從《地理空間數(shù)據(jù)可視化原理》課程探討GIS教學(xué)改革

陳磊　連懿　劉朋飛

【摘要】地理空間數(shù)據(jù)可視化是地理信息系統(tǒng)專業(yè)中重要的課程之一，其教學(xué)方法與手段與GIS專業(yè)的其它課程相似。為提高地理空間數(shù)據(jù)可視化與GIS專業(yè)課程的教學(xué)效果，本文以地理空間數(shù)據(jù)可視化原理課程為依托，對GIS專業(yè)課程的特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，指出教學(xué)中存在的問題，并通過分析從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等方面為GIS教學(xué)改革提供一些建議。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)可視化 GIS 教學(xué)改革

【中圖分類號】G642.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）09-0016-02

一、前言

地理信息系統(tǒng)（GIS）是集地理學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、測繪科學(xué)、遙感學(xué)及信息科學(xué)等學(xué)科為一體的新興邊緣學(xué)科[1]。《GIS開發(fā)者》通過調(diào)查數(shù)據(jù)指出，目前大部分人對國內(nèi)高校GIS的教育不認(rèn)可，約占62%，只有7%的人認(rèn)可，其他的為勉強(qiáng)接受[2]。這些數(shù)據(jù)說明目前國內(nèi)關(guān)于GIS的教育狀況并不能讓人滿意。所以，如何提高高校GIS課程相關(guān)的教育水平，是值得重視與探討的。

地理空間數(shù)據(jù)可視化是GIS學(xué)科中最重要的課程之一，它講述了地理空間數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)的處理分析后進(jìn)行顯示的方法、步驟及表現(xiàn)形式，并將地理空間數(shù)據(jù)以直觀、生動、形象、便于理解的形式呈現(xiàn)給用戶[3]。抽象和具體是現(xiàn)實(shí)世界的對實(shí)體描述的兩種不同的思維方式。抽象是思維把事物整體中某一方面的本質(zhì)抽取出來，是對事物某一方面本質(zhì)的認(rèn)識，而具體是思維對事物多方面屬性的綜合，使客觀事物在思維中成為一個(gè)完整的統(tǒng)一整體。人們一般通過觀察對象的行為和研究它的屬性來對對象進(jìn)行認(rèn)知。地理空間數(shù)據(jù)代表了現(xiàn)實(shí)世界地理實(shí)體或現(xiàn)象在信息世界的映射，是地理空間抽象的數(shù)字描述和離散表達(dá)，而可視化技術(shù)就是將這些抽象地理實(shí)體轉(zhuǎn)化為幾何圖形的計(jì)算方法，是地理信息表達(dá)的技術(shù)支撐[4]。所以，高等院校如何把這門課程開設(shè)好，讓學(xué)生真正掌握其原理與方法、技術(shù)與實(shí)踐，是當(dāng)代大學(xué)改革的一個(gè)重要方向。為提高GIS課程及可視化課程的教學(xué)效果，這里以地理空間數(shù)據(jù)可視化原理課程為例，對目前國內(nèi)高校的課程特點(diǎn)、教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，從理論與實(shí)踐的角度對課程改革進(jìn)行討論。

二、地理空間數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

地理空間數(shù)據(jù)可視化是伴隨著豐富的地理世界表達(dá)形式以及電子計(jì)算機(jī)等技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展起來的，是近代圖形圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等綜合運(yùn)用產(chǎn)生的碩果。其起源最早于1950年的“旋風(fēng)1號”計(jì)算機(jī)的誕生，提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念和技術(shù)。到70年代，一些簡單易用的基于圖形的應(yīng)用程序的開發(fā)推動了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，并使其技術(shù)越來越成熟。在隨后的幾十年里，計(jì)算機(jī)在硬件設(shè)備、輸入輸出設(shè)備以及各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件和專業(yè)軟件等的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及空間數(shù)據(jù)庫等相關(guān)技術(shù)在地圖制圖領(lǐng)域的廣泛使用。到80年代后，一些專業(yè)的地理數(shù)據(jù)處理軟件被研究用于分析處理數(shù)據(jù)，如ArcGIS、MapInfo、MapGIS等大大促進(jìn)了地圖數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的發(fā)展，使其易存儲、編輯、更新等不可替代的優(yōu)勢更加明顯[5]。最近，隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)的快速發(fā)展，在數(shù)據(jù)可視化方面的功能更全、更強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間等大數(shù)據(jù)的可視化。可視化技術(shù)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與地理實(shí)體進(jìn)行連接的紐帶，利用各種數(shù)學(xué)模型，把各類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、觀察數(shù)據(jù)、地理調(diào)查資料等進(jìn)行分類分級處理，然后選擇適當(dāng)?shù)囊曈X變量表示出來。在實(shí)現(xiàn)這一過程中，數(shù)據(jù)處理部分是可視化技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容，其中涉及的一些實(shí)現(xiàn)原理與方法是課程中較難理解也是教學(xué)過程中較難講授的部分。

