分類耦合式地理信息系統綜合實驗教學設計

張　唯，劉修國，張劍波，王曉醉

(1. 中國地質大學(武漢)信息工程學院,湖北 武漢 430074； 2. 武漢大學科學技術發展研究院，湖北 武漢 430070)

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分類耦合式地理信息系統綜合實驗教學設計

張唯1，劉修國1，張劍波1，王曉醉2

(1. 中國地質大學(武漢)信息工程學院,湖北 武漢 430074； 2. 武漢大學科學技術發展研究院，湖北 武漢 430070)

針對現有高校課程實驗教學中存在的內容零散、實驗節點重疊及工程應用性弱的特點，以GIS綜合實驗為例，提出分類耦合式實驗教學設計思想，在對課程實驗節點進行分類模塊化的基礎上，通過設置“數據處理”“基礎建模”及“模型分析”3個針對不同應用能力需求的實驗環節，耦合相關課程的實驗節點，采用基于項目驅動的啟發式教學法，培養學生在工程應用中發現和解決問題的能力，更有助于增強學生的專業認知度，為GIS及其相關課程的實驗教學改革提供有益的借鑒。

GIS；實驗節點；項目驅動；啟發式教學

GIS是應用計算機技術對地理信息進行處理、存儲、提取、管理和分析的一種現代工具[1]。隨著計算機技術的飛速發展，GIS可以將生態、環境、地質、水利、農林、交通及經濟等多個行業的信息以數字化的形式存儲，通過空間分析和可視化的方式，綜合詮釋其在地理空間分布上的特征，進而提供不同行業的輔助決策。GIS經過多年的發展已經具備完善的理論基礎，形成了明確的研究方向，也產生了眾多成熟的工具軟件，應用于生產生活的方方面面，是一門典型的實用型學科。2014年1月30日，國務院辦公廳發布《關于促進地理信息產業發展的意見》[2]，標志著我國的GIS產業進入發展的黃金階段。

中國地質大學(武漢)是國內較早開設GIS專業的高校之一，經過多年的專業課程建設，形成了較為成熟的理論和實踐教學體系，并成功孕育了MapGIS這一國產GIS平臺產品，在地質、氣象及農林等眾多領域占有重要的市場份額[3]。隨著學科理論研究的深入和專業社會認知度的不斷提升，GIS產業的從業人員激增，對GIS畢業生的要求也逐年提升。學生在學習專業理論的基礎上，還需要對常用的GIS軟件及相應的行業應用有一定程度的了解，才能充分適應市場的激烈競爭。因此，GIS專業的教學需要從“知識教育”逐漸向“能力培養”轉變，通過加大實驗教學的力度逐步提升學生的GIS應用能力。

作為培養創新型應用型人才的重要環節，實驗教學在高等教育中扮演著舉足輕重的角色[4]。傳統的實驗教學主要以鞏固實驗節點為教學目標，缺乏實際的應用需求，實驗內容難免牽強。由于教學的最小單元為課程，不同課程間實驗節點存在一定程度的交叉。為避免實驗教學的重復，相同的實驗節點實驗往往只存在于一門課程中，但不同課程中對相同實驗節點的側重程度會有一定差異，進而會導致實驗節點內容的遺漏。因此，針對不同應用能力需求，需要開設具有一定綜合性的創新型實驗課程，通過對課程知識結構的重組，增強實驗教學的廣度與深度，以培養學生綜合運用地理信息理論解決實際工程問題的能力，契合市場對地理信息人才的需求。

本文以 “GIS綜合實驗”的實驗教學為例，提出了分類耦合式實驗教學設計思想，并結合洪水淹沒災害風險評估這一典型案例，探討了其在教學內容和教學方法上的創新。

一、分類耦合式實驗教學的目的

分類耦合式實驗教學是針對不同的應用需求，對系列課程的實驗節點進行重構，根據應用能力分成不同的類別，以實驗節點作為最小實驗教學單元，結合具體工程應用案例，通過對教學單元的耦合，實現連貫性綜合實驗內容的定制。實驗節點級別的分類教學，有助于應對地理信息產業對不同類型人才的職業規劃，而教學環節的自定義耦合，能夠讓實驗貫穿多門課程，促進知識的融會貫通，進而實現不同類別人才間知識的流動。

