地理信息系統(tǒng)開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂建軍, 龔君芳, 許 勇, 李干鵬

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 信息工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

地理信息系統(tǒng)(GIS)開發(fā)類課程是中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地理信息科學(xué)專業(yè)重要且具有特色的專業(yè)課程,注重培養(yǎng)學(xué)生較好的GIS應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)能力[1]。目前國內(nèi)外GIS開發(fā)教學(xué)通常采用課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式,其中實(shí)踐教學(xué)是地理信息系統(tǒng)工程(geographic information engineering)教學(xué)的重要教學(xué)方式[2-3]和深化課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié),是鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力、理論聯(lián)系實(shí)際的重要手段[4]。然而，受到學(xué)時(shí)數(shù)、實(shí)訓(xùn)場地和師資等方面的限制,實(shí)踐教學(xué)課在培養(yǎng)學(xué)生利用GIS進(jìn)行二次開發(fā)和設(shè)計(jì)方面還有一定的差距。因此,有必要探討新的教學(xué)手段和方法,建立良好的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境,以便學(xué)生能在課外通過在線學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)、交流和實(shí)踐[5],提高GIS開發(fā)教學(xué)效果。

在線學(xué)習(xí)是網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)技術(shù)與移動(dòng)技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的新型數(shù)字化學(xué)習(xí)形式[6]。隨著社會的發(fā)展,傳統(tǒng)教育模式已經(jīng)不能滿足學(xué)習(xí)者的需要。為了創(chuàng)新教學(xué)模式、豐富數(shù)字化學(xué)習(xí)手段,使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制,基于創(chuàng)新技術(shù)的遠(yuǎn)程教育、在線學(xué)習(xí)已成為研究的熱點(diǎn)和主要途徑[7]。

利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),基于互聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)端相結(jié)合的交流機(jī)制,搭建一個(gè)全時(shí)指導(dǎo)、快捷反應(yīng)的在線GIS開發(fā)訓(xùn)練平臺,不僅能夠提供學(xué)生課余高效學(xué)習(xí)和交流的環(huán)境,發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,實(shí)現(xiàn)在線實(shí)訓(xùn)教學(xué)的趣味性、交互性、及時(shí)性,還能夠加強(qiáng)師生間的溝通,幫助教師及時(shí)掌握學(xué)生關(guān)于GIS的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)GIS開發(fā)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)以及答疑交流,加強(qiáng)學(xué)生GIS開發(fā)案例訓(xùn)練,方便師生互動(dòng)交流和在線答疑,達(dá)到提升學(xué)生獨(dú)立開發(fā)的能力、滿足n個(gè)學(xué)生在線面向m個(gè)教師答疑交流的需求,提供一站式的答疑服務(wù)模式。

系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容包括:

(1) 建立GIS開發(fā)的題庫,供學(xué)生在線復(fù)習(xí),加強(qiáng)GIS基礎(chǔ)訓(xùn)練；

(2) 建立多層次模塊庫,方便學(xué)生在線進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)訓(xùn)練；

(3) 建立答疑、交流的工具,方便師生及時(shí)解決開發(fā)設(shè)計(jì)過程中遇到的問題。

GIS開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理,對學(xué)生、教師和管理員提供應(yīng)用服務(wù)。平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 GIS開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺總體架構(gòu)圖

系統(tǒng)由基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和服務(wù)層組成。

(1) 基礎(chǔ)層主要是系統(tǒng)運(yùn)行的軟硬件環(huán)境,包括數(shù)據(jù)庫工具、GIS工具以及存儲設(shè)備等。

(2) 數(shù)據(jù)層主要有題庫、模塊庫、知識庫以及存儲部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(3) 應(yīng)用層主要是針對實(shí)訓(xùn)開發(fā)所需要的電子白板、模塊庫管理、題庫管理統(tǒng)計(jì)分析等。

