互動式教學用于地理信息系統課程的方法研究

引文格式： 吳政庭，嚴泰來，洪本善,等. 互動式教學用于地理信息系統課程的方法研究[J].測繪通報，2015(2)：129-132.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0060

互動式教學用于地理信息系統課程的方法研究

吳政庭1，嚴泰來2，洪本善1，周天穎1

(1. 臺灣逢甲大學地理資訊系統研究中心，臺灣 臺北； 2. 中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083)

AStudyofUsingtheInteractionTeachingModelinGISCourse

WUZhengting，YANTailai，HONGBenshan，ZHOUTianying

摘要：介紹了互動式用于GIS教學，即“都市規劃與空間信息技術實習”的授課之中，采取降低教師授課比重、由教師設計各種GIS實際應用的專題，讓學生從問題提出、資料搜集、集體討論、自我發現與糾正錯誤概念等一系列環節，循序漸進地獲取GIS相關知識與技能；而教師在課程教學中所扮演的角色，從知識的提供者轉變為解決問題的引導者，讓學生通過獨立思考與討論來尋找問題的答案。為檢驗這種教學改革的效果，筆者進行了問卷調查，共取得44份有效問卷。問卷分析結果表明，大多數學生對本科教學效果持肯定意見，多數學生對于本課程所花費的學習時間高于其他課程。此外，絕大多數學生掌握了GIS的基本操作，增加了實際應用的信心，而且對于GIS系列后續課程產生興趣。

關鍵詞：地理信息系統(GIS)；交互式教學；GIS應用專題

中圖分類號：G64文獻標識碼：B

收稿日期：2013-12-27

作者簡介：吳政庭(1979—)，男，碩士，主要研究方向為GIS教育推廣、空間訊息專案與研究。E-mail:jerry@gis.tw

一、前言

地理信息系統(GIS)是輔助人們認識、學習、研究直至管理、改造自然環境的一種現代工具。它以計算機技術為基礎，將城市與農村的自然風貌、生態環境、土地利用狀況、市政基礎設施、民居、交通路網、水系網絡、企事業單位等空間分布信息，以數字化地圖的形式存入計算機，并提供相應軟件供人們展示或分析。該項技術的應用領域相當廣泛，如土地管理、水利、地質、農業、交通、市政管理、軍事等。GIS是土地管理專業、城市規劃專業學生就業必須掌握的知識與技術。GIS技術有50多年的發展歷史，形成了一整套理論基礎艱深、功能體系復雜、技術靈活多變的技術門類。講授GIS課程傳統上可分成理論與實際應用操作兩部分，其中后者以講授和練習GIS軟件操作為主，培養學生解決不同層次應用問題的能力，同時加深理解GIS相關的概念。

多年教學經驗表明，傳統教學方法向本科大學生講授這門課程，學生感到概念印象膚淺、技術難以掌握，多數學生對這門課程不感興趣，其原因與學生不了解這門技術在社會的需求情況、缺乏感性認識有直接關系。Lloyd[1]在討論GIS在大學課堂實踐教學上的障礙時，將障礙分成技術性因素、教師訓練和適用教材不足、其他教學環境因素3種類型。實踐經驗告訴我們，僅用抽象的理論與技術規則去教授學生，學生概念模糊，不理解用處，因此不感興趣，缺乏學習積極性，不能收到應有的教學效果。多數的教學研究者指出，GIS的教學應當以培養學生自我學習的能力、建立信心感，同時按照學生自己的程度與思維習慣，降低實驗與鉆研中的錯誤為教學目標(Chen,1997)。

自2009年以來，逢甲大學建設學院的都市計劃系，以二年級學生為主體，嘗試教學方法改革。這些學生在一年級已經學習過“地理信息系統概論”，在二年級開設一門以實踐應用教學為主的課程，即“都市計劃與空間信息實習”，藉以增強學生技術實際應用的技能，縮短學校培養目標與社會實際需求的距離。這門課程的教學理念是：提出并輔導學生解決難易適中、切合實際、學生感同身受的多個課題，讓學生分別找出解決方案；將教師從授課者變為引導者，與學生共同探討使用GIS技術解決問題的途徑，并給予具體建議和指導；在課堂上由研究各個課題的學生代表定期向全班學生與教師報告問題解決的階段性方案，激發、訓練學生解決問題的能力，使學生在修正錯誤、逐漸研究深入的過程中掌握GIS技術。

