng)專業(yè)學生的實踐能力。

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G642.0

A

1674-9324（2014）43-0232-03

“北京聯(lián)合大學人才強校計劃人才資助項目（BPHR2012E01）”；“北京市屬高校教師發(fā)展基地研修項目”

朱海勇，講師，北京聯(lián)合大學應用文理學院。