(4) 服務(wù)層針對教師、學(xué)生提供的服務(wù),通過統(tǒng)一門戶進(jìn)行登錄和工作。

本系統(tǒng)創(chuàng)新采用一站式答疑服務(wù)機(jī)制。該機(jī)制以門戶形式一站式解決GIS實(shí)訓(xùn)過程中的開發(fā)訓(xùn)練、交流答疑,還可以進(jìn)行在線作業(yè)評分等,為學(xué)生提供全面、便捷、高效的一站式答疑服務(wù),滿足學(xué)生個(gè)性化開發(fā)實(shí)訓(xùn)需求,加強(qiáng)學(xué)生GIS開發(fā)訓(xùn)練,方便師生互動(dòng)交流和在線答疑,達(dá)到提升學(xué)生獨(dú)立開發(fā)的能力。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)平臺實(shí)現(xiàn)一站式服務(wù)模式。學(xué)生在GIS開發(fā)實(shí)訓(xùn)中遇到的問題集中提交于一站式電子白板模塊[8],由后臺統(tǒng)一處理、統(tǒng)一反饋,提供涵蓋實(shí)訓(xùn)全過程的支持服務(wù),還根據(jù)學(xué)生需求提供了知識題庫和作業(yè)管理的功能。實(shí)訓(xùn)平臺主要特點(diǎn)包括:

(1) 電子白板:可通過在線文字、模型等形式的交互答疑；

(2) 知識題庫:題錄、模塊庫在線聯(lián)系等；

(3) 統(tǒng)計(jì)分析:統(tǒng)計(jì)分析內(nèi)容包括在線訓(xùn)練時(shí)間、學(xué)生之間互動(dòng)答疑；

(4) 批改作業(yè):在線批改作業(yè)/試卷,閱卷/評分。

2.1 功能模塊構(gòu)成

GIS在線開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺為教師提供課程管理、作業(yè)管理、電子白板、知識庫、題庫、模塊庫及個(gè)人信息等7個(gè)模塊；為學(xué)生提供作業(yè)管理、電子白板、知識庫、題庫、模塊庫、個(gè)人信息及“我的問題”等7個(gè)模塊。其中重要的功能模塊主要包括題庫、模塊庫、知識庫、電子白板等。功能模塊如圖2所示。

圖2 功能模塊

2.2 學(xué)生管理模塊

系統(tǒng)的用戶分為系統(tǒng)管理員、教師管理員和學(xué)生。任課教師統(tǒng)一把選課學(xué)生的名單導(dǎo)入本系統(tǒng),生成本系統(tǒng)的普通用戶。普通用戶可以在線做題、進(jìn)行開發(fā)訓(xùn)練,參與討論、下載文獻(xiàn)等。

管理員分為系統(tǒng)管理員和教師管理員,管理員可以進(jìn)入平臺后臺,對內(nèi)容進(jìn)行增加、刪除、修改、查看操作,管理員審核學(xué)生,可對學(xué)生信息進(jìn)行增加、刪除、修改、查看,可以進(jìn)行學(xué)生權(quán)限的變更等。

2.3 電子白板模塊

電子白板是在線GIS開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺的重要模塊,形式可以是文字描述、模塊代碼、結(jié)構(gòu)圖[8]等。對于每個(gè)學(xué)生而言,電子白板是獨(dú)立和公開的。學(xué)生提出的問題總是以獨(dú)立的文本存儲,一個(gè)問題是一條記錄。電子白板模塊具體功能如圖3所示。

圖3 電子白板模塊功能示意圖

在電子白板中,學(xué)生提出的問題都是公開的,登錄的學(xué)生都可以看到這個(gè)問題,也可以回復(fù)問題和解答問題。對答案正確的學(xué)生,平臺給予適當(dāng)獎(jiǎng)勵(lì)。在電子白板模塊中,當(dāng)學(xué)生發(fā)布問題后,學(xué)生、系統(tǒng)管理員、教師管理員都可以回答。對于每一條回答,用戶對比較認(rèn)同的答案可以直接點(diǎn)贊表示支持,并且提問者有權(quán)利對正確的答案進(jìn)行采納。