經過四輪(年)的教學實踐，這種教學改革收到了預期的效果：多數學生學習積極性顯著增強、概念理解準確、具有一定的解決實際問題的能力；同時，也提高了學生合作研究問題，以及在公眾面前講話的表達能力。

二、交互式教學理念的產生

近年來GIS技術已經趨于成熟，成為一般生活中應用常見的、工具型的技術，如便攜式GPS、電子地圖、車載導航等，使用者無須具備抽象的GIS概念，只要會操作，知道有起點和終點、方位等地理概念，就可以方便使用這些工具。事實上人們在接受基礎教育中，已經將這些簡單、基礎的GIS觀念深植于每個人的腦海中。但對于GIS專業從業人員而言，GIS則是輔助進行空間分析與信息挖掘的工具，如要研究一個公園的服務范圍，就可以利用公園門口的交通路網分析、獲取可能的服務范圍信息；也可使用公園圍墻的緩沖區(buffer)分析涉及的居民區或單位，進而了解公園服務范圍與服務對象。再如，土地管理從業人員在劃分城市的城鄉結合部邊界、研究商業網點的聚集效應、景觀生態等，都需要設定這些對象的空間特征，利用GIS空間分析功能獲取相關信息。因此GIS的教學需要引導學生靈活應用的學習、實際運作體驗的學習，更需要從應用中發現錯誤、修正錯誤的循環往復之中學習。因此GIS課程規劃應不同于遙感課程較著重于理論，也不同于測量課程較著重于操作，而是將理論融會貫通于實踐，強調實踐，從實踐中培養發現問題與解決問題的能力，并逐漸加深對GIS的理論與技術應用的理解與掌握。

1. 教學理念與教學方式的變革

“都市計劃與空間信息實習”與傳統的教學理念與教學方式有所不同，首先將學生自由結合，分成幾個小組，由教師分給每個小組一個課題。由學生通過分組討論、搜集資料、研究解決方案，安排每周一次課堂報告研究結果，并由多位教師與助教當場給予指正等，多次循環往復。這種方式的教學理念如下：

1) 從錯誤中學習，培養解決問題的能力。人們掌握一門學科知識的過程中不可避免地會產生錯誤認知，事實上，錯誤是正確的先導。但在傳統教學中，教師不知道學生的錯誤認識，學生自己也不知道自己的錯誤所在。采取由學生課下有助教指導的分組討論和課上報告，報告通常會發現各種錯誤，教師當場指出并分析錯誤，再由學生研究改正，這種教學方式符合人們認識的一般規律。 這種做法加深了學生對于GIS技術的理解，學到將GIS技術應用到實際問題中的方法，建立起理論與實際相結合的“橋梁”。

2) 團隊學習的競爭與合作，發揮個人所長。建立團隊競爭和激勵機制是現代教育對學生進行培養訓練的重要理念之一，具有與其他人團結合作的能力是在現代社會能夠取得事業成功的一個必備條件。在教學過程中，每位學生都是某個研究小組的一個成員，個人研究成績與團隊榮譽息息相關。依據WilliamGlasser(1998) 提出師生雙贏的理念，團體討論式的學習有助于提高學生學習積極性、提升分析推理的水平、改進學習方法、加深學習的印象；同時使學生學會如何建設性地解決爭論沖突，發揮集體智慧，學會與他人合作，掌握緩解沖突的技巧，并在解決問題過程中獲得學習的興趣。

3) 重新定義教師扮演的角色，確立輔助與指導方向。傳統的大學教育型態中，教師是所有學習活動的中心，通過教師提供教育和學習的機會，由教師負責教導知識、傳授技能，學生被動地置于競爭的學習環境，教師利用講授及課程考試的模式，建立以教師為中心的教導權威，學生于無形中強化與累積知識，進而培養大學生的能力(魏慧美，2009)。在本教學改革中并非否定傳統的教學方式，對于基礎的理論與技術部分，教師的授課是必須的而且重要的，但對于深入教學部分，教師所扮演的角色就應該從知識的傳播者改為知識的引導者，這種學習方式接近研究生的學習方式，當然教師需給予更多的指導與技術幫助。

