《空間信息應用實踐》課程改革分析

段金龍 周顏 李衛東 張學海

摘要：ArcGIS地理信息系統平臺是行業內最具代表性的GIS軟件平臺，對該軟件的學習與實踐是3S技術相關本科專業教學工作中的重點。本文以本校《空間信息應用實踐》課程的教學方法與手段為例，基于個人教學經歷與經驗，探討了如何對ArcGIS軟件進行有效的本科教學指導。

關鍵詞：ArcGIS；空間信息；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）23-0079-02

一、引言

3S技術包括GIS（地理信息系統）、RS（遙感）和GPS（全球定位系統），是空間技術、傳感器技術、衛星定位與導航技術和計算機技術、通訊技術相結合，多學科高度集成的對空間信息進行采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的現代信息技術。進入21世紀后，在3S技術全球高速發展的大背景下，河南工業大學信息科學與工程學院空間信息與數字技術本科專業自2012年開始招生，在專業設置中遵循武大模式，并基于區域及學校特點逐漸走出了一條特色發展道路。目前本專業已經畢業的3屆本科生主要分為考研深造、進入北京超圖等相關專業公司、考取相關專業公務員、自主創業等多種職業發展方式，且絕大多數畢業生均繼續從事3S相關工作，學生工作單位和深造院校均對本專業畢業生給予較高評價。《空間信息應用實踐》課程是本專業大三上期開設的一門課程設計，課程屬性為專業必修課，課時兩周，開課時間一般為學期末最后兩周，該課程的先修課程為《空間分析》《空間信息與數字技術導論》《GIS原理與技術》，通過對這幾門課程的學習，使學生了解專業基礎知識，掌握一定的基于地學數據的基礎空間分析方法，對各類專業軟件的模塊構成有所了解，為《空間信息應用實踐》課程的深入學習及實驗操作打下基礎。

二、《空間信息應用實踐》課程教學目的與基本內容

本課程屬于課程設計，全部教學過程均在專業機房完成，選擇本專業核心軟件ArcGIS作為主要學習對象，經過多方比對，選用湯國安等編著的《ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程（第二版）》作為核心教材，該教材以ArcGIS 10空間分析功能為基礎，通過原理介紹、軟件操作及典型實例應用，使學生做到即學即用，通過本課程實踐，使學生靈活運用ArcGIS專業軟件解決諸多常見的實際問題，達到舉一反三的效果，進而提高實踐應用能力。通過本課程的教學，使學生了解基于ArcGIS的空間分析研究的各個方面內容，掌握基本的空間數據轉換與處理、空間數據的可視化表達、矢量數據空間分析、柵格數據空間分析、三維分析、地統計分析、水文分析、空間分析建模等理論及數據處理方法，為后續課程的學習及將來從事相關領域的工作奠定必要的理論及軟件操作基礎。該課程可用于空間信息與數字技術專業中各類復雜工程問題的分析和處理，主要通過課堂講授、課程實驗和課程設計等培養學生掌握解決空間信息與數字技術專業領域復雜工程問題所需的基本理論、分析和實現方法。在課程理論知識講授環節，使學生初步掌握解決空間信息與數字技術專業所需的基本理論及分析計算方法；在實際復雜空間信息與數字技術專業工程實踐中，通過多個貼近實際的課程實驗，培養學生如何應用柵格/矢量/三維數據空間分析方法等手段分析工程實踐的復雜特征，從而根據實際需求，選擇合適的空間分析方法設計出符合要求的數據提取及分析模型，并能評價所設計模型的優劣。在實驗教學環節，以培養學生解決復雜工程問題的能力為目的，圍繞課程目標安排實驗項目，設計實驗內容，利用空間信息與數字技術專業軟件ArcGIS進行實驗操作并對實驗結果進行評估。