2.4 知識題庫模塊

知識題庫模塊包括有題庫、模塊庫、知識庫。

題庫是GIS應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識及練習(xí)題,包括一些社會考試模擬題。

模塊庫是GIS開發(fā)的案例庫,有建模要求和腳本,包括GIS系統(tǒng)中的空間分析模塊、空間數(shù)據(jù)顯示模塊,空間信息應(yīng)用模塊等。

知識庫主要包括GIS課程中的知識點(diǎn),以及本系統(tǒng)使用過程中學(xué)生提出的普遍問題的答案要點(diǎn)等。教師管理員或系統(tǒng)管理員在后臺上傳GIS理論知識要點(diǎn),學(xué)生在電子白板中提出的問題和得到的答案也將整理到知識題庫中。如果學(xué)生在電子白板中提出的問題已存在于知識題庫中,系統(tǒng)將自動(dòng)采用知識庫中的答案。

知識題庫模塊提供GIS操作、分析、建模等不同層次的案例庫,包括填空題、簡述題以及答案庫等題庫,為學(xué)生提供相應(yīng)的專業(yè)題庫、答案庫、分析庫。案例庫以Word文件、圖形、txt等的形式存儲。不同角色的用戶可在知識題庫模塊中進(jìn)行瀏覽、查看、上傳、修改、刪除等操作。知識題庫模塊具體功能如圖4所示。

圖4 知識題庫模塊功能示意圖

2.5 作業(yè)模塊

在作業(yè)模塊中,學(xué)生可以在線做題、提交做題結(jié)果并接受考核。學(xué)生可以選擇做題類型、選擇做作業(yè)或者做試卷,也可以選擇題庫。如果學(xué)生選擇做試卷并完成后,后臺會自動(dòng)檢查、判題并給出錯(cuò)題分析；如選擇做作業(yè),可在線完成作業(yè)并提交。教師在作業(yè)模塊中為學(xué)生布置、在線批改作業(yè)/試卷、給作業(yè)/試卷評分,分?jǐn)?shù)即時(shí)記錄到平時(shí)成績中。若學(xué)生對判題結(jié)果存在疑問,則可在電子白板中即時(shí)提問,后臺給出相應(yīng)回復(fù)。作業(yè)模塊具體功能如圖5所示。

圖5 作業(yè)模塊功能示意圖

2.6 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析用于統(tǒng)計(jì)學(xué)生在線練習(xí)、作業(yè)的頻度和練習(xí)情況,記錄學(xué)生是否已瀏覽特定的內(nèi)容,跟蹤統(tǒng)計(jì)上線行為,從而便于教師掌握學(xué)生課外學(xué)習(xí)的進(jìn)展、評判學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn),為后續(xù)教學(xué)工作的進(jìn)行提供有效的參考信息。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

GIS在線開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺采用JavaEE輕量級解決方案:采用SSM(Spring MVC+Spring+MyBatis)框架[9],利用面向?qū)ο蟮姆治龇椒ㄌ岢鲆恍┠Ｐ?將這些模型實(shí)現(xiàn)為基本的Java對象,編寫基本的DAO(data access object)接口,采用MyBatis架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的DAO類來進(jìn)行Java類與數(shù)據(jù)庫之間的轉(zhuǎn)換和訪問,Spring MVC負(fù)責(zé)請求的轉(zhuǎn)發(fā)和視圖管理,最后由Spring做管理,管理Spring MVC和MyBatis,控制業(yè)務(wù)跳轉(zhuǎn)[10],實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)對象管理。

通過使用SSM框架不僅可以大幅度降低開發(fā)的難度和工作量,還可使應(yīng)用系統(tǒng)在靈活性、適應(yīng)性和穩(wěn)定性方面有良好的表現(xiàn)[11]。

在系統(tǒng)開發(fā)過程中采用最新版eclipse作為集成開發(fā)環(huán)境,采用Tomcat服務(wù)器作為系統(tǒng)的運(yùn)行平臺,完成了前臺客戶端界面的設(shè)計(jì)和編碼以及后臺各種業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)庫的操作和實(shí)現(xiàn)[12],保證了學(xué)習(xí)平臺在不同的終端下都能在線訪問。