2. 學習 GIS技術操作

GIS技術應用在自然資源環境管理上，可整合自然環境各類數據，進行數據處理及空間分析，包括圖件數字化、坐標定位、數據檢索、格式轉換、空間內插、疊加分析、路網分析及三維模擬等，由于計算機程序設計部分另有專業課程，因此不要求學生開發計算機程序，而是通過解決問題，反復操作GIS軟件，進而熟悉軟件操作與軟件集成的應用方法。

Wire和Robertson[2]指出，上機學習GIS之前，需要事先了解如何應用GIS，否則很容易在學習過程中迷失學習方向。對于二年級本科生，除了在一年級學習過GIS入門課程之外，已經開始接觸到GIS軟件 (以美國Esri公司推出的ArcGIS9.3版本為主) ，但對于多數學生而言，對GIS軟件的操作仍然感到相當陌生，并對各種格式的GIS數據缺乏認識。因此教師在設計研究課題時，應當考慮到過于復雜的GIS問題會導致學生產生挫折感，對建立學習信心極為不利。因此于本課程開始前，教師的基本工作應當包括：①研究需選取GIS實際應用的課題；②選擇適合學生使用的GIS平臺或軟件；③搜集課題可能需要的相關數據，包括遙感影像數據；④評估題目是否需使用過難的GIS分析功能。

三、課程設計與教學方式

1. 課程設計、地圖數字化輸入與操作

本課程以臺中市為研究范圍，采集目前市政管理的現實問題形成研究課題，這些課題是學生感同身受、亟待解決的問題，期望借以提升學生的學習興趣，啟發學生對GIS空間分析功能的理解，并引導學生思索利用哪些GIS技術尋求解決方案，培養學生獨立思考及解決問題的能力。教師僅提供研究課題的題目并簡單闡述課題內容，以及需要的相關數據類型，至于實際使用的數據及涉及的GIS技術部分，則交由學生自行搜集及討論。2011年教學年度，我們共設置了8個研究課題，學生分為8個小組各分給一個課題，每個小組安排一位助教或研究生輔導，并溝通教師與學生的聯系。課題題目詳見表1。

表1　課題題目與相關的 GIS數據

2. 程配套措施

我們要求學生每星期報告研究進度，學生取得題目后，第一周報告所搜集相關的文獻資料，第二周報告搜集到的地圖數字化數據，第三周則報告擬將應用哪些GIS技術解決課題，并于第四周進行研究技術路線的報告，以后各周報告階段性研究成果，最后一周作總結性報告。

由于大學本科生不安排固定研究室，不能隨時與教師討論，因此本課程安排助教深入到各組學生中與他們共同討論，助教由具有GIS應用實踐經驗的助教或研究生擔任，從而分攤教師的指導壓力，避免學生對于課題研究方向的偏差。在課程進行期間，每周安排各組代表向全班同學作研究進度匯報，教師當場講評、補充講授相關概念，學生互評，以糾正學生的錯誤概念和錯誤做法，并對進一步研究提出建議，以加深學生對GIS技術的理解，學會實際應用的能力。各階段的實習教學重點流程如圖1所示。

圖1　城市規劃與空間信息實習課程流程

四、課程評價與教學效果

向學生調查是考察教學效果的一種客觀有效的形式，調查常采用問卷調查方式進行。本課程問卷調查于學期末進行，問卷內容采用開放式問題與封閉式問題并行。本次回收有效問卷共44份，占學生總數的95% (總學生人數為46人)。

1. 開放式問卷回復

問卷調查的開放式問題如下：對于本次課程中的一些GIS實際操作及其應用，你對于哪一個操作印象最深刻，有什么收獲，為什么？學生回復有以下要點：

1) 了解到了GIS是如何應用在實際工作中的，如對于旅游線路與車站設置課題，學生了解到這種專項規劃需要考慮哪些問題，GIS又是如何給出實際數據提供給設計者進行決策的。由此GIS技術從抽象的概念變為研究問題和解決問題不可缺少的工具。

2) 了解到了實際問題的復雜性。知道要有分析的頭腦去發現問題、解決問題，如民居小區選址，學生從中知道選址環境條件的復雜性，實際既存在正面的因子，又有負面的因子，掌握了AHP的使用方法，學會某種土地利用專項選址的工作方法。

