結合開放實驗培養(yǎng)GIS專業(yè)學生創(chuàng)新思維能力的探索與實踐

王永鋒 靖娟利

摘? 要 為了充分調動學生的學習積極性，體現(xiàn)以學生為主體的教學理念，桂林理工大學GIS專業(yè)逐步開展基礎型、綜合型和創(chuàng)新型開放實驗，結合具體實例探討如何利用開放實驗鞏固學生理論知識，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維能力。

關鍵詞 開放實驗;創(chuàng)新思維能力;ArcGIS;MapGIS;GIS專業(yè)

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）18-0117-03

1 前言

高等教育中的實驗教學是素質教育與創(chuàng)新教育的良好載體、措施和手段，對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和探究能力具有不可替代的作用[1]。開放實驗教學模式是一種探索性、自主性的教學模式[2]，能夠充分體現(xiàn)以人為本的教學思想，具有調動學生自主學習的積極性，顯著提升學生的實踐能力和創(chuàng)新能力等特點。為了滿足社會對創(chuàng)新型人才的需求，近年來，桂林理工大學GIS專業(yè)實驗教學改革中逐步引入開放實驗教學模式，充分利用學生的課余時間，根據(jù)學生的特點，設計滿足不同層次的開放實驗項目，讓學生自主選題并在教師指導下自主完成，在實驗過程中激發(fā)學生自主學習興趣，培養(yǎng)學生的實踐動手能力和創(chuàng)新思維能力，提升學生個性發(fā)展空間，增強學生在就業(yè)中的競爭能力。

2 開放實驗內容的設計

開放實驗是課堂實驗教學環(huán)節(jié)的延續(xù)和補充。對于GIS專業(yè)學生而言，利用常用專業(yè)軟件（如MAPGIS、ArcGIS、ENVI等）進行空間數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析，是實踐能力培養(yǎng)的重要組成部分。開放實驗在設計過程中與GIS專業(yè)競賽或科研項目緊密結合，為后續(xù)參加專業(yè)競賽儲備人才，同時可以培養(yǎng)學生的科研素質。為了滿足不同層次學生的需求，設計了基礎實驗項目、綜合實驗項目和創(chuàng)新實驗項目。

基礎實驗項目? 基礎實驗項目的設計可以針對具體某一門專業(yè)課程內容，通過開放實驗使學生對課堂學習的單一實驗知識點之間的相互關系進行梳理，達到進一步鞏固課程理論知識的目的。如在教學GIS原理課程時，課堂上設計的實驗項目主要基于MapGIS或ArcGIS軟件平臺，內容包括：空間數(shù)據(jù)的獲取與編輯，主要完成數(shù)據(jù)采集、拓撲編輯、屬性編輯等內容;空間數(shù)據(jù)處理，包括誤差糾正（矢量數(shù)據(jù)）、地理配準（柵格數(shù)據(jù)）、投影變換、裁剪與拼接、格式轉換等內容;空間數(shù)據(jù)入庫，包括建立空間數(shù)據(jù)庫，導入空間數(shù)據(jù);空間數(shù)據(jù)分析，包括矢量數(shù)據(jù)的緩沖、疊加分析，柵格數(shù)據(jù)疊加分析等環(huán)節(jié)。

在GIS原理課程課堂實驗環(huán)節(jié)的基礎上，教師設計開放實驗項目：建立漓江流域土地利用數(shù)據(jù)庫，并統(tǒng)計流域兩側200米范圍內的耕地面積，分析不同高程范圍內耕地的數(shù)量。實驗要求數(shù)據(jù)采集在MapGIS軟件中完成，數(shù)據(jù)建庫及分析環(huán)節(jié)在ArcGIS軟件中完成，并提交數(shù)據(jù)處理報告和結果專題圖。

上述開放實驗內容設計結合地方特色，并充分體現(xiàn)了GIS原理中學生需要掌握的主要實踐技能。首先，學生鞏固了基于MapGIS軟件的柵格數(shù)據(jù)地理配準、分層矢量化、構建拓撲關系、屬性編輯、數(shù)據(jù)導出等環(huán)節(jié);其次，進一步熟悉基于ArcGIS軟件構建地理數(shù)據(jù)庫、緩沖區(qū)分析、疊加分析、統(tǒng)計分析等技能。通過上述開放實驗項目的實施，學生對GIS原理需要掌握的知識點有了更深入和系統(tǒng)的理解，鞏固了課堂理論知識，增強了實踐動手能力，更加熟悉軟件的基本功能，同時培養(yǎng)了自主獲取SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）90米分辨率的DEM數(shù)據(jù)的技能。