4 結(jié)語

在線GIS開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺可及時(shí)提供一站式咨詢、答疑和指導(dǎo)服務(wù),增強(qiáng)GIS開發(fā)的趣味性、交互性、及時(shí)性,營造學(xué)生自主學(xué)習(xí)的氛圍。學(xué)生可以隨時(shí)隨地、靈活方便地通過個(gè)人的手機(jī)或電腦登錄在線GIS開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺,有針對性地運(yùn)用平臺GIS知識題庫完成GIS模型設(shè)計(jì)分析和開發(fā)編碼訓(xùn)練,深化在GIS教學(xué)課堂中學(xué)到的知識。在學(xué)習(xí)過程中,一旦遇到問題,可在線提出并得到后臺一站式答疑機(jī)制的及時(shí)響應(yīng)。

學(xué)生也是地理信息系統(tǒng)開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺知識庫的建設(shè)參與者。平臺鼓勵(lì)學(xué)生互相之間答疑交流，對于學(xué)生提出好的問題和好的答案給予獎(jiǎng)勵(lì),提高了學(xué)生參加GIS軟件開發(fā)訓(xùn)練的積極性。

通過在線GIS開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺,教師能夠及時(shí)與學(xué)生進(jìn)行交流并有針對性地指導(dǎo),幫助學(xué)生解決在GIS開發(fā)訓(xùn)練過程中遇到的困難和問題。教師可以將典型的練習(xí)題上傳至知識題庫,幫助學(xué)生加深知識點(diǎn)的理解；可以及時(shí)總結(jié)和發(fā)現(xiàn)學(xué)生在課余作業(yè)、練習(xí)過程中的共性問題,改進(jìn)已有的教學(xué)環(huán)節(jié),創(chuàng)新教學(xué)模式,提高教學(xué)效率,更好地輔助教學(xué)。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 柳錦寶,王增武,喻亮,等.“案例—任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)模式在GIS開發(fā)類課程中的應(yīng)用探討[J].教育教學(xué)論壇,2017(5):140-141.

[2] 楊樹文,閆浩文,孫建國.地理信息系統(tǒng)專業(yè)教學(xué)實(shí)踐與改革探索[J].測繪科學(xué).2011,36(1):226-228.

[3] 鄭貴洲,趙雷.地理信息系統(tǒng)(GIS)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建[J].測繪科學(xué),2010,35(5):250-253.

[4] 黃解軍,袁艷斌,張曉盼,等.面向地理信息系統(tǒng)(GIS)專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的教學(xué)改革與探索[J].大學(xué)教育,2013(11):93-94.

[5] 李少英,陳健飛,林媚珍,等.“GIS空間分析原理與方法”課程教學(xué)改革探索[J].科教文匯(下旬刊),2016(1):60-61,64.

[6] 段煥娥,韓惠,李雪梅.信息環(huán)境下的GIS專業(yè)自然地理學(xué)教改實(shí)踐[J]測繪工程,2016(1):77-80.

[7] naaoveGIS.以項(xiàng)目談WebGIS中Web制圖的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[EB/OL].[2017-12-18].http://www.gissky.net/Article/3596.htm.

[8] 呂立立.交互式電子白板在課堂教學(xué)中的有效應(yīng)用[EB/OL].(2015-11-18)[2017-12-18].https://wenku.baidu.com/view/d1d2e2e1336c1eb91b375d41.html.

[9] 徐雯,高建華.基于Spring MVC及MyBatis的Web應(yīng)用框架研究[J].微型電腦應(yīng)用,2012,28(7):1-4.

[10] 張宇,王映輝,張翔南.基于Spring的MVC框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2010,36(4):59-62.

[11] 姚敏,王方石.基于MVC模式和SSH框架的高校科研管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù),2014,10(11):2485-2487.

[12] 陳巧婷.基于Java Web的網(wǎng)上培訓(xùn)報(bào)名系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長春:吉林大學(xué),2015.