3) 掌握了搜集相關資料的技能。學生在充分理解課題目標的基礎上，自行考慮需要搜集數據的類型及搜集方法，包括網上查詢、實地調查及問卷調查等，這種技能是社會科學管理門類的本科大學生應當掌握的基本技能之一。

4) 理解了GIS比較難以理解與掌握的概念，如圖形疊加分析、緩沖區分析、路網分析、區位分析等，通過實際動手解決問題，對于這些概念印象深刻，有了實際的體會。

5) 對GIS技術產生了濃厚的興趣。根據問卷調查，87% 的學生愿意投入精力與時間學習這門課。這門課的教學秩序正常，一改過去的遲到、曠課、課上做其他事的現象，出現了課下主動找老師請教問題的良好學習氛圍。

2. 問卷題目回復

問卷題目及回復情況統計如下：

1) 針對本次課題研究，有否讓你更深認識課題中所需要研究的問題(見表2)。

表2　問題1

2) 你認為課題中所討論的問題是否切合實際(見表3)。

表3　問題2

3) 你對課題中所討論的問題是否感興趣(見表4)。

表4　問題3

4) 你認為對于你未來解決GIS相關的問題，是否有幫助(見表5)。

表5　問題4

5) 課題討論是否造成你的負擔(見表6)。

表6　問題5

6) 課程中有大量的GIS實際操作，你花時間練習或準備嗎? 平均一周大約多久(見表7)。

表7　問題6

3. 問卷分析與具體成效

(1) 提升對GIS的學習興趣

86%的學生認為課題與實際面對的問題十分相似，且有68%的學生表示對于課題感興趣，但又覺得操作GIS軟件有難度。隨著課程長時間的練習，有1/3的學生每周練習操作達到10h以上(不含假日)，反映出所有學生均感到進度的壓力，但2/3的學生認為是可以接受的。多數學生經過一段時間練習GIS操作后，對于復雜的GIS功能操作，如圖形疊加分析、緩沖區分析都可以掌握，從而大幅度增加了對GIS的學習興趣。

(2) 助教對于學習的幫助很大

大多數學生剛開始接觸課題覺得很困難，且GIS軟件又都是英文界面，盡管學習過，但實際操作時仍無頭緒。在助教協助輔導下，實習中一些難點得以解決，增強了學生解決問題的信心。

(3) 對于GIS的操作更加熟練

制作一張專業地圖需要考慮圖件的規范、完整及美觀。通過本課的學習，學生學到了使用GIS技術繪制專業地圖的技能。此外， 對于GIS應用中較

難的路網分析，學生在一年級就曾學習過，但經本次課程學習才真正了解到實際應如何應用及具體的操作方法。

(4) 對于實際課題有更深的認識，啟發后續學習的興趣

88%的學生在課程結束后對課題的研究內容及實際意義有較深層次的理解，并學習到分組討論問題、解決問題與報告表達的方法。

(5) 得到了面對多人進行口頭表達及申辯的鍛煉

當眾進行報告及申辯是現代社會各行各業工作人員開展工作必備的技能之一。多數學生缺乏這種技能的鍛煉，不能清楚表達思想、害羞膽怯，而這一課程為這些學生提供了口頭表達鍛煉及訓練的機會，為學生勇敢走上社會提前作了準備。

五、結束語

地理信息系統是一門理論性與技術性都很強的工科課程，對于社會管理門類的本科大學生，接受與掌握這門技術有相當的困難。而隨著信息化社會發展進程的加速，以及社會管理門類工作崗位的實際需求，這門課程及圍繞GIS技術的相關課程在社會管理門類各學科中越來越彰顯其重要性。教學實踐表明，針對學生的特點，以實踐為主，用研究與解決實際課題引導學生學習GIS技術，培養學生應用GIS技術解決問題的技能至關重要。我們針對傳統教學的問題作了一些初步改革，獲得了大多數學習該課程同學的正向評價。經驗表明，順應學生的認知規律，從實際出發，采取與學生互動式的教學方法，循序漸進、逐步地解決學生的認知錯誤，提高學生學習的自信心和學習興趣，可以收到較好的教學效果。

參考文獻：

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