二、分類耦合式實驗教學內容

傳統的實驗教學以課程為依托對象，實驗內容局限于課程本身，而忽略了與后續課程的延續性。分類耦合式實驗教學需要同時考慮多門課程的教學內容，對其涉及的應用能力進行分級，進而設計更為合理的實驗教學內容。因此，分類耦合式實驗教學的內容設計分為人才職業定位、專業能力分類、實驗節點劃分及實驗節點耦合4個步驟，通過不同類型人才能力的逐層深化，不斷強化實驗節點教學，實現能力等級的提升。分類耦合式實驗教學設計的總體方案如圖1所示。

圖1　分類耦合式實驗教學設計的總體方案

1. GIS人才類型

地理信息涉及社會生產生活的眾多領域，根據市場對地理信息人才的應用需求，從職業規劃角度大致可分為數據處理、基礎建模和行業應用3類人群，其對專業應用能力的要求呈現逐層遞增的趨勢[5]。

數據處理型人才需要掌握基本的空間數據模型概念，能夠熟練使用數據采集工具和軟件，同時能夠進行基本的數據處理，通過數據的制作與轉換，制作出合乎行業標準的地理信息產品。基礎建模型人才需要在數據處理的基礎上，建立相應的GIS應用模型，除具備基本的地理信息知識外，還需要了解相關領域的專業背景及應用特點，并能夠將二者進行有機結合。行業應用型人才是地理信息方向最高級別的人才，需要能夠同時駕馭所有地理空間數據模型和特定專業的應用模型，并針對行業應用給出較為合理的行業解決方案。

除此之外，從對中國地質大學(武漢)信息工程學院GIS專業多年畢業生就業情況的分析發現，除上述3類專業人才外，也有部分學生從事GIS相關產業的銷售等工作，對于這類人才，只需要具備基本的地理信息理論知識即可，因此本文不做專門的討論。

2. GIS專業能力分類

GIS從建立之初就秉承理論與實踐并重，理論為實踐服務的原則，滲透到社會生產生活的各個角落。因此，GIS專業的人才培養應該注重理論素質與實踐能力的共同提升。在實驗教學方面，除了基本的理論素養外，還需要培養學生在程序開發、軟件操作及科技寫作方面的能力，并注重自主學習能力、團隊合作能力及創新能力的同步發展。針對不同的人才類型，能力培養涉及的實驗節點和培養目標也不盡相同。

程序開發能力主要涉及基礎建模和應用分析類人才，尤其是基礎建模類人才，由于基礎建模往往缺乏必要的建模工具軟件，需要針對行業應用進行模型的構建和逐步修正，因而要求參與模型構建的人員具有較高的程序設計素養，能夠使用程序開發語言實現模型的構建。應用分析類人才在程序開發能力上的要求相對較低，一般到應用分析階段，大多已有較為成熟的原型系統，可以用于模型的參數調整及分析。而行業分析階段的程序開發能力則大多側重于分析算法的實現和分析結果的表達。數據處理型人才一般不涉及程序開發能力的重點培養，但如果在數據處理工作中能夠具備基礎的程序開發能力，尤其是針對不同地理信息平臺的二次開發能力，可以通過輔助工具的編寫，提高數據處理的工作效率。

軟件操作能力則涉及所有類型的人才，根據應用需求的不同，軟件及其操作的級別也不一樣。數據處理型和基礎建模型人才需要掌握ArcGIS、MapGIS等大型GIS平臺軟件的基本操作。其中，前者側重于矢量、柵格等通用空間數據的編輯和轉換；后者則側重其模型的參數配置及生成方法。行業分析型人才則需要掌握除GIS外在行業應用中涉及的各類專業軟件及應用分析用到的各類統計分析軟件等。

科技寫作能力同樣涉及所有類型人才，但從數據處理的角度，工作涉及的主要是報告文檔的輸出，因此需要重點培養這方面的能力，對于專業建模和行業應用，則涉及專業分析文檔如需求分析、概要設計等，以及相關專業論文的撰寫。