綜合實驗項目? 綜合實驗項目對學生的專業(yè)基礎知識及實踐技能有更高的要求。實驗內容在設計過程中緊密結合GIS專業(yè)競賽的相關題目，不僅能夠拓寬學生的知識面，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，還可以為專業(yè)競賽儲備人才。如第六屆全國大學生GIS技能大賽分上午和下午兩套試題，試題內容結合日常生活，要求學生根據(jù)專業(yè)知識在規(guī)定時間以團隊形式現(xiàn)場完成。以上午試題為例，討論綜合性開放實驗對學生實踐及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1）試題內容：某廣場舉行一場大型活動，當天來觀看演出的人員會很多，小明作為此次活動的信息員，將為廣場周邊的住戶提供一個在家觀看活動的建議，并根據(jù)統(tǒng)計的微博簽到數(shù)據(jù)，分析活動周邊的人數(shù)。

2）已知數(shù)據(jù)：廣場周圍的遙感影像圖四幅（TIF格式）、研究區(qū)域范圍（SHP格式）、活動范圍數(shù)據(jù)（SHP格式）、微博簽到表（XLS格式）。

3）要求：遙感影像去除黑邊并進行鑲嵌（40分）;矢量化圖中指定區(qū)域的建筑物，根據(jù)提供的信息添加屬性值，數(shù)字為樓高（20分）;根據(jù)提供的微博簽到表，可視化廣場周圍的微博簽到點數(shù)據(jù)（20分）;統(tǒng)計建筑物內微博簽到點有多少（10分）;根據(jù)時間可視化微博簽到點數(shù)據(jù)，時間間隔為一小時（10分）。

4）數(shù)據(jù)提交：結果數(shù)據(jù);詳細數(shù)據(jù)處理報告，應包括解題思路、解題過程說明（盡可能附圖說明）和結果等內容。

根據(jù)試題相關已知信息，選擇ArcGIS軟件作為數(shù)據(jù)處理平臺，下文分析學生應該具備的專業(yè)基礎知識及能夠培養(yǎng)的能力。要求一：重點考查學生對多幅遙感影像的拼接和裁剪方法，同時考查數(shù)據(jù)采集能力;學生應該熟練掌握新建數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)采集的方法，熟練運用ArcToolbox工具箱中的Mosaic、Clip或Extract by mask工具。要求二：重點考查學生數(shù)據(jù)采集、屬性編輯能力，這一步的關鍵是新建屬性字段，屬性信息錄入方法。要求三：考查學生對表格數(shù)據(jù)的導入及可視化方法，學生應該熟悉具有空間參考的XLS格式數(shù)據(jù)可以通過Display X Y Data工具導入ArcGIS軟件并進行可視化，并且可以通過Export Data工具導出為SHP格式。要求四：考查學生對要素的查詢、統(tǒng)計分析的掌握程度，可以使用Select by location工具進行查詢，或是用ArcToolbox工具箱中Intersect工具進行疊加分析。要求五：考查學生對屬性信息的查詢、重編碼及根據(jù)屬性字段對要素的可視化，這一步首先需要對微博簽到點要素層屬性表進行重新分類編碼，將從活動開始到結束每間隔一個小時的所有簽到點歸為一類，并賦相應的屬性編碼，然后根據(jù)新屬性項進行分類可視化。

總體來看，上午的試題內容涉及數(shù)據(jù)采集和編輯、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)可視化等內容，強調基礎知識的綜合運用。這套題看似簡單，學生要順利完成，必須具備扎實的專業(yè)基礎知識，能夠熟練運用ArcGIS軟件相關模塊功能，同時具備分析問題、解決問題的思維能力。通過綜合性開放實驗的實施，學生對理論知識點有了更深刻的理解，實踐能力得到很大提升，對知識點能夠靈活運用，達到融會貫通的效果，增強了團隊內部的協(xié)作能力。

創(chuàng)新實驗項目? 創(chuàng)新實驗項目對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，進一步提高實踐能力，具有重要意義。創(chuàng)新實驗項目要求學生不僅具備基本的數(shù)據(jù)獲取、處理、分析技能，更注重學生自主學習和實踐能力的培養(yǎng)。創(chuàng)新實驗項目可以與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目結合，也可以與教師的課題相結合。以學生參與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“廣西NDVI變化及其與氣候因子的相關性研究”為例，討論在完成實驗過程中如何培養(yǎng)學生的實踐能力及創(chuàng)新能力。