三、可視化教學(xué)現(xiàn)狀

1.過分依賴多媒體教學(xué)

由于其制作容易、形式多樣、圖樣豐富、靈活等特點(diǎn)，多媒體教學(xué)已經(jīng)成為大學(xué)教學(xué)中常用的教學(xué)方式。但是經(jīng)過多年發(fā)展，這種教學(xué)模式已經(jīng)偏離其最初的教學(xué)初衷。多媒體教學(xué)是用文字難以描述、無法直觀講授的內(nèi)容，借助多媒體技術(shù)，來展示圖形、圖像、視頻、演示教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生更容易的理解知識，達(dá)到更好的教學(xué)效果，是一種輔助教學(xué)的技術(shù)。但是在教學(xué)中，PPT卻變成了主要講授方法，所有課程內(nèi)容基本都已幻燈片形式講授，有些甚至把課本中文字完全復(fù)制到PPT中，信息量大，而且講授速度快，忽略了學(xué)生的思考空間。特別是對于算法原理部分的闡述，更是沒有公式推導(dǎo)，無法讓學(xué)生產(chǎn)生代入感。課件只是呆板的公式，無應(yīng)用講解與分析，讓學(xué)生感覺無動力和興趣，使學(xué)習(xí)變得乏味無聊[6]。

2.講授中心錯(cuò)誤

在教學(xué)過程中，教學(xué)課堂的主體是學(xué)生，而不是老師。但是在授課過程中，一些老師總以自己為中心而不考慮學(xué)生是否理解，自己講授的課程的進(jìn)度、難易程度、是否感興趣等都是以完成教學(xué)任務(wù)為目的，并沒有站在學(xué)生的角度對講授的知識進(jìn)行回顧與修改。并且，課堂上僅以宣講為目的，以“灌輸式”為主，缺少師生之間的互動，課堂氣氛低沉，導(dǎo)致學(xué)生上課不積極，缺乏主動性和激情，教學(xué)效果不理想[7]。

3.教學(xué)手段單一

由于我國GIS起步較晚，經(jīng)驗(yàn)不足、相關(guān)教材相對較少且比較抽象、缺乏實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)等原因，有些高校在可視化教學(xué)方面只是走過場，沒有講得透徹明白，以至于難以理解，再加上現(xiàn)行的高中學(xué)習(xí)中地理課程涉及可視化內(nèi)容并不多，學(xué)生對這方面知識思想意識重視不夠，導(dǎo)致學(xué)生對這一課程并無興趣。另外，可視化教學(xué)的內(nèi)容多為概念性、原理、方法等方面的知識，且在算法實(shí)現(xiàn)過程中還會涉及公式推導(dǎo)及程序編寫等，課程內(nèi)容偏重于理論知識。如果在講授課程中僅局限于課本知識，以PPT作為教學(xué)手段，必然會導(dǎo)入課程講解的不透徹且枯燥乏味，從而形成“空講”教學(xué)，阻礙GIS課程發(fā)展[8]。

四、教學(xué)方式改革與實(shí)踐

1.多媒體的恰當(dāng)運(yùn)用

地理空間數(shù)據(jù)所涉及的既有抽象又不可見的信息，如溫度、氣候等，也有河流、植被、巖石、土壤等可見且直觀的信息。某些概念很抽象學(xué)生很難僅憑文字的表達(dá)和描述來理解，但是若結(jié)合圖像和軟件的演示，就非常直觀而且容易明白。 例如一些隨時(shí)間序列變化的一些氣象規(guī)律，僅憑文字的描述，其規(guī)律很難理解，若是結(jié)合圖片或動態(tài)地圖來顯示，則可以達(dá)到事半功倍的效果，且內(nèi)容生動有趣。 因此，可以充分利用多媒體技術(shù)，把抽象的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為直觀的圖片和視頻，并結(jié)合軟件演示、舉例講解等多種手段，使學(xué)生能直觀地認(rèn)識和理解抽象的知識。現(xiàn)代教學(xué)的實(shí)施離不開多媒體技術(shù)，而且GIS與計(jì)算機(jī)科學(xué)緊密結(jié)合，通過多媒體技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，可以加強(qiáng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)科學(xué)意識，使其更加注重計(jì)算機(jī)知識的學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)他們利用計(jì)算機(jī)知識進(jìn)行GIS系統(tǒng)開發(fā)的能力。