此外，對于自主學習能力、團隊合作能力及創新能力的培養，應該覆蓋所有的人才類型，通過分組實驗和開放式的教學方式，啟發學生通過自主學習來搜集資料和尋求問題的解決方法。同時，對于實驗結果不必給出標準答案，鼓勵學生通過查閱最新的資料對實驗節點進行評估。

3. 實驗節點劃分與耦合

實驗節點的劃分與耦合是分類耦合式實驗教學設計的重點。根據專業能力需求的不同，需要首先對GIS系列課程進行梳理，對已有的課程實驗進行適度的調整，分離出多個實驗節點，這些節點可以單獨完成某個具體的功能，但不與工程應用相關聯，再根據具體的任務需要，通過實驗節點的重組，實現面向任務的實驗節點耦合。

(1) 實驗節點劃分與耦合思路

為實現后續的耦合，在進行實驗節點劃分時，需要重點考慮節點的獨立性，單個節點之間應盡量避免重復。以基礎理論能力方面為例，根據地理信息系統的教學內容，大致可分為制圖綜合、空間數據模型、空間分析、空間插值、空間表達和專業分析等。其中，制圖綜合是地圖學課程的實驗內容，但涉及地形圖的矢量化及屬性賦值等功能是GIS空間數據模型建模的基礎，而空間數據建模的方法又根據空間插值函數的不同分為不同的類別。在傳統的教學中，地圖學中會設計地形圖矢量化的實驗，實現紙質地圖向電子地圖的轉變。在地理信息系統課程中，需要根據給定的矢量數據建立相應的空間數據模型，進而進行緩沖區分析、最短路徑搜索等空間分析功能。在數字地面模型課程中，需要對矢量化后的等高線進行高程賦值，再選擇合理的函數進行空間插值，構建柵格空間數據模型，進行地表特征分析，最后結合矢量數據和緩沖區分析的結果實現基于矢量柵格疊加的選址和分析。3門課程的實驗內容在數據上存在明顯的重疊，因此，在設計實驗節點中，可以將地圖矢量化、等高線屬性賦值、反距離加權空間插值法、克里金空間插值法等功能抽取出來，形成獨立的實驗節點，然后根據實驗任務的不同分別組合完成整個實驗過程。

除基礎理論外，其他能力的實驗節點則相對獨立，可以通過不同的分類等級來劃分。如程序開發能力可以按照基本語法、算法設計、二次開發和數據統計4個層次來組織。其中，基本語法涉及C語言、面向對象程序設計等課程的內容，而算法設置則主要抽取數據結構和算法分析課程的實驗內容。二次開發和數據統計兩個層次一般沒有對應的課程，需要根據應用的需要進行獨立設計。如針對MapGIS的二次開發，則需要增加MapGIS基本數據結構及其環境配置的內容。針對不同的應用能力需求將科技寫作能力分解為文檔撰寫、論文撰寫和報告撰寫3類，結合不同文體的特征設置相應的實驗內容。

(2) 實驗節點劃分與耦合示例

氣象災害風險的管理與評估是GIS的重要應用領域，通過對致災因子、承災體及災情期望損失等方面的分析，采用指標分析或概率統計的方式，定量描述災害風險及其影響要素的動力學機制[6]。氣象災害的類型很多，在GIS教學中比較常見的是洪水淹沒分析[7]，通過對數字地面模型的地形特征計算，結合特定時刻的水文信息，預測未來某一時段洪水的覆蓋范圍，輔助進行相應的災害預案[8]。在洪水淹沒分析結果的基礎上結合三維可視化技術可模擬淹沒的真實環境[9]，再結合特定時段的水文、氣象及地理環境資料，可對洪水淹沒區域進行災害評估[10]。結合上述思路，以洪水淹沒災害風險評估案例為例，不同專業能力的實驗節點劃分與耦合形式如圖2所示。

圖2　洪水淹沒災害風險評估實驗案例

針對數據處理能力的鍛煉，需要耦合地圖柵格化、投影變換、地圖矢量化及制圖綜合4個節點的內容。這4個節點的內容相互獨立，存在一定的層次遞進，每個節點都能夠生成相應的數據產品，前一個節點的輸出數據可作為下一個節點的輸入數據。學生連續完成4個實驗節點后，即可得到特定比例尺下原始紙質地形圖的電子地圖。