三、《空間信息應用實踐》課程教學改革思路

ArcGIS是一個專業級極強的商業軟件，具有非常多不同的數據處理功能，在教學過程中，筆者選擇將教材每章最后的“實例與練習”作為核心講授及實踐內容，全部教材一共包括27個實例練習：某地區地塊的拓撲關系建立；某市區幾何網絡的建立；上海市行政區劃圖制作；市區擇房分析；最短路徑問題分析與應用；學校選址；尋找最佳路徑；熊貓分布密度制圖；GDP區域分布圖的生成與對比；山頂點的提取；地形指標提取；地形特征信息提取；表面創建及景觀圖制作；污染物在蓄水層中的可視化；模擬場景飛行；爆炸影響分析；克里金方法內插生成高程曲面；利用水文分析方法提取山脊、山谷線；地形鞍部的提取；溝谷網絡的提取及溝壑密度的計算；明暗等高線制作建模；提取坡向變率建模；數據編輯與更新；尋找最短路徑；土壤穩定性評估；找出某種珍貴藥材的生長區域；城市建筑日照分析。這些實驗基本包括了ArcGIS常用的空間分析功能，學生在完成這些實驗的同時，也是對本專業若干核心知識深入理解的過程。經過連續5年的教學歷練，筆者認為最好的本科教學方式是讓學生產生濃厚的學習興趣，提高學生的自主學習動力及能力，筆者在該門課程的教學實踐過程中也逐漸摸索到一種比較有效的教學方法，主要分為三部分內容。

第一，前置課程鋪墊。本課程在大三上半學年學期末開課，作為課程設計這種實驗類課程，集中的實驗實踐很有必要，經過比對，這種連續兩周的高強度實踐模式能夠強化學生對軟件的理解，使學生能夠充分認識ArcGIS的龐大功能，而每周只上2到4個課時的課內實驗教學方式非常依賴于學生的復習與預習，效果欠佳。由于時間有限，本課程實踐教學過程中大部分都是實驗內容，實驗原理等專業理論知識的教授無法展開講，在實際教學中，本課程主要依賴于大三上半學年學期初開課的《空間分析》課程，該課程也由筆者講授，該課程從空間分析的理論、方法和應用三個方面分別介紹空間分析的相關內容，在此基礎上提高學生對GIS本質的了解，并使學生深入理解GIS與相關學科、相關技術的內在關系。

第二，課程教授方式。傳統的課程設計類課程，多為教師布置一個或者多個綜合類題目，學生根據相關教材自主學習與實驗，教師扮演的多為純指導者的角色。但結合實際情況，筆者認為，首先，ArcGIS的海量功能會使大多數同學無從入手；另外，目前不少學生在實踐類課程中存在懶惰、厭學等消極情緒，本課程教材中的27個綜合性實驗如果放任由學生自主學習并實踐，2周的時間基本無法完成。為使學生盡可能地學好ArcGIS，筆者在實際教學中，先將每個實驗親自做一遍，并在實驗過程中講解若干核心實驗原理及專業知識基礎理論，學生通過投影儀和教師講解內容理解實驗，然后學生自主實驗，教師在實驗室中巡視實驗情況，并不斷回答學生碰到的各種問題。這種教學方式先拉低了各個實驗的操作難度，使學生能夠輕松地做出實驗結果，產生一定的滿足感，使其有興趣繼續后續實驗。

第三，課程考核方式。本課程的最終成績由實驗平時表現、實驗成績和課程設計報告成績組合而成，各部分所占比例如下：（1）實驗平時表現（占20%）：根據學生考勤、課堂提問、課堂討論等情況給出評定成績。（2）實驗成績（占40%）：根據學生在實驗過程中的表現情況給出評定成績。包括學生對實驗內容的理解、操作正確與否、實驗結果正確與否等。具體考核方法為在第2周的某天選擇若干前期做過的實驗內容，對每位學生進行實驗現場考核，提出實驗原理、操作步驟、參數設置等不同問題，根據學生回答問題情況酌情打分。（3）課程設計報告成績（占40%）：根據結課后學生上交課程設計報告的撰寫情況給出評定成績。包括報告格式、實現步驟、實驗結果等，課程設計報告內容為最后一次上課時布置的綜合大實驗，該實驗抽取27個已完成實驗中的若干實驗方法及原理，基于新的數據和不同實驗參數，要求學生做出綜合性實驗結果并撰寫課程設計報告。以上課程考核方式綜合考評了學生的紀律性、動手能力、專業知識理解、語言表達能力、寫作能力等，最終成績比較準確的體現了每個學生在課程設計過程中的綜合表現。

經過以上教學方法的不斷完善，《空間信息應用實踐》這門課程的教學效果逐年提高，評教結果優秀，學生對該門課程表現出了極高的自主學習興趣，學生在課堂上及課下與筆者存在大量的溝通，不斷請教ArcGIS軟件操作的若干問題，一些平時學習成績較差的學生也在實踐操作中對本專業產生了濃厚的學習興趣，這也達到了筆者提高學生學習興趣的初衷。

參考文獻：

[1]湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程（第二版）[M].科學出版社，2012.

[2]段金龍，周顏，李衛東，張學海.《空間分析》課程改革探討[J].教育教學論壇，2018，（3）：123-124.