首先，要求學生查閱相關資料，了解國內外研究現(xiàn)狀、相關數(shù)據(jù)及研究方法等內容。查閱文獻后，學生應該掌握以下信息。

1）目前，國內外做了哪些方面的研究？存在哪些問題？

2）NDVI代表的是歸一化植被指數(shù)，常用的NDVI數(shù)據(jù)有NOAA-AVHRR NDVI、SPOT VEGETATION、TERRA-MODIS NDVI/

EVI、LANDSAT TM/ETM+等。氣候因子主要應該包括溫度、降雨等，這些數(shù)據(jù)可以用氣象監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可以用其他一些數(shù)據(jù)產品，如MODIS地表溫度產品數(shù)據(jù)、TRMM降雨數(shù)據(jù)等。

3）NDVI的變化分析需要長時間序列數(shù)據(jù)，NDVI變化常用分析方法有趨勢分析、變異分析、變化持續(xù)性分析等方法，NDVI與氣候因子的相關性常用相關系數(shù)來衡量。

其次，根據(jù)研究區(qū)的特點，選擇數(shù)據(jù)并確定研究時間段，制訂研究方案。如研究過程中選擇的數(shù)據(jù)源為MODIS NDVI數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)為監(jiān)測站點數(shù)據(jù)，主要用趨勢分析法研究NDVI的時空變化特征，運用相關系數(shù)分析NDVI與溫度和降雨的相關性。在此基礎上，學生要重點掌握數(shù)據(jù)獲取、預處理、結果計算等環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理及計算可以根據(jù)自身情況選擇ArcGIS或ENVI軟件，也可以運用MATLAB軟件或IDL語言編程實現(xiàn)。

最后，學生獨立撰寫項目成果報告，并提煉小論文進行發(fā)表。

創(chuàng)新開放實驗項目的開設，重點培養(yǎng)學生自主學習的能力、創(chuàng)新思維能力和科學研究能力等，包括文獻查閱、數(shù)據(jù)資料搜集下載和整理、數(shù)據(jù)的處理和分析、成果的整理等方面的能力。在研究和探索問題過程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力，提升學生的綜合實踐能力，激發(fā)學生進行科學研究的熱情。創(chuàng)新開放實驗的有效實施，為學生后續(xù)畢業(yè)設計的順利完成奠定基礎，有益于學生進一步深造、就業(yè)。

3 開放實驗的組織

桂林理工大學GIS專業(yè)開放實驗項目實施環(huán)節(jié)包括項目選擇、數(shù)據(jù)資料分發(fā)、實驗過程的管理、實驗成果提交及評閱、實驗教學反思。開放實驗實施過程充分利用學校教育在線平臺，教師提供豐富的實驗項目及競賽資源，方便學生選擇實驗項目、下載實驗資料，師生進行互動交流，學生提交實驗成果，教師點評實驗成果。此外，教師和學生都可以對開放實驗的實施效果進行總結反思，教師可以不斷優(yōu)化實驗項目，學生可以進一步梳理知識點。

在開放實驗實施過程中，學生以小組為單位，組長作為負責人。組長定期召開小組討論會，充分調動組員的學習積極性，定期向指導教師匯報實驗進展情況。學生可以利用實驗室自主完成開放實驗，或者利用自己的電腦在課余時間完成。實驗完成后，學生提交實驗項目成果，教師評閱后給定成績，可以作為課程成績的加分項或第二課堂的成績。

4 結語

高素質創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)是當前高校教育的重要目標，也是落實科學發(fā)展、實現(xiàn)科技強國戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)[3]。桂林理工大學GIS專業(yè)實踐教學模式緊跟社會經濟發(fā)展對專業(yè)人才能力、素質的需求，逐步實施開放實驗，充分體現(xiàn)以學生為主體的教學理念。實踐證明，開放實驗教學模式對GIS專業(yè)學生培養(yǎng)起到積極的促進作用，能夠激發(fā)學生自主學習的熱情，在實踐過程中培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，提高學生的實踐能力、創(chuàng)新思維能力，全面提升學生的專業(yè)綜合素質。

參考文獻

[1]劉世熙，曹秋娥，馬志剛，等.創(chuàng)新實驗項目，彰顯實驗教學示范中心特色[J].實驗技術與管理，2012，29（3）：15-17.

[2]宋國利，蓋功琪，蘇冬妹.開放式實驗教學管理模式的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2010，29（2）：91-93，132.

[3]李永濤，葛智勇，田友偉，等.強化實踐教育 培養(yǎng)創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索，2014，33（1）：160-163.