基礎建模階段，在已得到電子地圖的基礎上，首先等高線屬性賦值實驗為已有電子地形圖中的等高線進行編輯，然后結合編輯好的等高線屬性信息選擇克里金插值方法得到柵格地形，對地形數據進行匯流累積量計算，得到相應的水文分析模型。同時，結合點狀降水數據，選擇反距離加權插值法得到柵格降水模型。結合電子地圖中的河流信息，選擇緩沖區分析進行分析區域圈定。最后，結合匯流累積量分析、數字降水模型及緩沖區分析的結果，結合水文信息，進行面向氣象行業的專業分析。

結合水流、風向等水文資料，設置洪水淹沒分析實驗節點，對洪水淹沒變化趨勢進行預測。然后結合災情數據進行洪水淹沒災害的風險評估。考慮到工程應用中災害風險評估的一般成果，再次耦合制圖綜合實驗節點，將評估結果和原始地圖作為原始資料制作災害分布圖。同時，分別設置實驗節點撰寫災情分析報告并建立仿真環境下的災情三維場景。

上述實驗案例，通過對實驗節點的重組，涵蓋了數據處理、基礎建模和行業應用3個方面的能力訓練，并通過分析報告、分布圖及三維場景的搭建，模擬了真實的工程應用生產過程，符合綜合實驗對學生的要求。

三、分類耦合式實驗教學方法

為增強綜合實驗的實用性，在對實驗內容進行科學規劃的基礎上，還需要采用基于項目驅動的開發式啟發教學方法，在實驗方式的設計、實驗過程的輔導及實驗結果的評價等方面進行改革，輔助學生應用能力的提升。

1. 項目驅動型教學

項目驅動型教學是一種基于建構主義教學理論的教學方法[11]，在工程應用型學科教學中備受推崇。項目驅動下的實驗教學，不僅在形式上與實際工程應用更為接近，而且因為其數據和情節設計的真實性，比傳統的實驗更能引起學生的共鳴。學生通過項目驅動型教學的學習，能夠增強其綜合分析的能力，更快適應市場發展的需要。

以插值方法的實驗節點為例，單純的插值算法屬于計算方法的范疇，是數學公式的推導與運算。插值得到的柵格模型是典型的空間數據模型，學生完成實驗后，只能得到圖像形式的數據，無法與實際生產相聯系。采用項目驅動教學，可以將不同的插值方法與行業應用結合起來。如以“制作1∶5萬數字高程模型”為目標項目，則可以在對比不同插值方法的基礎上，讓學生通過算法公式的比較、算法參數的配置及地形精度的評價等過程，選擇合適的插值方法來建立地形。在整個實驗過程中，學生不僅能夠了解插值算法公式本身，而且通過對參數的配置及精度的評定，熟悉了整個地形數據制作的工作流程。

同時，在表現形式上，也可以參考某些游戲的方式，針對實驗內容和難度級別，每個實驗節點設置不同級別的小任務，學生完成任務后，即可獲得相應的能力積分，并進入下一個級別的實驗，在規定期限內，根據最終的能力積分對學生的應用能力進行評估。

2. 啟發式教學

傳統的實驗教學，教師需要在實驗指導書中給出原始數據、實驗步驟及最后的實驗結果，學生根據步驟依次完成后，與標準答案進行比對。地理信息產業的發展日新月異，新的應用平臺層出不窮，因此，在進行實驗教學時，應該摒棄傳統教學中固定步驟、固定答案對學生思維的束縛，盡量估計學生在已有的任務設定下，通過分組討論和自主學習來完成原始數據的搜集、實驗方案的設計及實驗結果的評估等工作。

啟發式教學是目前高等教育中對學生創新思維的培養極為有效的教學方式[12]，該方法提倡以學生為本，采用多種辦法，通過調動學生的主觀能動意識，促使教學任務的主動推進。因此，在地理信息系統綜合實驗的教學中，可以充分運用啟發式教學，在相同任務目標的前提下，鼓勵不同小組的學生尋找不同的數據生產或應用方法。再通過匯報演講、組間互評等方法，增強學生對不同方法的認識。同時，針對一些特殊的任務如路徑分析等任務，也可以將鼓勵學生將實驗產品以網頁或APP的形式，提供可供用戶使用的平臺，讓用戶來對實驗的成果進行評判。