2.教學(xué)內(nèi)容改革

GIS技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展取得了很大的進(jìn)步，但是對應(yīng)的教材、資料等教學(xué)參考文件卻相對較少。就《地理空間數(shù)據(jù)可視化》來說，目前市場上跟上GIS技術(shù)發(fā)展的教材非常少，知識老舊，與現(xiàn)當(dāng)代GIS的技術(shù)有一定的脫節(jié)。在GIS類的其他課程里，也有同樣的問題，所以，要有針對性和側(cè)重點(diǎn)的教學(xué)，形成一套完整的GIS教材體系，是提高當(dāng)前GIS專業(yè)教學(xué)效果與GIS專業(yè)發(fā)展的重要途徑。

3.“逆向”教學(xué)方式

學(xué)生對課程的興趣愛好能直接決定教學(xué)效果的好壞，所以選擇合適的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)及思考問題的興趣，是教學(xué)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。特別是可視化課程，課程的原理介紹、理論知識居多，若不能在事先培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，則課程學(xué)習(xí)中會變得枯燥。對于《地理數(shù)據(jù)可視化原理》課程，“逆向”教學(xué)模式可以從教學(xué)順序的“逆向”和練習(xí)內(nèi)容的“逆向”兩個(gè)方面著手。教學(xué)順序的“逆向”主要指先向?qū)W生展示地理空間數(shù)據(jù)可視化的最終結(jié)果，如全國降雨量、降雪量、氣溫、氣壓等的專題圖，或隨時(shí)間序列變化的動態(tài)圖等，先讓學(xué)生看到制作精美的數(shù)據(jù)，讓其看到地理數(shù)據(jù)運(yùn)用不同方法表達(dá)的優(yōu)秀之處，從而引導(dǎo)出制作的過程、方法、原理。練習(xí)內(nèi)容的“逆向”是指在練習(xí)過程中，讓其從一個(gè)整體的制圖流程進(jìn)行制作，從而有一個(gè)全局的認(rèn)知，然后對制圖過程中的小細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)講述，讓過程中方法原理的介紹有一個(gè)緩慢的過渡，使學(xué)生不再排斥理論的枯燥。

4.理論與實(shí)踐并重

目前，GIS技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致市場對GIS專業(yè)人才的需求有了不一樣的要求。主要有以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的理論人才需求和具有地理學(xué)知識背景的專業(yè)開發(fā)人才需求。這就要求GIS專業(yè)學(xué)生不僅要掌握GIS的基礎(chǔ)理論，原理和方法，而且要有較高水平的計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，包括基礎(chǔ)理論、編程和數(shù)據(jù)庫等。從教學(xué)方法上看，若要實(shí)現(xiàn)學(xué)生對理論基礎(chǔ)和開發(fā)應(yīng)用等技術(shù)的綜合應(yīng)用，在教學(xué)方法上必須實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐操作并重。例如，對于地理數(shù)據(jù)可視化課程在授課過程中，除了基本的理論授課外，實(shí)踐部分也是非常重要的。在教學(xué)過程中，可以把理論基礎(chǔ)部分融入到實(shí)踐操作中，在每次的實(shí)踐中，突出學(xué)生的主體地位，即教師設(shè)計(jì)上機(jī)任務(wù)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，師生互動討論任務(wù)目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方法，學(xué)生自主完成后一起討論學(xué)習(xí)與回顧。這樣，既然能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動學(xué)生積極性，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)學(xué)生對理論知識的掌握和實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)。

五、結(jié)束語

地理信息系統(tǒng)的理論與方法已經(jīng)在社會科學(xué)與自然科學(xué)領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用，社會對這方面的人才需求也越來越大。所以，培養(yǎng)既熟悉地學(xué)基礎(chǔ)又掌握信息技術(shù)的人才，特別是地理空間大數(shù)據(jù)分析及信息技術(shù)應(yīng)用的高級人才是大學(xué)在國家創(chuàng)新體系建設(shè)中的重要使命。面對傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)的各自特點(diǎn)，本文以地理數(shù)據(jù)可視化課程為依托，對目前GIS專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并指出其弊端與解決方法，旨在實(shí)踐新的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生對課程的興趣，鍛煉自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考和綜合分析問題的能力，不斷改進(jìn)教學(xué)方法，與自己學(xué)校的學(xué)科背景和特點(diǎn)相結(jié)合，培養(yǎng)出市場需求的特色專業(yè)人才。

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基金項(xiàng)目：天津師范大學(xué)博士基金（No. 52XB1617）。

天津師范大學(xué)教改項(xiàng)目：任務(wù)驅(qū)動方式的《GIS設(shè)計(jì)與開發(fā)》教學(xué)研究。

作者簡介：陳磊（1989-），講師，主要研究方向?yàn)榛旌舷裨纸猓乩砜臻g數(shù)據(jù)可視化等。