四、結束語

通過對中國地質大學(武漢)信息工程學院2010級至2013級共360余名學生開設“地理信息系統綜合實驗”的教學情況來看，該實驗對學生地理信息應用能力的培養和創新性思維的養成起到了良好的促進作用。學生普遍反映通過綜合實驗的學習，不僅能夠鞏固已有的專業知識，而且學會了如何將不同課程專業知識融會貫通，用以解決實際生產問題。同時，通過啟發式的教學，學生對專業的認可度也得到了大幅度提升，就業的信心也有所增強。

分類耦合式實驗教學充分體現了能力本位[13]的教育理念，從學生的能力培養出發，順應了社會對地理信息產業的人才需求。通過能力的分類和實驗節點的耦合，既鞏固了已有的知識點，又確保了知識在不同能力分類中的流動性，進而促進學生應用能力的螺旋式上升。

分類耦合式地理信息綜合實驗教學的設計與實施，具有一定的復雜性，除了需要多門專業課程教師的通力合作外，還需要具體工程應用項目的支持，根據地理信息系統應用領域的不斷拓寬，及時調整和更新實驗內容，才能真正實現與產業的結合，提升地理信息系統畢業生的市場競爭力。

[1]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):129-132，135.

[2]國務院辦公廳.國務院辦公廳關于促進地理信息產業發展的意見[EB/OL].[2015-09-04]. http:∥www.gov.cn/zwgk/2014-01/30/content_2578694.htm.

[3]中地數碼.中地數碼集團[EB/OL].[2015-09-04].http:∥www.mapgis.com.cn/index.php/index-show-tid-46.html

[4]李剛,萬幼川. 遙感應用模型實驗創新型實驗教學示范[J]. 測繪科學,2015,40(2):165-168.

[5]程朋根,夏元平,聶運菊,等. 地理信息科學專業本科生需求與能力期望調查結果分析[J]. 東華理工大學學報(社會科學版),2013,32(4):472-476.

[6]王春乙,張繼權,霍治國,等. 農業氣象災害風險評估研究進展與展望[J]. 氣象學報,2015(1):1-19.

[7]夏元平,許亞男,劉波. 案例教學法在GIS軟件應用教學中的探索與實踐[J]. 東華理工大學學報(社會科學版),2014,33(3):278-283.

[8]耿煥同,吳正雪,計浩軍,陳華. 基于GIS的上海市嘉定區暴雨積澇災害風險區劃研究[J]. 災害學,2015(1):96-101.

[9]韓麗蓉,張濤. 基于RS和GIS的大南川水庫潰壩災害模擬方法研究[J]. 測繪通報,2014(1):97-99，110.

[10]何宗宜,黃春雄,韓用順. 水庫下游洪水淹沒災害評估系統的研究[J]. 測繪通報,2003(2):24-27.

[11]劉衛,劉金嶺. 基于項目驅動教學的應用型本科學生創新能力培養模式研究[J]. 價值工程,2012(13):235-236.

[12]丁士俊,郭際明,程新明,等. “大地測量學基礎”課程啟發法教學幾個問題的解釋[J]. 測繪通報,2014(3):124-127.

[13]黃福濤. 能力本位教育的歷史與比較研究——理念、制度與課程[J]. 中國高教研究,2012(1):27-32.

徠卡測量新技術應用專欄

Instructional Design of the GIS Comprehensive Practical Sessions by the Ability Classification and the Practical Node Coupling

ZHANG Wei，LIU Xiuguo，ZHANG Jianbo，WANG Xiaozui

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0500.

2015-10-08

湖北省高等學校省級教學研究項目(2013143)

張唯(1980—)，女，講師，博士，主要從事測繪科學與技術相關研究和教學工作。E-mail:zw_paper@163.com

王曉醉

G64

B

0494-0911(2016)05-0138-05

引文格式： 張唯，劉修國，張劍波，等. 分類耦合式地理信息系統綜合實驗教學設計[J].測繪通報，2016(5)：138-142.